無人機防覆冰疏水涂層的研發(fā)

葉衛(wèi)民 郭堃 丘偉平

摘 要：近幾年來，基于無人機巡檢的智能化操作以及多場景的靈活運用，無人機電力巡檢發(fā)展趨勢越來越明顯，但受惡劣雨雪天氣的影響，用于巡檢的無人機在運行過程中也面臨諸多挑戰(zhàn)，特別是在結(jié)構(gòu)物表面覆冰時，無人機的性能發(fā)揮將受影響，對于電力巡檢來說是個不小的困擾?，F(xiàn)階段關(guān)于防覆冰的研究主要是涂層研發(fā)，防覆冰涂層研究主要有兩大方向：一種是利用熱源升高溫度讓冰層融化，以縮短結(jié)冰時間，減小結(jié)冰面積，主要對應(yīng)一些新型儲能材料的運用;另一種是在結(jié)構(gòu)件上降低冰與基材之間的粘合力，使其難以附著在結(jié)構(gòu)物表面，從而延緩結(jié)冰，降低覆冰面積。目前，供電線路無人機主要通過防覆冰疏水涂層的涂刷來延緩結(jié)冰，減少巡檢過程中因重心不穩(wěn)、操控不準(zhǔn)引發(fā)的掉落風(fēng)險?，F(xiàn)主要就無人機防覆冰疏水涂層的運用進行探討，詳細論述新型無人機防覆冰疏水涂層的研發(fā)機理與運用表現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：無人機;防覆冰;疏水涂層

0 ? ?引言

在電力線路日常運維中，無人機的應(yīng)用大大提高了運維效率和運維質(zhì)量，但是在無人機巡檢中也面臨著覆冰的難題。我國本身幅員遼闊，地區(qū)氣候差異明顯，溫差變化大，部分地區(qū)常年受雨雪惡劣天氣困擾，給人們的日常生活帶來諸多不便，而遇到特大雨雪惡劣天氣也會影響電力設(shè)備運行，嚴重干擾巡檢飛行器的運行。以廣東韶關(guān)地區(qū)為例，部分線路位于冰區(qū)，在濕冷天氣情況下使用無人機進行電力線路巡視作業(yè)，往往無人機外殼及機翼上會覆上一層不均勻的冰，導(dǎo)致無人機失去平衡，運行操控失準(zhǔn)，不僅影響其正常工作，而且伴隨有無人機墜落的風(fēng)險。為確保無人機在濕冷天氣情況下也能正常開展巡視飛行工作，著手研制一種新型防覆冰疏水涂層材料，將其噴涂在無人機外殼及機翼上，能實現(xiàn)無人機在濕冷天氣情況下的自由飛行，提高無人機的工作效率，確保無人機巡檢的安全。

1 ? ?無人機防覆冰疏水涂層研究背景

結(jié)構(gòu)物表面覆冰屬于常見的自然現(xiàn)象，但覆冰嚴重的情況下會威脅人們的生命財產(chǎn)安全，造成巨大的經(jīng)濟損失。以電力領(lǐng)域結(jié)構(gòu)物表面的覆冰情況來說，若電力發(fā)電機葉片覆冰，會降低其發(fā)電效率，且影響葉片壽命;若輸電線路覆冰，會導(dǎo)致線路中斷，引發(fā)絕緣子閃絡(luò)等問題，干擾電路系統(tǒng)的正常運行;若電力無人機關(guān)鍵部位覆冰，會導(dǎo)致無人機升力下降，飛行阻力增大，機身操作失控，重心不穩(wěn)，嚴重情況下還會出現(xiàn)墜機的事故。因此，開展防覆冰技術(shù)研究，對于深化電力改革，做好電力運維管理具有積極意義。

基于覆冰問題的危害性，人們也加強了對防覆冰技術(shù)的研究，主要是于結(jié)構(gòu)物表面涂刷防覆冰疏水涂層，該方法不僅能耗小、環(huán)境友好，而且成本低，是目前防覆冰應(yīng)對研究的主導(dǎo)方向[1]。目前推出的防覆冰涂層有潤滑表面型防覆冰材料、疏水型防覆冰涂層以及超疏水型防覆冰涂層。潤滑表面型防覆冰材料包括潤滑液為有機液體的光滑注液多孔表面材料及水溶液潤滑類材料。不管是疏水型防覆冰涂層，還是超疏水型防覆冰涂層，都是指水在其表面的靜態(tài)接觸角大于150°、滾動角小于10°的涂層材料，其基于荷葉效應(yīng)進行防覆冰應(yīng)對[2]。

