Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1. Была разработана и собрана установка по изучению влияния на свойства супергидрофобных покрытий и покрытий с пропиткой высоких концентраций озона при насыщении и недосыщении атмосферы водяными парами. В используемой методике озон генерировался в кварцевых разрядниках и поступал в выходную трубу, сообщающуюся с ячейкой, в которой находились образцы. В зависимости от положения образцов в ячейке скорость потока над поверхностью образцов варьировалась от 0 до 10 м/сек. Также была собрана установка по изучению влияния ультрафиолетового излучения с длиной волны 365 нм на смачиваемость изучаемых образцов. 2. На базе собранных установок была исследована эволюция свойств супергидрофобных покрытий под действием ультрафиолетового излучения при выдержке, эквивалентной многолетней солнечной экспозиции. В установке, образцы подвергались непрерывному УФ-облучению с мощностью 10 Вт/см2, что позволило за 4 часа эксперимента создать облучение, эквивалентное 10 годам естественной солнечной радиации. Следует отметить, что непрерывное облучение с мощностью на четыре порядка выше естественной является более суровым испытанием, чем эксплуатация в естественных условиях, для которых характерны периоды без облучения, позволяющие покрытию самовосстановиться. Было обнаружено, что функциональные свойства супергидрофобных покрытий несколько ухудшаются под воздействием ультрафиолета, однако некоторые из покрытий деградировали существенно медленнее. В частности режим обработки поверхности “200/150” проявляет наибольшую стойкость. Данное покрытие не только сохраняет углы смачивания выше 168 градусов (падение угла смачивания не более 4 градусов от начального значения) после 75 минут облучения, что эквивалентно 3 годам естественного облучения, но и практически не деградирует при дальнейшем облучении. Таким образом, наши исследования показали, что морфология поверхности существенным образом влияет на стойкость слоя гидрофобного агента к ультрафиолетовому излучению. Была изучена эволюция свойств супергидрофобных покрытий, а также покрытий с пропиткой под действием высоких концентраций озона в потоке и без него. В экспериментах использовалась концентрация озона 50 мг/м3, в 500 раз превышающая ПДК. Как и в случае воздействия ультрафиолета, было обнаружено, что высокая концентрация озона приводит к деградации функциональных свойств супергидрофобных покрытий при длительной экспозиции образцов. При этом, ухудшение функциональных свойств в потоке озона с высокой скоростью оказывалось гораздо выше, чем при близкой к нулю скорости потока относительно поверхности, при той же концентрации озона. Однако, негативное влияние озона имеет и ряд отличий от воздействия интенсивного УФ-излучения. Было обнаружено, что режим текстурирования образца (т.е. его микро- и наноморфология) имеет гораздо меньшее влияние на характер деградации, а сама деградация параметров смачивания оказывается гораздо больше по величине, происходит монотонно и без явного выхода на плато по мере увеличения выдержки. Такое поведение объясняется одновременным действием нескольких механизмов, а именно, разрушением слоя гидрофобизатора, адсорбцией озона, и повреждением микро- и наноэлементов текстуры, что подтверждается методами сканирующей электронной микроскопии и ИК-спектроскопии. Для покрытий с пропиткой, эволюция смачивания водой по мере экспозиции в озоне имеет другой характер. Начальный этап зависимости контактного угла от времени озонирования характеризуется ростом, после чего зависимость выходит на плато. Анализ характеристик смачивания, а также данных ИК-спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии выявил, что эволюция функциональных свойств в случае покрытий с пропиткой определяется тремя факторами: уменьшением толщины пленки масла, удалением гидрофобизатора с обнажившихся элементов текстуры, а также механическим разрушением поверхности, облегченным эффектом Ребиндера. 