具有防冰闪、污闪涂层的绝缘子及其制备方法与流程

本发明涉及一种具有防冰闪、污闪涂层的绝缘子及其制备方法，属于电网防灾减灾技术领域。

背景技术：

供电中，冰闪、污闪严重降低供电质量。目前，最有效的降低污闪、冰闪的方法为在绝缘子表面设置涂层，即将憎水性和憎冰性的涂料涂覆在绝缘子表面，通过减少污、水等与绝缘子的附着力来防止污物附着和结冰，与其他方法相比，该方法在工程上简单易行，成本较低。但现有的防冰涂层并不能从根本上防止冰、污的形成，而只有在足够的太阳照射和足够的温度下才能生效，在气温低，辐射较弱的情况下，水雾会不断的在绝缘子上附着、结冰、加厚，防冰防污效果较差。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种具有防冰闪、污闪涂层的绝缘子及其制备方法，该绝缘子即使在气温较低、太阳照射较弱的情况下，也能够有效防止冰闪、污闪。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

具有防冰闪、污闪涂层的绝缘子，包括绝缘子，所述的绝缘子侧壁表面由内而外依次设置有底层、中间致密绝缘层和表面疏水减反射层；所述的底层是由内侧的基底增强层和外侧的光谱转换层构成的双层复合结构，光谱转换层内设置有下转换填料。

所述的下转换填料在光谱转换层中呈非均匀分布，由外到内含量逐渐升高；所述的下转换填料为含有稀土元素的纳米下转换粉体。

所述的底层是由多个呈上、下间隔状均布在绝缘子侧壁表面上的环形带构成，中间致密绝缘层填充两两环形带形成的间隙内；所述的绝缘子侧壁表面和基底增强层之间设置有反光隔热层。

所述的表面疏水减反射层由氧化硅或氮化硅材料制成，折射率为1.3-1.6；所述的中间致密绝缘层由致密氧化硅、致密氮化硅或致密氮氧化硅材料制成，折射率为1.7-2.0；所述的光谱转换层的折射率为2.0-2.4；所述的基底增强层由氧化硅材料制成。

所述的绝缘子的一侧设置有反光体，该反光体所在侧作为背光侧，反光体为具有镜面反射表面的、且和绝缘子中心轴相平行的若干反光柱或条状反光板，两两反光柱或条状反光板之间具有容许冰雪透过从而防止其堆积的间隙；所述的反光体可通过连接柱与绝缘子连接。

一种具有防冰闪、污闪涂层的绝缘子的制备方法，包括以下步骤：

(1)沉积底层

采用溶液法沉积底层：首先配制基底增强层成膜溶液，涂覆在绝缘子侧壁表面上，烧结处理，形成基底增强层；再配制光谱转换层成膜溶液，涂覆在基底增强层上，烧结处理，形成光谱转换层，同时得到完整的底层；

(2)沉积中间致密绝缘层

采用干氧氧化法沉积中间致密绝缘层；

(3)沉积表面疏水减反射层

采用溶液法沉积表面疏水减反射层：首先配制表面疏水减反射层成膜溶液，然后将表面疏水减反射层成膜溶液涂覆在中间致密绝缘层上，再烧结，形成表面疏水减反射层。

还包括在沉积基底增强层之前，对绝缘子侧壁表面进行预处理，具体方法为：首先，采用喷砂处理绝缘子侧壁表面，再用900-1100℃的火焰清洗绝缘子侧壁表面，火焰的蓝色部分靠近或接触绝缘子侧壁表面，最后用纯净水清洗绝缘子侧壁表面。

还包括在对绝缘子侧壁表面进行预处理后，沉积基底增强层之前，在绝缘子侧壁表面上沉积反光隔热层。

所述的溶液法沉积底层的具体方法为：首先配制基底增强层成膜溶液，涂覆在绝缘子侧壁表面上，然后干燥形成稳定的基底增强层；再配制光谱转换层成膜溶液，加入下转换填料，搅拌均匀，涂覆在基底增强层上，让下转换填料自然沉降20-50min，沉降结束后，立即进行烧结处理，形成含有下转换填料的光谱转换层，同时得到完整的底层。

