Ученые подведомственного Минобрнауки России Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН экспериментально показали, что специальная процедура создания механически и химически стойких покрытий с иерархической шероховатостью позволяет сохранять функциональные свойства супергидрофобных и скользких покрытий с пропиткой даже в условиях длительной выдержки в высокоинтенсивном коронном разряде, сопровождающемся повышенной концентрацией озона, интенсивным ультрафиолетовым излучением и бомбардировкой поверхности ускоренными ионами. Полученные результаты — существенный шаг в решении задачи создания новых материалов для повышения отказоустойчивости и энергоэффективности электроэнергетики.
Результаты опубликованы в журнале Energy Reports. В экспериментальной установке воспроизводились условия, типичные для высоковольтной линии электропередачи. Модельные высоковольтные провода с двумя типами водоотталкивающих покрытий — супергидрофобных и со скользким покрытием с пропиткой — в течение длительного времени (до 24 часов) при переменном напряжении 285-320 кВ подвергались воздействию коронного разряда.
«Согласно полученным результатам, при напряжении до 320 кВ оба типа покрытий сохраняют водоотталкивающие свойства, которые являются предпосылками их противообледенительных свойств. Супергидрофобные образцы продемонстрировали лучшую стабильность, чем скользкие покрытия с пропиткой, — рассказал старший научный сотрудник лаборатории поверхностных сил ИФХЭ РАН, кандидат физико-математических наук Кирилл Емельяненко. — Эксперимент показал, что деградация скользких покрытий с пропиткой в основном связана с истощением пропитывающего материала, вызванного коронным разрядом. Супергидрофобные образцы продемонстрировали способность к самовосстановлению».
Намерзание льда и снега на элементах высоковольтных линий приводит к обрыву проводов и повреждению опор распределительных сетей, что представляет опасность для людей и наземных сооружений. Помимо многомиллиардных потерь, коронный разряд вызывает электромагнитное и звуковое загрязнение, помехи радиосвязи и озонообразование, которое отрицательно воздействует на живые организмы. Уменьшение негативных последствий коронного разряда — важная экономическая и экологическая задача.
Поскольку стоимость тестирования линий электропередач в реальных условиях очень высока, комплексные исследования долговечности водоотталкивающих покрытий для электроэнергетики до настоящего времени практически отсутствовали.
«Полная площадь поверхности провода в линии электропередач большая. Из-за этого водоотталкивающее покрытие становится восприимчивым к эрозии и коррозии, особенно при высокой концентрации озона, характерной для коронного разряда, – объяснил Кирилл Емельяненко. – Сопровождающие коронный разряд ионы и электроны высокой энергии и ультрафиолетовое излучение угрожают целостности покровного слоя и приводят к частичному удалению пропитки. Таким образом, обе главные характеристики супергидрофобных покрытий и скользких покрытий с пропиткой — морфология и поверхностный слой — при воздействии коронного разряда становятся уязвимыми».
Полифункциональные покрытия с водоотталкивающими свойствами в последние два десятилетия вызывают большой интерес у промышленности и ученых. Наиболее перспективными считаются два вида — супергидрофобные покрытия и скользкие покрытия с пропиткой. Для создания таких покрытий проводится изменение морфологии поверхности и химических свойств поверхностного слоя. При этом удается контролируемым образом изменять многие, казалось бы, не связанные между собой характеристики материала.
Вместе с водоотталкивающими свойствами достигаются другие функциональные возможности, такие, как антиобледенение, коррозионная стойкость, низкое трение, механическая стойкость, снижение токов утечки. Сочетание различных функциональных свойств открывает широкие возможности для промышленного применения таких покрытий для проводов, изоляторов и опор высокого напряжения.
«Полученные результаты расширяют понимание того, как коронный разряд воздействует на функциональные материалы, и укрепляют оптимистичный взгляд на применимость супергидрофобных покрытий и скользких покрытий с пропиткой для задач передачи электроэнергии», — подытожил Кирилл Емельяненко. Работа профинансирована РНФ.