涂層超疏水特性的兩大影響要素分別為表面化學(xué)組成和表面微觀形貌。從疏水涂層應(yīng)用情況來看，其因為具備超大水接觸角，且具有低滾動角特性，在防覆冰領(lǐng)域取得了理想的應(yīng)用效果。

目前，國內(nèi)外學(xué)者也針對防覆冰機理進行了深入探討，推出了多種疏水型防覆冰涂層材料，本文將重點介紹一種新型無人機表面防疏水涂層材料。

2 ? ?涂層疏水特性及研究機理

在固—液—氣三相作用點處畫液—氣界面的切線，該切線與固—液界面在三相點處的切線之間的夾角就是接觸角（contact angle），一般用符號θ表示。液態(tài)水與固體表面交界處的接觸角描述了固體表面的親疏水性強弱。當(dāng)θ<90°時，可認為固體表面是親水性的，表明該液體（水）較易潤濕固體;當(dāng)θ>90°時，可認為固體表面是疏水性的，表明該液體（水）不易潤濕固體。

對于防覆冰疏水涂層的研究主要是基于荷葉效應(yīng)，如圖1所示，水滴在荷葉表面呈水珠狀，且很容易移動，因此荷葉是自然界最常見的疏水材料[3]，疏水材料的研發(fā)由此受到啟發(fā)。

研究發(fā)現(xiàn)，水對固體表面的潤濕過程與固體的界面張力有關(guān)，當(dāng)一滴水落在固體表面并達到平衡時，接觸角與界面張力用楊氏公式表示：γSV=γSL+γLV×cos θ。由此可見，接觸角θ越小，表示固體表面潤濕性越好;θ越大，表示固體表面潤濕性越差，液體越容易在表面上移動。當(dāng)θ=0時，完全潤濕;當(dāng)θ=90°時，在潤濕與否的臨界點;當(dāng)θ=180°時，完全不潤濕，此時可以認為固體表面是完全干燥的，沒有任何一點水滴可以停留在固體表面，因此無法結(jié)冰，是理想的防覆冰材料。具體的分析示意圖如圖2所示。

而不同材料的接觸角不同，表1列舉了部分材料的接觸角情況。因此可以通過嘗試不同的材料，根據(jù)其接觸角情況去判斷其防覆冰能力，這也是防覆冰疏水材料研發(fā)的主導(dǎo)思路。

3 ? ?無人機防覆冰疏水涂層的制備關(guān)鍵

3.1 ? ?疏水材料基材選擇與對比

對于無人機表面防覆冰的實現(xiàn)，需要解決兩大關(guān)鍵技術(shù)問題：一是制備出θ盡量大的疏水材料，二是盡可能提高該材料的耐磨耐刮特性。即確保疏水材料對液態(tài)水的疏遠性，而耐磨耐刮花特性意味著無人機在長期飛行過程中對空氣中粉塵等雜質(zhì)摩擦及可能存在的人為外力摩擦過程的自我保護能力。

通過實驗室對特定已知高分子材料表面能進行測定，篩選特定的符合要求的材料，并對材料配方或制備工藝進行調(diào)整，增強涂層表面硬度。有機硅與有機氟是已知常用的具有低表面能的理想材料[4]。通過實驗室測定，有機硅或有機氟所帶不同基團時，表面能值的差異如下：-CH2->-CH3>-CF2->C-F2H>-CF3。對于-CF3基團有機氟材料，通過對不同基團含量的配比，可以將θ提高到115°以上。在選定基材后，需要考慮其與不同材料固體表面的可依附特性以及其在鍍膜技術(shù)上的可行性。目前的最優(yōu)方案為在有機硅表面帶-CF3基團氟材料體系，其實驗測定θ≥115°。疏水涂層的厚度需控制在20 nm以內(nèi)，以最大限度控制涂層重量，盡量減輕對無人機續(xù)航時間的影響。在涂層厚度達到納米級別時，涂層基材硬度基本決定了涂層表面的硬度。無人機機體外殼一般采用塑料件，質(zhì)地較軟，這一問題采用基材表面噴涂加硬材料涂層的方法來解決。在工程應(yīng)用領(lǐng)域，基材表面加硬處理是一項相對成熟的技術(shù)（如汽車防刮花膜），借用該技術(shù)對無人機表面進行硬度增強，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機機體防覆冰。