所述的干氧氧化法沉积中间致密绝缘层的具体方法为：首先在沉积底层的绝缘子上溅射一层非晶硅，再加热氧化，形成中间致密绝缘层。

还包括在形成表面疏水减反射层后，在绝缘子上加装连接柱，连接柱上连接有反光体，该反光体所在侧作为背光侧，反光体为具有镜面反射表面的、且和绝缘子中心轴相平行的若干反光柱或条状反光板，两两反光柱或条状反光板之间具有容许冰雪透过从而防止其堆积的间隙。

本发明绝缘子结构新颖独特，简单合理，在绝缘子上依次沉积底层、中间致密绝缘层和表面疏水减反射层，所述的表面疏水减反射层能够抗污，同时增加太阳光的入射量；底层的光谱转换层通过光谱转换来发热，用于融冰；中间致密绝缘层用于保证涂层的整体绝缘性，能够有效保证绝缘子的防冰闪、污闪功能，且其制备方法简单、易生产，成本低，使用方便，效果好，是绝缘子上的创新。

附图说明

图1为本发明绝缘子的剖视图。图中，1为绝缘子，2为底层，3为中间致密绝缘层，4为表面疏水减反射层。

图2为本发明绝缘子的主视图。图中，1为绝缘子，2a为基底增强层，2b为光谱转换层，3为中间致密绝缘层，4为表面疏水减反射层，5为反光隔热层，6为反光体，8为连接柱。

图3为本发明绝缘子的俯视图。图中，1为绝缘子，6为反光体，7为两两反光柱或条状反光板之间的间隙，8为连接柱。

图4为漏电途径示意图。图中，虚线为漏电途径。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。在没有特别说明的情况下，本发明所采用的方法均是本领域常规技术，因此不再详细描述。

实施例1

由图1-3给出，本发明包括绝缘子，所述的绝缘子1侧壁表面由内而外依次设置有底层2、中间致密绝缘层3和表面疏水减反射层4；所述的底层2是由内侧的基底增强层2a和外侧的光谱转换层2b构成的双层复合结构，光谱转换层2b内设置有下转换填料。

底层2的光谱转换层2b作用是通过光谱转换来发热，用于融冰，因此为保证使用效果，本发明在底层2的光谱转换层中掺入下转换填料，以使照射到涂层上的太阳光发生下转换，将可见光、紫外线等转化成红外线，利用红外热效应，使冬季附着在绝缘子上的冰层熔融，熔融的水在疏水表面滑落，从而达到消除覆冰、防止冰闪的目的。同时，下转换材料的加入，能提高光谱转换层2b的整体折射率，这对于形成光谱转换层/中间层/表面层三层折射率递减结构，从而促进光到达光谱转换层是有利的。本发明光谱转换层2b的基础材料采用氧化硅等具有较低折射率的材料，并通过在其中加入下转换填料会将该层的整体折射率提高至期望水平。优选的，光谱转换层折射率在2.0以上，例如2.0-2.4之间，以保证该层折射率高于中间致密绝缘层和表面疏水减反射层的折射率。

所述的下转换填料为含有稀土元素的纳米下转换粉体。例如掺杂铕(eu³⁺)、铈(ce³⁺)等稀土元素的粉体，例如(nayf4：yb³⁺，er³⁺)、(nayf4：yb³⁺，ce³⁺)等。该填料为一种荧光材料，能够将到达的紫外、可见等波段的太阳光转化为红外光，从而产生显著的热效应。下转换填料的含量优选0.5-15％(质量分数)。上述填料的加入，能够提高光谱转换层的折射率。

所述的底层2的总厚度在150-2000nm之间。

基底增强层2a不含下转换填料，这是因为该部分不但是底层2的起始部分，也是整个涂层的起始部分，不含填料有利于底层成膜时形成良好的材料结构，从而提高底层2的整体质量，并提高整个涂层和绝缘子1侧壁表面的结合力。基底增强层2a具有较薄的厚度，例如5-50nm，以尽量避免对光入射的不利影响。

优选的，所述的下转换填料在光谱转换层2b中呈非均匀分布，由外到内含量逐渐升高。采用上述填料递增结构，一方面是为了获得良好的光谱转换层/中间致密绝缘层界面特性，防止该界面处过多的填料导致光谱转换层/中间层的界面特性恶化，造成层间结合力下降，另一方面，也是为了形成从该界面向光谱转换层方向的折射率梯度递增，从而使到达光谱转换层/中间层界面的太阳光顺利进入光谱转换层。

