无人机防覆冰疏水涂层的研发

引言

在电力线路日常运维中,无人机的应用大大提高了运维效率和运维质量,但是在无人机巡检中也面临着覆冰的难题。我国本身幅员辽阔,地区气候差异明显,温差变化大,部分地区常年受雨雪恶劣天气困扰,给人们的日常生活带来诸多不便,而遇到特大雨雪恶劣天气也会影响电力设备运行,严重干扰巡检飞行器的运行。以广东韶关地区为例,部分线路位于冰区,在湿冷天气情况下使用无人机进行电力线路巡视作业,往往无人机外壳及机翼上会覆上一层不均匀的冰,导致无人机失去平衡,运行操控失准,不仅影响其正常工作,而且伴随有无人机坠落的风险。为确保无人机在湿冷天气情况下也能正常开展巡视飞行工作,着手研制一种新型防覆冰疏水涂层材料,将其喷涂在无人机外壳及机翼上,能实现无人机在湿冷天气情况下的自由飞行,提高无人机的工作效率,确保无人机巡检的安全。

1无人机防覆冰疏水涂层研究背景

结构物表面覆冰属于常见的自然现象,但覆冰严重的情况下会威胁人们的生命财产安全,造成巨大的经济损失。以电力领域结构物表面的覆冰情况来说,若电力发电机叶片覆冰,会降低其发电效率,且影响叶片寿命:若输电线路覆冰,会导致线路中断,引发绝缘子闪络等问题,干扰电路系统的正常运行:若电力无人机关键部位覆冰,会导致无人机升力下降,飞行阻力增大,机身操作失控,重心不稳,严重情况下还会出现坠机的事故。因此,开展防覆冰技术研究,对于深化电力改革,做好电力运维管理具有积极意义。

基于覆冰问题的危害性,人们也加强了对防覆冰技术的研究,主要是于结构物表面涂刷防覆冰疏水涂层,该方法不仅能耗小、环境友好,而且成本低,是目前防覆冰应对研究的主导方向。目前推出的防覆冰涂层有润滑表面型防覆冰材料、疏水型防覆冰涂层以及超疏水型防覆冰涂

层。润滑表面型防覆冰材料包括润滑液为有机液体的光滑注液多孔表面材料及水溶液润滑类材料。不管是疏水型防覆冰涂层,还是超疏水型防覆冰涂层,都是指水在其表面的静态接触角大于150y、滚动角小于10y的涂层材料,其基于荷叶效应进行防覆冰应对。

涂层超疏水特性的两大影响要素分别为表面化学组成和表面微观形貌。从疏水涂层应用情况来看,其因为具备超大水接触角,且具有低滚动角特性,在防覆冰领域取得了理想的应用效果。

目前,国内外学者也针对防覆冰机理进行了深入探讨,推出了多种疏水型防覆冰涂层材料,本文将重点介绍一种新型无人机表面防疏水涂层材料。

2涂层疏水特性及研究机理

在固一液一气三相作用点处画液一气界面的切线,该切线与固一液界面在三相点处的切线之间的夹角就是接触角(contactang1e),一般用符号8表示。液态水与固体表面交界处的接触角描述了固体表面的亲疏水性强弱。当8<90y时,可认为固体表面是亲水性的,表明该液体(水)较易润湿固体:当8>90y时,可认为固体表面是疏水性的,表明该液体(水)不易润湿固体。

对于防覆冰疏水涂层的研究主要是基于荷叶效应,如图1所示,水滴在荷叶表面呈水珠状,且很容易移动,因此荷叶是自然界最常见的疏水材料,疏水材料的研发由此受到启发。

研究发现,水对固体表面的润湿过程与固体的界面张力有关,当一滴水落在固体表面并达到平衡时,接触角与界面张力用杨氏公式表示:γ_SV=γ_SL＋γ_LV×cosθ。由此可见,接触角8越小,表示固体表面润湿性越好:θ越大,表示固体表面润湿性越差,液体越容易在表面上移动。当θ=0时,完全润湿:当θ=90^。时,在润湿与否的临界点:当θ=180^。时,完全不润湿,此时可以认为固体表面是完全干燥的,没有任何一点水滴可以停留在固体表面,因此无法结冰,是理想的防覆冰材料，具体的分析示意图如图2所示。