3.2 ? ?合理選擇疏水涂層制備工藝

根據(jù)無人機機殼表面材料的特點以及疏水材料特性，可對真空蒸發(fā)鍍膜工藝或真空濺射鍍膜工藝進行評估。真空蒸發(fā)鍍膜是在真空條件下，用蒸發(fā)器加熱蒸發(fā)物質(zhì)使之汽化，蒸發(fā)粒子流直接射向基片并在基片上沉積形成固態(tài)薄膜的技術(shù)[5]。真空濺射鍍膜是給靶材施加高電壓（形成等離子狀態(tài)），使正荷電氣體離子撞擊靶材，金屬原子飛彈，而在樣品表面形成金屬皮膜的方法。兩種工藝的原理示意圖如圖3所示，而最終采用何種工藝需要根據(jù)局方所用無人機的實際外殼材質(zhì)評估選定。

3.3 ? ?疏水涂層防覆冰效果檢測

無人機防覆冰有著明確的檢測標(biāo)準(zhǔn)，要求無人機表面鍍膜后需通過相應(yīng)檢測，以初步判斷其鍍膜效果。首先是接觸角測試，主要用于判定其是否具備疏水性能。其次是硬度值測試，主要用來評估防覆冰疏水涂層的耐候性能。從檢測情況看，防覆冰疏水涂層不能根除結(jié)冰，在結(jié)冰氣象條件下飛行太久后最終都會結(jié)冰，但防覆冰疏水涂層可以有效延遲結(jié)冰及降低覆冰的結(jié)合力。通過結(jié)冰探測裝置及時發(fā)現(xiàn)結(jié)冰，并調(diào)整飛行線路，或者配合打開熱力或機械除冰裝置，無人機飛行將更加穩(wěn)定。

4 ? ?結(jié)語

鑒于濕冷天氣情況下使用無人機進行電力線路巡視作業(yè)，因受惡劣天氣的影響，無人機外殼及機翼上會覆上一層不均勻的冰，使得無人機逐漸失去平衡而無法飛行，為使無人機在濕冷天氣情況下能正常開展巡視飛行工作，必須做好新型防覆冰疏水涂層的研發(fā)與推廣應(yīng)用，將其涂在無人機外殼及機翼上，確保無人機高效、穩(wěn)定運行，保證電力巡視效果。

[參考文獻]

[1] 鄭奇凱，孫闊騰，黃松強，等.防冰涂層材料及電力材料防覆冰應(yīng)用的研究進展[J/OL].表面技術(shù)：1-26（2021-08-02）[2021-08-26].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？dbcode=CAPJ&dbname=CAPJLAST&file name=BMJS2021073000J&uniplatform=NZKPT&v=CSJTgoBtTlWwTUYHISUpO7eyYTrV7yzdCIgc-duU5zwvZFtrPmCTau8zGiKwRR-S.

[2] 葛成方.飛秒激光制備超疏水表面及其防覆冰性能研究[D].長春：中國科學(xué)院大學(xué)（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所），2021.

[3] 馮放，沈虎，趙宏偉，等.超疏水MoS2納米涂層葉片防覆冰特性研究[J].工程熱物理學(xué)報，2021，42（5）：1168-1175.

[4] 徐達，肖振，余新泉，等.多功能疏水/超疏水復(fù)合涂層的制備及其防覆冰性[J/OL].復(fù)合材料學(xué)報：1-10（2021-05-13）[2021-08-26].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？dbcode = CAPJ&dbname = CAPJLAST&filen a m e ?= ?F U H E 2 0 2 1 0 5 1 1 0 0 9 & u n i p l a t f o r m ?= ?N Z K P T & v ?=HRuPfJbla_XUPfEPFozecdFi7QkE_trc4cU-g8y0A1b47bLbnfe0KBtjAA36Nu.

[5] 周開河，錢錫穎，吳忠平，等.電網(wǎng)架空地線用自吸熱防覆冰易除冰涂料的研制[J].涂層與防護，2021，42（3）：7-12.

收稿日期：2021-08-27

作者簡介：葉衛(wèi)民（1975—），男，廣東南雄人，工程師，研究方向：輸電線路運行維護及基礎(chǔ)建設(shè)。