优选的，所述的底层2由多个呈上、下间隔状均布在绝缘子1侧壁表面上的环形带构成，中间致密绝缘层3填充两两环形带形成的间隙内，从而降低泄放电流从导线经由底层到达绝缘子中间钢脚的几率，即进一步提高了防冰闪、污闪涂层的绝缘性，如图4所示，一旦绝缘子侧壁的导线发生经中间钢脚的放电问题，常规路径是经过相对较薄的中间致密绝缘层3，到达绝缘性相对最差的底层2，然后一直向下走完底层后到达绝缘子的下表面，并经由该未经涂覆涂层的下表面(由于附着冰雪等原因，该面绝缘性同样较差)到达中间钢脚，从而引发放电、漏电(如图中虚线示出的漏电路径)。如果将底层2设置为不连续的带状，则底层2的绝缘性大大提高，漏电流通过该层(图4中垂直向下的方向上)放电的可能性降低，从而提高绝缘子的整体绝缘性能。

整体上，在防冰闪、污闪绝缘子的涂层结构中，光谱转换层2b由于稀土材料的加入，绝缘性的下降是最为严重的。本发明在表面疏水减反射层和光谱转换层之间设置中间致密绝缘层3，以确保涂层绝缘性。中间致密绝缘层3为致密的高绝缘材料层，用于保证防冰闪、污闪的绝缘子涂层的整体绝缘性。为了保证光入射，中间致密绝缘层的折射率在1.7-2.0之间。为了优化光入射效果并保证足够的绝缘性，中间致密绝缘层的厚度在400-2500nm之间。中间致密绝缘层厚度超过2500nm之后，会影响光的通过，并且容易造成膜层脱落。

高绝缘材料层优选致密氧化硅、致密氮化硅、致密氮氧化硅等高绝缘且成熟的材料，特别优选的，采用氮化硅。氮化硅的介电常数高于氧化硅，具有更加优良的绝缘性，并且，氮化硅具有相对高的折射率，一般在1.8-2.0之间，可以形成光谱转换层/中间致密绝缘层/表面疏水减反射层三层的折射率依次递减的结构，有利于太阳光到达底层。

为了使光谱转换层、中间致密绝缘层产生的热量尽可能有效的传递至表面，用于融冰，对涂层的热性能进行以下优化：

可在中间致密绝缘层中增加导热填料，提高该层的导热性，有利于光谱转换层产生的热量到达涂层表面进行融冰。

可在绝缘子1侧壁表面和基底增强层2a之间设置反光隔热层5，防止热量向绝缘子本体而不是向表面传导；同时反射光可以被进一步利用。反光隔热层的材料可以为含有氧化钨的二氧化硅等，含有氧化钨的二氧化硅具有较好的隔热性能，且具有优良的红外线反射性能。

表面疏水减反射层4的功能有疏水和减反射。采用疏水结构，起到降低尘埃附着，或者使附着的尘埃更加容易的被雨水冲刷，从而降低绝缘子的污闪问题。为了达到疏水效果，所述表面具有表面粗糙结构，例如，具有表面凹坑、表面凸起等。

为了减少太阳光在涂层表面的反射，保证太阳光尽可能多的进入涂层内并最终到达光谱转换层，本发明采用特定折射率的材料制成表面层，该表面层的折射率尽可能的小，以接近空气的折射率，优选的，该层折射率介于1.3-1.6之间，厚度介于100-2000nm之间，采用上述折射率和厚度，可以保证具有较好的减反射效果，同时疏水性能优异。本发明采用折射率小于1.5的低折射率的氧化硅；或者采用体部多孔、表面具有凹坑的氮化硅，使其折射率适用于表面层使用。

所述的绝缘子的一侧设置有反光体6，该反光体所在侧作为背光侧，反光体为具有镜面反射表面的、且和绝缘子中心轴相平行的若干反光柱或条状反光板，两两反光柱或条状反光板之间具有容许冰雪透过从而防止其堆积的间隙7。所述的反光体可通过连接柱8与绝缘子连接。反光体的设置能够保证绝缘子的背光面涂层依然能够得到光照，有效融冰。反光柱或条状反光板相比于其他连续平面或槽面结构的反光结构，不会由于增加了背面反光结构而引起背光面积雪，避免电性能恶化，适于户外使用。