3. Была изучена динамика адсорбции озона на супергидрофобных покрытиях и скользких покрытий с пропиткой. Было обнаружено, что адсорбция озона на супергидрофильном и супергидрофобном покрытиях существенно отличается: так, адсорбция на супергидрофильной поверхности плавно растет с увеличением времени выдержки. Наоборот, адсорбция на супергидрофобной поверхности имеет ярко выраженный пороговый эффект: заметное увеличение количества озона начинается только через 250 минут после начала экспозиции. В случае покрытий с пропиткой, было обнаружено, что в процессе озонирования в приповерхностном слое покрытия растет количество адсорбированной воды. 4. Было исследовано самовосстановление покрытий после прекращения воздействия озона. Для этого была исследована эволюция во времени характеристик смачивания на супергидрофобных покрытиях после различных времен экспозиции в атмосфере с высокой концентрацией озона. Было обнаружено, что самовосстановление образцов происходит на двух характерных масштабах времени: 30 минут и 60 дней. Анализ данных смачивания и ИК-спектров позволяет предположить, что указанные времена связаны с десорбцией/разложением озона и диффузией молекул гидрофобного агента, запасенного в порах, на поврежденные участки поверхности, соответственно. 5. На основе проведенных в рамках гранта испытаний был выявлен режим обработки поверхности с высокой устойчивостью к факторам, сопровождающим коронный разряд. Так, было показано, что режим “200/150” обладает наилучшей устойчивостью как к УФ-излучению, так и к высоким концентрациям озона. 6. Сверх запланированных исследований, был разработан протокол и изучена эволюция функциональных свойств супергидрофобных покрытий и покрытий с пропиткой в коронном разряде, соответствующем горению короны на проводе высоковольтной линии электропередач 220 кВ. Было обнаружено, что по мере непрерывной экспозиции в коронном разряде минимальное напряжение, необходимое для зажигания короны, постепенно растет. При этом деградации смачивающих свойств у супергидрофобных покрытий в течение 24 часов выдержки в коронном разряде практически не наблюдается. В случае покрытий с пропиткой наблюдается значительное увеличение как углов смачивания, так и углов скатывания в течение первого часа экспозиции, что свидетельствует об истощении материала пропитки. Подобные испытания водоотталкивающих покрытий на стойкость в коронном разряде с параметрами, близкими к реальным условиям эксплуатации, были проведены впервые. 7. Также сверх запланированных исследований, была изучена эволюция свойств супергидрофильных покрытий на алюминии, контактирующих с водой, под действием циклических вариаций температуры. В рамках данных исследований нами были изготовлены образцы супергидрофильных покрытий из алюминия, при этом использовался режим лазерного текстурирования “200/150”, показавший ранее наибольшую механическую и химическую стойкость. Образцы помещались в воду и подвергались термоциклированию, приводящему к кристаллизации/плавлению воды, т.е. имитировалась нагрузка при суточных колебаниях температуры с переходом через 0°C. Было обнаружено, что термоциклирование не повлияло на супергидрофильные свойства поверхности. Однако, более тщательное исследование показало, что в процессе циклирования и химический состав, и морфология претерпели существенные изменения. Так, в результате взаимодействия с водой, наноэлементы текстуры из прочно спаяных наночастиц оксида алюминия преобразовались в наслоенные пластинчатые структуры бемита. Таким образом, супергидрофильные покрытия продемонстрировали свою пониженную химическую стойкость. При этом полученная в результате химического превращения пластинчатая структура оказывается механически нестойкой. Таким образом, было показано, что представленные ранее в литературе данные о сохранении супергидрофильных свойств в результате взаимодействия с водой, хотя и точны с технической точки зрения, упускают важный фактор, препятствующий практическому применению таких покрытий.