超疏水材料及其在电力系统中的应用

近年来，超疏水材料因其优异的疏水性和自清洁性成为外绝缘防护研究的一个热点，但耐磨性差是制约其大规模工业化应用的主要挑战。本书面向电力系统对防覆冰、自清洁、透光性等功能的需求，针对涂层材料耐磨性差、各性能之间难以有效协调的技术难题，从材料优化和结构调控两方面着手，显著提升了涂层的耐磨性，实现了超疏水/电热、超疏水/透明等多性能的协同优化，推动了超疏水材料在电力系统中的应用研究。本书具有以下两大特色： （1）脉络清晰，内容全面 本书先从超疏水材料的基础知识及其制备开始，逐步引入超疏水材料的各种应用，脉络清晰，内容较全面。 （2）技术先进，实用性强 本书介绍的超疏水材料属于微纳米新材料领域，属于前沿技术，并介绍了其在电力系统中的应用，实用性很强。

近年来， 随着我国坚强智能电网建设的加速推进、新能源发电比例的持续上升， 对电力系统外绝缘防护提出了更高的要求。国家电力发展“十三五” 规划明确指出“坚守安全底线， 构建规模合理、分层分区、安全可靠的电力系统，提高电力抗灾和应急保障能力”。尽管我国电力系统外绝缘防护的研究和应用已经取得了长足的进步， 但在其性能的改善和应用的扩宽方面还存在许多亟需解决的问题， 如恶劣的寒潮天气每年会给我国南方多个省市的电力系统带来不同程度的覆冰事故； 面对远距离、特高压输电线路建设带来的多地形差异和复杂环境问题， 线路的污闪、腐蚀、风沙侵蚀等日益严重； 大气污染的加剧要求太阳能电池板具有自清洁能力等。超疏水材料具有优异的疏水性和自清洁性， 已成为外绝缘防护研究的一个热点， 但耐磨性差是制约其大规模工业化应用的主要因素。
笔者根据多年来从事功能纳米材料科研的成果撰写此书， 期望为从事相关研究工作的读者提供参考。本书共分5章， 系统地介绍了超疏水材料在电力系统中的应用现状。第1章介绍了超疏水材料的制备、应用以及工程应用中存在的瓶颈。第2章研究了超疏水自清洁材料在电力系统中的应用。第3章探讨了超疏水防冰涂层在电力系统中的应用， 重点介绍了超疏水/电热/光热协同作用防覆冰的相关内容。第4章研究了应用超疏水防腐蚀材料在电力系统中的应用， 尤其介绍了应用石墨烯超疏水涂层长效提升防腐蚀性能的内容。第5章探讨了超疏水储能材料在电力系统中的最新应用。
特别提及的是， 本书由华北电力大学王鹏撰写， 在初稿形成之时， 得到了华北电力大学范孝良教授和谢庆教授的指导， 他们提出了许多宝贵的修改建议， 在此表示衷心的感谢！ 研究生陈涛、张雪松、赵辉、杨梦宇、韩磊、孙斌、淮继茹、陈启功等在文献查找、语法检查、格式调整上做了大量的工作， 在此致以诚挚的谢意！ 同时， 感谢国家自然科学基金项目（51977079、51607067）、中国电机工程学会青年人才托举工程（CSEE-YESS-2017002）、河北省自然科学基金（E2015502023） 给予的大力支持。
由于笔者时间和水平有限， 书中难免有不当之处， 敬请读者批评指正！

著 者

王鹏，华北电力大学，副教授，王鹏，男，华北电力大学副教授。攻读博士学位期间以及工作后一直从事功能化微纳米材料的构筑、机理分析及其性能评价方面的研究，尤其是对微纳米结构的构筑和氟化改性进行了大量的研究工作，积累了丰富的研究经验。入职华电以后，依托于河北省输变电设备安全防御实验室，开展电力装备防护与绝缘失效机制的研究工作。近年来，以将超疏水材料应用于电力系统外绝缘为切入点，实验与理论相结合，取得了一系列创新性成果。近5年，以一作在SCI收录期刊上发表论文15篇(在top期刊发表论文7篇，包括Composites Science and Technology、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal等)。作为项目负责人，主持国家自然科学基金面上项目《二维氧化镁微纳结构的可控制备及其超疏水绝缘子防治绿藻附生的研究》(51977079)，国家自然青年科学基金《石墨烯半导体超疏水涂层的构筑及其绝缘子防覆冰性能研究》(51607067，获评基金委电工学科结题项目)，河北省自然科学青年基金项目等多项基金。2017年，先后入选中国电机工程学会青年人才托举工程和河北省“三三三”人才工程。