使用时，将绝缘子进行安装，设置有反光体的一面放置于背光侧(例如向下或者向西北方向)。太阳照射时，太阳光依次通过表面疏水减反射层、中间致密绝缘层，到达光谱转换层，光谱转换层通过光谱转换来发热，使冬季附着在绝缘子上的冰层熔融，熔融的水从表面疏水减反射层上滑落，从而达到消除覆冰、防止冰闪的目的。中间致密绝缘层的设置能够确保涂层的绝缘性。

实施例2

一种具有防冰闪、污闪涂层的绝缘子的制备方法，包括以下步骤：

(1)绝缘子预处理

首先，采用喷砂处理绝缘子1的表面，再用900-1100℃的火焰清洗绝缘子，火焰的蓝色部分靠近或接触绝缘子侧壁表面，最后用纯净水清洗绝缘子侧壁表面。

喷砂处理绝缘子侧壁表面，能够去除表面附着的难以清洗去除的附着物，另一个目的是在绝缘子侧壁表面形成微小的凹凸结构，增加后续涂层和绝缘子的结合力。然后对绝缘子侧壁表面喷射天然气火焰清洗，使有机物燃烧挥发，火焰清洗时，火焰的蓝色部分靠近或接触绝缘子侧壁表面，从而尽可能的减少碳黑在绝缘子侧壁表面的附着。火焰清洗时，调整天然气和空气(或氧气)的比例，使火焰的蓝焰温度在900-1100℃左右，该温度足以燃烧绝大部分的有机物附着，并且该温度可以对绝缘子进行退火，降低由于机械喷砂处理造成的表面应力。优选的，火焰的蓝色部分靠近而不接触绝缘子侧壁表面，例如，相隔约1-4mm距离，能够进一步减少碳黑在绝缘子侧壁表面的附着。最后，用纯净水清洗，去除绝缘子侧壁表面的有机物燃烧后形成的微量副产物。

(2)沉积底层

采用溶液法沉积底层：首先配制低粘度(粘滞在100mpa·s以下)的基底增强层成膜溶液，涂覆在绝缘子侧壁表面，然后快速干燥形成稳定的基底增强层2a；其中，采用低的粘度成膜溶液，是为了更加均匀的覆盖绝缘子侧壁表面，这对于粗糙的绝缘子侧壁表面结构尤其有利；

再配制高粘度(粘滞系数在400mpa·s以上)的光谱转换层成膜溶液，加入下转换填料，搅拌均匀，涂覆在基底增强层上，让下转换填料自然沉降20-50min，沉降结束后，立即进行烧结处理，形成有下转换填料的光谱转换层2b；，同时得到完整的底层。将光谱转换层成膜溶液设置为具有较高粘度，是为了防止光谱转换颗粒发生不可控的过量沉降。由于绝缘子为圆柱体结构，因此为了实现下转换填料的自然沉降，将绝缘子侧壁表面沿环向分为4-6部分，先选择其中1部分进行涂覆，涂覆部分面朝上放置(将绝缘子水平放置，绝缘子的轴心与水平面相平行)，涂覆后进行自然沉降20-50min，烧结，再将第2部分面朝上放置，涂覆后进行自然沉降20-50min，烧结，以此类推，直至完全涂覆绝缘子侧壁表面。具体由多个呈上、下间隔状均布在绝缘子侧壁表面上的环形带构成的底层的形成可在涂覆时结合掩模板法或后期利用刮刀刮除法。掩模板法是首先在绝缘子侧壁表面围设金属掩模薄板，需要形成底层的地方留有间隙，然后进行涂覆。刮刀刮除法是在整体涂覆完成后，烧结前，用刮刀将不需要形成底层的部分刮掉。

(3)沉积中间致密绝缘层

采用干氧氧化法沉积中间致密绝缘层：首先在步骤(2)的绝缘子上溅射一层非晶硅，再加热氧化，形成中间致密绝缘层3；该非晶硅并非最终材料层，在形成非晶硅层后，采用加热炉加热该非晶硅层，利用空气中氧气使其氧化，空气中少量的氮气参与反应(形成氮氧化硅)也不会使膜层的致密度、介电常数、折射率发生显著降低。

