西华大学：一步喷涂法制备一体式隔热超疏水光热涂层！用于抑制风力涡轮机叶片结冰和热老化！

2025-09-08 11:56:27 作者：本网整理来源：网络分享至：

作为一种重要的可再生能源，风力发电具有零碳排放、生态影响小和潜在储量巨大的优点。由于高风速、低湍流和土地可用性的影响，风力发电厂通常建在高海拔地区，那里风能资源丰富，但也往往伴随着低温高湿的气候特征，为叶片表面结冰创造了有利条件。大数据显示，结冰会以多种方式对风力涡轮机造成损坏，比如增加叶片的机械载荷、加速齿轮磨损以及提高风力测量系统故障的可能性。常见的解决方案包括但不限于机械振动除冰、电热防/除冰和蒸汽热防/除冰。这些方法通常需要大量的额外能量输入，并显著增加了风力涡轮机的制造成本。为了解决现有防冰技术的局限性，研究人员开发了各种防冰策略。其中，光热超疏水涂层无疑是当前的研究热点。然而，这些研究往往忽视了光热涂层在夏季会加速基材老化这一事实。

超疏水材料的低表面能特性和粗糙的表面结构，极大地减少了液滴与表面的接触面积，这有效地减少了冰晶的成核位置，并提高了液滴冻结的成核能垒，因此它们常被用作延迟结冰材料。引入光热特性使得涂层的表面温度在光照后迅速升高，这不仅有效地保持了疏水性能的稳定，还能加速冻结冰层的融化。基于这些特性，许多性能优异的光热超疏水涂层已被开发出来。然而，这些涂层在夏季高温下可能会导致设备加速老化的问题。因此，研究人员设计了多孔材料、干凝胶、相变微胶囊和其他低热导率或高潜热结构，或额外设置隔热垫/泡沫层来阻隔热量流向基质，从而防止热量传递到下面的设备；添加隔热层还能进一步抑制水滴在传热基底的冻结过程，从而抑制结冰。然而，多层结构的设计往往存在层间结合强度不足以及因厚度增加导致设备负载增大的问题；由于机械强度不足和难以粘附在形状复杂的设备表面，泡沫材料在实际应用中也受到限制。

近期，西华大学王剑/黄敏团队采用一步喷涂法，成功制备了一种具有隔热性能的光热超疏水防/除冰涂层，解决现有防/除冰材料在夏季高温下加速设备老化的问题。

通过在中空玻璃微球（HGMs）上进行化学镀镍，然后与聚二甲基硅氧烷（PDMS）结合，通过喷涂法制得HGMs@Ni/PDMS涂层（简称为 HNP）。

所制备的HNP涂层具有优异的光热性能，在1000W·m⁻²的光照强度下，涂层表面温度可以在100秒内从20°C升高到66°C，除冰时间缩短了约220秒。HNP涂层还具有出色的隔热性能，减缓了涡轮叶片的热老化，同时有效抑制了液滴冻结过程中潜热的释放，使涂层在-10°C下的冻结时间接近40分钟。HNP涂层不存在层间粘结问题，表现出优异的机械性能。即使在反复磨损、水流冲击以及胶带剥离后，涂层仍然保持良好的防/除冰性能。此外，HNP涂层操作简单，原料成本低廉，适合于大面积制备。因此，本研究在风力发电领域中具有广阔的应用前景。

制备工艺

HNP的制备工艺。

实验现象

(a)EP、HP以及不同厚度的HNP的CA和SA；(b)HNP-3的银镜现象；(c)HNP-3表面不同液滴的光学图像；(d)HNP-3表面水流的反射图像；(e)HNP-3表面水滴粘附动力学测量图像；(f)-10°C下不同厚度HNP的结冰时间和在-10°C + 1000W·m⁻²光照强度下的除冰时间；(g)大面积喷涂HNP涂层的光学图像；(h)大面积喷涂的HNP涂层的疏水性能展示。

不同表面冻结水滴的光学照片

不同表面冻结水滴的光学照片。

冰滴融化照片

EP、HP和HNP-3表面50μL冰滴在-10℃、1000W·m⁻²光照强度下融化的照片。

实验数据

(a)砂纸磨损试验示意图；(b)HNP-3砂纸磨损前后的CA和SA；(c)HNP-3 砂纸磨损前后的防/除冰时间；(d)水冲击示意图；(e)HNP-3水冲击前后的 CA 和 SA；(f)HNP-3 水冲击前后的防/除冰时间；(g)胶带剥离示意图；(h)HNP-3 胶带剥离前后的 CA 和 SA；(i)HNP-3胶带剥离前后的防/除冰时间；(j)HNP-3自清洁过程的光学图像。

数据来源与出处

相关研究成果以“One-piece insulating superhydrophobic photothermal coating for suppression of icing and thermal aging of wind turbine blades”为标题发表在《Progress in Organic Coatings》上。

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