本书面向电力系统防覆冰、自清洁、透光性等功能的需求，针对涂层材料耐磨性差、各性能之间难以有效协调的技术难题，从材料优化和结构调控两方面进行研究，显著提升了涂层的耐磨性，实现了超疏水/电热、超疏水/透明等多性能的协同优化，推动了超疏水材料在电力系统中的应用研究。本书是作者根据多年从事功能纳米材料科研的成果撰写的，论述了超疏水自清洁材料在电力系统中的应用、超疏水防冰涂层在电力系统中的应用、超疏水防腐蚀材料在电力系统中的应用、超疏水储能材料在电力系统中的最新应用等。
本书可供高等院校电气、材料、机械等相关专业师生使用，为其从事相关教学和科学研究提供有益的参考，也可供电力系统等领域的工程技术人员阅读。

第1章 超疏水材料的制备及应用概述001
1.1　超疏水材料的起源　001
1.2　表面润湿性理论　002
1.2.1　接触角和滚动角 002
1.2.2　基本润湿性理论模型 002
1.3　超疏水制备方法　005
1.3.1　仿生学建构超疏水表面 005
1.3.2　刻蚀光刻法 006
1.3.3　溶胶-凝胶法 008
1.3.4　化学气相沉积法 008
1.3.5　喷涂法 009
1.3.6　其他方法 011
1.4　超疏水材料在电力系统的应用前景　011
1.4.1　自清洁 011
1.4.2　除冰 012
1.4.3　防腐蚀 013
1.4.4　储能 014
1.5　自修复超疏水材料研究进展　014
1.5.1　迁移补给低表面能物质的自修复超疏水体系 015
1.5.2　人工干预诱导自修复 016
1.5.3　外界环境自发诱导自修复 018
1.5.4　重构粗糙结构的自修复超疏水体系 020
1.6　本书的意义及主要内容　022
1.6.1　本书的意义 022
1.6.2　主要内容 022
参考文献　025

第2章 超疏水自清洁材料在电力系统中的应用030
2.1　用于太阳能电池板自清洁的透明超疏水涂层　030
2.1.1　概述 030
2.1.2　实验部分 031
2.1.3　结果与讨论 032
2.1.4　本节小结 038
2.2　应用于绝缘子防污闪的耐磨超疏水材料　038
2.2.1　研究背景 038
2.2.2　技术方案 039
2.2.3　超疏水表面的构筑 041
2.2.4　超疏水表面的表征 044
2.2.5　创新特色 049
2.2.6　应用及其前景 050
参考文献　050

第3章 超疏水防冰涂层在电力系统中的应用054
3.1　基于石墨烯的超疏水电热协同作用防冰策略　054
3.1.1　概述 054
3.1.2　实验步骤 055
3.1.3　结果与讨论 056
3.1.4　本节小结 062
3.2　具有自修复性的超疏水电热光热协同防冰策略　062
3.2.1　概述 062
3.2.2　材料与实验方法 063
3.2.3　结果与讨论 065
3.2.4　本节小结 073
3.3　采用被动防冰策略的极低覆冰黏附力超疏水网的制备　074
3.3.1　概述 074
3.3.2　实验与材料 075
3.3.3　结果与讨论 076
3.3.4　本节小结 083
3.4　主被动防冰策略下光热超疏水协同作用低覆冰黏附力网　083
3.4.1　概述 083
3.4.2　实验与材料 085
3.4.3　结果与讨论 086
3.4.4　本节小结 092
3.5　基于蜡烛灰的光热除冰自修复超疏水涂层　092
3.5.1　概述 092
3.5.2　材料与实验方法 093
3.5.3　结果与讨论 094
3.5.4　本节小结 099
参考文献　100

第4章 超疏水防腐蚀材料在电力系统中的应用105
4.1　基于自制石墨烯构筑超疏水防腐蚀涂层　105
4.1.1　概述 105
4.1.2　实验步骤 106
4.1.3　结果与讨论 107
4.1.4　本节小结 110
4.2　超耐磨石墨烯超疏水材料的制备　110
4.2.1　概述 110
4.2.2　实验方法 112
4.2.3　结果与讨论 113
4.2.4　本节小结 126
4.3　超疏水防腐蚀钢表面的制备　127
4.3.1　概述 127
4.3.2　实验方法 128
4.3.3　结果与讨论 129
4.3.4　本节小结 134
4.4　多重氟化硅橡胶碳纳米管超疏水涂层的制备　134
4.4.1　概述 134
4.4.2　实验原料 135
4.4.3　实验过程 135
4.4.4　结果与讨论 136
4.5　自修复超疏水防腐蚀涂层的制备　152
4.5.1　概述 152
4.5.2　材料与实验方法 153
4.5.3　测试及表征 154
4.5.4　结果与讨论 155
4.5.5　本节小结 161
参考文献　161

第5章 超疏水储能材料在电力系统中的应用166
5.1　超疏水柔性超级电容器的制备与研究　166
5.1.1　概述 166
5.1.2　自修复、超疏水柔性超级电容器的制备与测量方法 167
5.1.3　结果与讨论 169
5.1.4　本节小结 176
5.2　镍钴碳协同作用下的柔性超级电容器　177
5.2.1　概述 177
5.2.2　柔性超级电容器的制备方案与测试方法 177
5.2.3　结果与讨论 179
5.2.4　本节小结 187
参考文献　187