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纳米超材料薄膜在电气柜防凝结中的应用研究.pdf
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1、造纸装备及材料 第 53 卷 总第 226 期 2024 年 1 月 材料及应用69纳米超材料薄膜在电气柜防凝结中的应用研究*王 力1,杨仲超2,吴海斌1,殷小雁31.国网江苏省电力有限公司常州供电分公司,江苏 常州 2130002.常州常供电力设计院有限公司,江苏 常州 2130003.鼎业电力(常州)有限公司,江苏 常州 213000摘要:变电设备由于长时间暴露在室外复杂环境中,其表面易发生水汽凝结,严重影响设备的使用寿命和可靠性。此次研究设计出一种新型超材料功能涂料。该超材料薄膜通过精确控制二氧化硅、银纳米颗粒的尺寸与组分比例,实现了宽波段的光谱选择性,兼具对太阳短波的高反射和对大气长波
2、的高发射。涂料喷涂在电气柜表面,可在复杂室外环境下实现 5 10 的主动降温效果,有效防止水汽凝结,为超材料薄膜在电力系统关键设备防凝领域的应用提供了参考。关键词:纳米超材料;电气柜;防凝结;光热效应分类号:TB383;TM64近年来,随着纳米技术和新材料技术的快速发展,各类纳米超材料应用于建筑节能、光伏发电等领域取得长足进展。这为该类材料应用于变电站设备节能降温提供了新思路。此次研究基于一种高分子主体的纳米超材料设计并制备出新型功能涂料,并首次实现了其在变电站端子箱、汇控柜等设备表面的防凝结降温应用。测试结果显示,该超材料涂料具有太阳直射下7.5 10 的明显降温效果,同时具有自清洁、抗污染
3、功能,替代传统的机械空调降温技术,实现了高效、绿色、经济的防凝结降温,对提高变电设备可靠性具有重要意义。1 纳米超材料薄膜的制备与性能1.1 超材料薄膜的结构设计原理超材料薄膜的结构设计原理立足实现宽波段的光谱选择性,使其兼具对太阳短波辐射的高反射和对大气窗口长波辐射的高发射。为实现这一目标,设计采用两类不同尺寸的纳米填充剂构建复合结构。二氧化硅纳米颗粒的直径精确控制在 10 100 nm的量级,这一纳米级的尺寸能够产生量子尺寸效应,从而在薄膜表面促使入射短波光子发生散射1。依据麦克斯韦方程组计算,当二氧化硅颗粒尺寸接近入射短波光子的波长时,局域表面等离子体振荡导致入射光的偏折与散射,实现了对
4、太阳直射短波辐射的高反射。银纳米颗粒的直径控制在 10 50 nm,这一尺寸既保证了银颗粒个体在中红外波段 8 13 m 的较强吸收,也有效抑制了过度聚集时近红外反射率的增加。银纳米颗粒与二氧化硅纳米颗粒的质量配比经优化设计为 1 9,既发挥了银纳米颗粒的光热功能,也保证了二氧化硅基体的机械强度。此外,设计者还采用梯度层状结构,上层含量较多的二氧化硅纳米颗粒,下层含量较多的银纳米颗粒。这种梯度设计优化了纳米填充剂的分布与作用,使复合超材料薄膜兼具宽波段的光谱选择性与良好的稳定性。1.2 超材料薄膜的制备方法超材料薄膜的制备过程遵循“溶胶-凝胶”转化的技术路线,通过溶解、混合、聚合等多个环节最终
5、形成二氧化硅、银纳米复合薄膜2。工艺首先采用无机盐溶液溶解纳米粉体,经超声波分散获得均匀稳定的纳米粒子溶胶。为实现复合结构,精确配置不同体积分数的二氧化硅溶胶和银溶胶,然后利用机械搅拌与超声共振充分混合两种溶胶。混合均匀的复合溶胶体系在铬盐催化剂作用下发生聚合反应,逐步形成凝胶。为调控层状梯度结构,可控制聚合过程中上下层溶胶体积分数的变化,将凝胶涂布于基材表面后,在严格控制的恒温恒湿环境下进行干燥,最终获得规整均匀的纳米复合超材料薄膜。文章编号:2096-3092(2024)01-0069-03*基金项目:国网江苏省电力有限公司常州供电分公司科技项目“基于一种纳米新材料应用在电气柜主动降温防凝
6、露的技术研究”作者简介:王力,男,硕士,副高级工程师,研究方向为变电工程。材料及应用 2024 年 第 1 期 总第 226 期 造纸装备及材料701.3 超材料薄膜的界面控制多方位界面控制可以显著提升和延长涂层的稳定性与使用寿命,此次研究从填充剂界面、基质界面、基材界面等不同方面进行优化设计。(1)填充剂界面控制通过调控二氧化硅填充剂粒径在 20 60 nm、银填充剂粒径在 5 30 nm,并采用机械搅拌与超声处理,优化填充剂之间大小分布与间隙,增强填充剂间相互作用力,降低界面间隙,改善界面结合力,界面结合能可达 1.2 J/m2。(2)基质界面方面,选择二元共聚物做基质,其分子链段可与二氧
7、化硅、银填充剂形成强烈的物理吸附作用,基质与填充剂的界面结合能可达 2.1 J/m2。(3)基材界面方面,在涂层与金属基材间加入厚度 20 nm 的钛酸钡层,钛酸钡与金属氧化物可形成化学键结合,将涂层牢固锚定到基材,提高涂层与基材之间的结合强度至 100 MPa,设计多层次梯度结构,控制不同功能层间元素渗透,增强涂层的机械稳定性。(4)在涂层表面自组装烷基糖分子,改善涂层表面亲水性,降低涂层表面自由能至 26 mJ/m2。1.4 超材料薄膜的光热性能测试为全面测试超材料薄膜的光热性能指标,采用多种仪器对其在不同波段的反射率、透过率与发射率进行测试。(1)选用紫外-可见-近红外光谱仪测试样品在3
8、00 2 500 nm 波段的漫反射谱,并计算该范围内的平均可见光反射率以及近红外反射率,评价样品对短波太阳辐射的反射效果3。(2)采用傅里叶变换红外光谱仪检测 2.525 m中长波红外范围内的发射光谱,重点分析大气窗口波段 8 13 m 的平均发射率,评价样品对大气窗口辐射的发射能力。(3)选用紫外-可见-近红外分光光度计测量0.3 2.5 m 波段的透过率,采用热释电红外辐射测温仪测试 2.5 20 m 波段的辐射率,全面评估样品的透过性能。(4)使用中波红外反射率测试仪配合金积分球检测 2.5 25 m 的反射率曲线,评价中间波段的反射效果。通过对超材料薄膜的全波段光热性能测试,获得其不
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