图1  荷叶效应直观展示图

图2  荷叶效应原理展示图

而不同材料的接触角不同,表1列举了部分材料的接触角情况。因此可以通过尝试不同的材料,根据其接触角情况去判断其防覆冰能力,这也是防覆冰疏水材料研发的主导思路。

3无人机防覆冰疏水涂层的制备关键

3.1疏水材料基材选择与对比

对于无人机表面防覆冰的实现,需要解决两大关键技术问题:一是制备出θ尽量大的疏水材料,二是尽可能提高该材料的耐磨耐刮特性。即确保疏水材料对液态水的疏远性,而耐磨耐刮花特性意味着无人机在长期飞行过程中对空气中粉尘等杂质摩擦及可能存在的人为外力摩擦过程的自我保护能力。

通过实验室对特定已知高分子材料表面能进行测定,筛选特定的符合要求的材料,并对材料配方或制备工艺进行调整,增强涂层表面硬度。有机硅与有机氟是已知常用的具有低表面能的理想材料。通过实验室测定,有机硅或有机氟所带不同基团时,表面能值的差异如下:-CH2->-CH3>-CF2->C-F2H>-CF3。对于-CF3基团有机氟材料,通过对不同基团含量的配比,可以将θ提高到115o以上。在选定基材后,需要考虑其与不同材料固体表面的可依附特性以及其在镀膜技术上的可行性。目前的最优方案为在有机硅表面带-CF3基团氟材料体系,其实验测定θ≥115o。疏水涂层的厚度需控制在20nm以内,以最大限度控制涂层重量,尽量减轻对无人机续航时间的影响。在涂层厚度达到纳米级别时,涂层基材硬度基本决定了涂层表面的硬度。无人机机体外壳一般采用塑料件,质地较软,这一问题采用基材表面喷涂加硬材料涂层的方法来解决。在工程应用领域,基材表面加硬处理是一项相对成熟的技术(如汽车防刮花膜）,借用该技术对无人机表面进行硬度增强,能够实现无人机机体防覆冰。

3.2合理选择疏水涂层制备工艺

根据无人机机壳表面材料的特点以及疏水材料特性,可对真空蒸发镀膜工艺或真空溅射镀膜工艺进行评估。真空蒸发镀膜是在真空条件下,用蒸发器加热蒸发物质使之汽化,蒸发粒子流直接射向基片并在基片上沉积形成固态薄膜的技术。真空溅射镀膜是给靶材施加高电压(形成等离子状态）,使正荷电气体离子撞击靶材,金属原子飞弹,而在样品表面形成金属皮膜的方法。两种工艺的原理示意图如图3所示,而最终采用何种工艺需要根据局方所用无人机的实际外壳材质评估选定。

图3  疏水涂层两种制备工艺流程图

3.3疏水涂层防覆冰效果检测

无人机防覆冰有着明确的检测标准,要求无人机表面镀膜后需通过相应检测,以初步判断其镀膜效果。首先是接触角测试,主要用于判定其是否具备疏水性能。其次是硬度值测试,主要用来评估防覆冰疏水涂层的耐候性能。从检测情况看,防覆冰疏水涂层不能根除结冰,在结冰气象条件下飞行太久后最终都会结冰,但防覆冰疏水涂层可以有效延迟结冰及降低覆冰的结合力。通过结冰探测装置及时发现结冰,并调整飞行线路,或者配合打开热力或机械除冰装置,无人机飞行将更加稳定。

4结语

鉴于湿冷天气情况下使用无人机进行电力线路巡视作业,因受恶劣天气的影响,无人机外壳及机翼上会覆上一层不均匀的冰,使得无人机逐渐失去平衡而无法飞行,为使无人机在湿冷天气情况下能正常开展巡视飞行工作,必须做好新型防覆冰疏水涂层的研发与推广应用,将其涂在无人机外壳及机翼上,确保无人机高效、稳定运行,保证电力巡视效果。