引言

在電力線路日常運(yùn)維中,無人機(jī)的應(yīng)用大大提高了運(yùn)維效率和運(yùn)維質(zhì)量,但是在無人機(jī)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(yùn)行,嚴(yán)重干擾巡檢飛行器的運(yùn)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(jī)進(jìn)行電力線路巡視作業(yè),往往無人機(jī)外殼及機(jī)翼上會覆上一層不均勻的冰,導(dǎo)致無人機(jī)失去平衡,運(yùn)行操控失準(zhǔn),不僅影響其正常工作,而且伴隨有無人機(jī)墜落的風(fēng)險。為確保無人機(jī)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(jī)外殼及機(jī)翼上,能實現(xiàn)無人機(jī)在濕冷天氣情況下的自由飛行,提高無人機(jī)的工作效率,確保無人機(jī)巡檢的安全。

1無人機(jī)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(yán)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(jì)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(jī)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(yùn)行:若電力無人機(jī)關(guān)鍵部位覆冰,會導(dǎo)致無人機(jī)升力下降,飛行阻力增大,機(jī)身操作失控,重心不穩(wěn),嚴(yán)重情況下還會出現(xiàn)墜機(jī)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(yùn)維管理具有積極意義。

基于覆冰問題的危害性,人們也加強(qiáng)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。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(jī)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150y、滾動角小于10y的涂層材料,其基于荷葉效應(yīng)進(jìn)行防覆冰應(yīng)對。

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(jī)理進(jìn)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(diǎn)介紹一種新型無人機(jī)表面防疏水涂層材料。

2涂層疏水特性及研究機(jī)理

在固一液一氣三相作用點(diǎn)處畫液一氣界面的切線,該切線與固一液界面在三相點(diǎn)處的切線之間的夾角就是接觸角(contactang1e),一般用符號8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(qiáng)弱。當(dāng)8<90y時,可認(rèn)為固體表面是親水性的,表明該液體(水)較易潤濕固體:當(dāng)8>90y時,可認(rèn)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,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(dá)到平衡時,接觸角與界面張力用楊氏公式表示:γ_SV=γ_SL＋γ_LV×cosθ。由此可見,接觸角8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(diǎn):當(dāng)θ=180^。時,完全不潤濕,此時可以認(rèn)為固體表面是完全干燥的,沒有任何一點(diǎn)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。

圖1  荷葉效應(yīng)直觀展示圖

圖2  荷葉效應(yīng)原理展示圖

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(jī)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(jī)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(yuǎn)性,而耐磨耐刮花特性意味著無人機(jī)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(hù)能力。

通過實驗室對特定已知高分子材料表面能進(jìn)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(jìn)行調(diào)整,增強(qiáng)涂層表面硬度。有機(jī)硅與有機(jī)氟是已知常用的具有低表面能的理想材料。通過實驗室測定,有機(jī)硅或有機(jī)氟所帶不同基團(tuán)時,表面能值的差異如下:-CH2->-CH3>-CF2->C-F2H>-CF3。對于-CF3基團(tuán)有機(jī)氟材料,通過對不同基團(tuán)含量的配比,可以將θ提高到115o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(jī)硅表面帶-CF3基團(tuán)氟材料體系,其實驗測定θ≥115o。疏水涂層的厚度需控制在20nm以內(nèi),以最大限度控制涂層重量,盡量減輕對無人機(jī)續(xù)航時間的影響。在涂層厚度達(dá)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(jī)機(jī)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(jī)表面進(jìn)行硬度增強(qiáng),能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)機(jī)體防覆冰。

3.2合理選擇疏水涂層制備工藝

根據(jù)無人機(jī)機(jī)殼表面材料的特點(diǎn)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(jìn)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)。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(jī)的實際外殼材質(zhì)評估選定。

圖3  疏水涂層兩種制備工藝流程圖

3.3疏水涂層防覆冰效果檢測

無人機(jī)防覆冰有著明確的檢測標(biāo)準(zhǔn),要求無人機(jī)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(jī)械除冰裝置,無人機(jī)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(jī)進(jìn)行電力線路巡視作業(yè),因受惡劣天氣的影響,無人機(jī)外殼及機(jī)翼上會覆上一層不均勻的冰,使得無人機(jī)逐漸失去平衡而無法飛行,為使無人機(jī)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(jī)外殼及機(jī)翼上,確保無人機(jī)高效、穩(wěn)定運(yùn)行,保證電力巡視效果。