抗冰复合材料风电叶片超疏水/超滑表面可控制备与性能研究

Wind turbines installed in cold climates are often disabled to produce electricity due to icing on the composite blades. Ice accretion even sometimes causes destruction of the wind turbines. Icing issues harass the wind energy fields around the world. Superhydrophobic surface proposes a new strategy to mitigate the icing problems, while still cannot provide a perfect approach for the icing issues. A novel superhydrophobic and super-slippery surface is proposed to fabricate on the composite wind turbine blade in a controllable way. The relationship among the surfac microstructure, modification materials, superhydrophobicity, and super-slippery will be investigated in order to obtain the best conditions for fabricating superhydrophobic and super-slippery surface on composite wind turbine blade. The anti-icing property and mechanism of superhydrophobic and super-slippery surface will be investigated profoundly.The aim of this project is to provide scientific and practical evidence for designing the composite wind turbine blade with excellent anti-icing property at low temperature and eliminate the potential damage caused by icing.

复合材料风电叶片遭受冰冻不仅使风电设备在冬季无法正常运行而损失大量电力，严重时还导致风电设备损坏，冰冻困扰是风力发电领域的世界性难题。超疏水表面提供了一种缓解冰冻问题的有效途径，但研究表明超疏水表面在解决冰冻问题方面仍然有许多需要完善的地方。本项目提出了在复合材料风电叶片超疏水表面赋予超滑特性的新途径，有望比超疏水表面获得更有效的抗冰效果。本项目拟研究在风电叶片复合材料上制备超疏水/超滑表面的方法，研究表面微结构特征、表面修饰材料与超疏水性及超滑性之间的关系并揭示其内在科学规律，探索在风电叶片复合材料上制备超疏水/超滑表面所需的最佳条件；深入研究所制备的超疏水/超滑表面在低温冰冻和雨雪天气条件下的抗冰性能，揭示复合材料风电叶片超疏水超滑表面的抗冰机理，为设计和制备新型的具有高效抗冰性能的复合材料风电叶片提供理论指导和实践依据。

为使复合材料风电叶片在低温雨雪及冰冻环境下正常使用，提高复合材料风电叶片在冰冻环境下的运行可靠性，研究复合材料风电叶片表面的抑冰性具有极其重要的意义。本课题通过在复合材料叶片（模型）基底上制备超疏水、超疏水/超滑表面，系统研究了复合材料超疏水、超疏水/超滑表面在低温环境下的抑冰性能，主要研究内容、结果、关键数据及其科学意义如下：. 1.发展了一种在铜片上制备仿植物叶表面微结构超疏水表面的新方法，将所获得的仿植物叶表面微结构结构铜片为模板，在复合材料风电叶片（模型）基底上获得了与植物叶表面结构类似的超疏水表面，研究了所获得表面的抑冰性。. 2.首次研究了长萼鸡眼草、再力花叶表面的抑冰性，并将长萼鸡眼草、再力花叶表面微结构复制到复合材料风电叶片上获得了超疏水表面且研究了其抑冰性，发现该类微结构的超疏水表面具有较好的抑冰性，且表面微结构特征对抑冰性有较大的影响。. 3.通过在超疏水复合材料叶片表面喷涂低表面能润滑液体，获得了具有超滑性质的超疏水/超滑表面，水、冰等材料在该表面比单纯超疏水材料或普通光滑材料表面更易于滑落。. 4.将微（纳）米粒子（纳米氧化铈、纳米碳酸钙等）与氟硅丙改性聚氨酯树脂、PDMS、PVDF等混合，发展了多种超疏水涂料配方体系，将超疏水涂料喷、流延在复合材料叶片以及玻璃、陶瓷等基底上，均获得了超疏水表面，研究了纳米粒子对超疏水表面润湿性的影响。. 5.通过沉积蜡烛灰在复合材料叶片表面获得了超疏水/超滑表面，冰块、冻雨等在材料表面难以稳定停留，会从材料表面迅速滑落，体现了良好的抑冰疏冰性能。. 6.通过对系列研究结果进行总结，发现在纳米级粗糙结构超疏水表面上喷涂润滑液更易于提高复合材料表面的抑冰性，本课题的研究成果对于在复合材料风电叶片上开发抑冰涂层具有重要参考价值。.