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На базе НТЦ ФСК ЕЭС при непосредственном участии руководителя гранта, в Новосибирске были проведены испытания макетных проводов на зажигание коронного разряда, потери на коронный разряд, а также устойчивость новых супергидрофобных, супергидрофильных покрытий и покрытий с пропиткой в коронном разряде при длительной экспозиции. Поскольку испытания проводились на проводах марки АС 240/32, напряжение, подаваемое на образцы, выбиралось из соображений соответствия напряжению электрического поля на проводе и, соответственно, интенсивности короны на промышленных ЛЭП 220 кВ, где используются такие провода. Исходя из условий подобия установки, для создания напряжения, соответствующего ЛЭП 220 кВ, на образец необходимо подавать Uиспыт=105 кВ. Было обнаружено, что на интенсивность коронного разряда в сухих условиях влияет только наличие макроскопических дефектов на поверхности провода, в то время как лазерная обработка придает только микро- и наношероховатость, что означает, что макроскопическое распределение напряженности электрического поля вокруг проводов со всеми типами покрытий получается одинаковым. В то же время, в условиях дождевания поведение образцов в коронном разряде существенно отличается друг от друга. Было обнаружено, что контрольный провод и провод с пропиткой (SLIPS) ведут себя одинаково плохо и демонстрируют зажигание общего коронного разряда уже при 95 кВ с быстрым ростом мощности потерь при повышении напряжения. При напряжении 105 кВ (соответствующему рабочему напряжению ЛЭП 220 кВ) потери мощности на контрольном и SLIPS-проводах достигают 2 Вт/м, что свидетельствует о том, что в промышленных условиях такие провода требуют снижения напряжения при работе в дождь или допущения значительных потерь энергии при транспортировке. Напротив, как на супергидрофобных, так и на супергидрофильных проводах не наблюдается роста мощности потерь в диапазоне рабочих напряжений. Данные показывают, что заметные потери на коронный разряд для супергидрофильного покрытия возникают только при 115 кВ, в то время как для супергидрофобного покрытия зажигание коронного разряда отсутствует во всем диапазоне испытанных напряжений. Анализ полученных данных показал, что принципиальную разницу в поведении проводов с различными покрытиями с экстремальным смачиванием в условиях дождя можно объяснить различиями в поведении капель воды на поверхности провода. Для контрольного и SLIPS проводов, капли покрывают всю поверхность провода. Хотя для провода SLIPS характерен малый угол соскальзывания, капли удаляются с поверхности достаточно медленно, поэтому в условиях сильного дождя на поверхности всегда присутствовал большой ансамбль капель. Капли дождя также присутствуют на супергидрофильных проводах, но из-за близкого к нулю краевого угла кривизна капель значительно меньше. В результате зажигание короны происходит только при напряжениях больше штатных. Подобно супергидрофильному образцу, свежее супергидрофобное покрытие демонстрирует небольшое количество капель воды на поверхности, что сильно подавляет коронный разряд. Несмотря на случайные очаги коронного разряда на каплях при скатывании с провода, изначально потери мощности на супергидрофобном покрытии в сухих условиях и условиях дождевания находятся в пределах разброса экспериментальных данных. Анализ полученных данных показал, что и супергидрофобные, и супергидрофильные покрытия позволяют эффективно снизить токи коронного разряда до 2-4 раз. Применимость того или иного вида покрытия зависит от конкретных условий эксплуатации рассматриваемых проводов: в условиях высокой влажности и при отсутствии рисков обледенения (для тропических и субтропических регионов) предпочтительными являются супергидрофильные провода, в то время как для арктических и умеренных широт наиболее перспективными являются супергидрофильные покрытия с антиобледенительными свойствами (на основе “полимерных щеток”) и супергидрофобные покрытия. Работы второго года выявили приоритетные направления будущих исследований: изучение самовосстановления супергидрофобных покрытий после экспозиции в коронном разряде, создание более стойких к коронному разряду гидрофобных агентов, проведение исследований стойкости к коронному разряду супергидрофильных покрытий с антиобледенительными свойствами. https://naked-science.ru/article/column/eksperimenty-ifhe-ran-otkryli-novye Исследование прочностных характеристик проводов с предлагаемыми покрытиями показало, что вопреки опасениям, эффект Ребиндера не оказывает значительного влияния на прочностные характеристики проводов с разработанными покрытиями. А именно, не наблюдается понижения прочности, обусловленного адсорбцией и упрощением развития трещин, не только на супергидрофобных покрытиях, но и на покрытиях с пропиткой. Более того, для всех лазерно-текстурированных образцов наблюдается увеличение предела текучести при малых нагрузках.