采用先沉积非晶硅层，然后对其进行干氧氧化的方法来获得氧化硅，是因为干氧氧化获得的氧化硅质地坚硬、致密，具有溶液法制备的氧化硅无法比拟的优良绝缘性能。

可选的，可以在沉积非晶硅层之前，先在底层上沉积适量的导热颗粒，例如氧化硼、氧化钛、氧化铝等，这样，最终形成的中间致密绝缘层中含有导热颗粒，可以提高该层的热导率。

(4)沉积表面疏水减反射层

采用溶液法沉积表面疏水减反射层：首先配制表面疏水减反射层成膜溶液，然后将表面疏水减反射层成膜溶液涂覆在中间致密绝缘层上，再烧结，形成表面疏水减反射层4。

疏水减反射层中的凹凸疏水结构通过控制氧化硅溶液中氧化硅的颗粒大小、及烧结条件等来实现，凹坑或凸起的尺寸为微米级。

优选的，在对绝缘子侧壁表面进行预处理后，沉积基底增强层之前，在绝缘子侧壁表面沉积反光隔热层，反光隔热层优选为含有氧化钨的二氧化硅，其具有较好的隔热性能。含有氧化钨的二氧化硅的形成方法例如溶液法，或者真空沉积法等。

在形成表面疏水减反射层4后，在绝缘子上加装连接柱8，连接柱上连接有反光体6，该反光体所在侧作为背光侧，反光体为具有镜面反射表面的、且和绝缘子中心轴相平行的若干反光柱或条状反光板，两两反光柱或条状反光板之间具有容许冰雪透过从而防止其堆积的间隙7。

实施例3

一种具有防冰闪、污闪涂层的绝缘子的制备方法，包括以下步骤：

(1)绝缘子预处理

首先，采用喷砂处理绝缘子的表面，再调整天然气和空气的比例，使火焰的蓝焰温度在1000℃左右，用该温度的火焰清洗绝缘子，火焰的蓝色部分靠近绝缘子侧壁表面，与绝缘子侧壁表面相隔1-4mm，最后用纯净水清洗绝缘子侧壁表面。

(2)沉积反光隔热层

采用溶液法沉积反光隔热层：首先配制含有氧化钨的二氧化硅溶液，然后将含有氧化钨的二氧化硅溶液(氧化钨的量为氧化钨和二氧化硅总质量的5％)涂覆在绝缘子侧壁表面上，再烧结，形成厚度100nm的反光隔热层。

(3)沉积底层

采用溶液法沉积基底增强层：首先在绝缘子侧壁表面围设金属掩模薄版，需要形成基底增强层的地方留有间隙，然后进行涂覆，具体为：先配制低粘度(粘滞系数90mpa·s)的氧化硅溶液，涂覆在绝缘子侧壁表面，然后快速干燥160s，形成稳定的厚度为30nm的基底增强层；

采用溶液法沉积光谱转换层：再配制高粘度(粘滞系数450mpa·s)的氧化硅溶液，加入下转换填料nayf4：yb³⁺，er³⁺(质量分数10.0％)，搅拌均匀，备用；将绝缘子侧壁表面沿环向分为5部分，先涂覆其中1部分，涂覆部分面朝上放置，涂覆后进行自然沉降30min，烧结，再将第2部分面朝上放置，涂覆后进行自然沉降30min，烧结，以此类推，直至完全涂覆绝缘子侧壁表面，得到厚度为1000nm的光谱转换层。

去除金属掩模薄版，得到完整的底层2。

(4)沉积中间致密绝缘层

采用干氧氧化法沉积中间致密绝缘层：首先在步骤(3)的绝缘子上溅射一层非晶硅，再加热氧化，形成厚度1000nm(两两环形底层之间部分的中间致密绝缘层厚度为2030nm)、折射率1.8的中间致密绝缘层；

(5)沉积表面疏水减反射层

采用溶液法沉积表面疏水减反射层：首先配制氧化硅溶液，然后将氧化硅溶液涂覆在中间致密绝缘层上，再烧结，形成厚度900nm、折射率1.4的表面疏水减反射层。

(6)在绝缘子侧壁表面形成所有涂层后，在绝缘子上加装连接柱8，连接柱上连接有反光体6，该反光体所在侧作为背光侧，反光体为具有镜面反射表面的、且和绝缘子中心轴相平行的若干条状反光板，两两条状反光板之间具有容许冰雪透过从而防止其堆积的间隙7。

以上所述仅为本发明最佳的实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。