一种微构导线及其制备方法

本发明属于微细加工，具体涉及了一种微构导线及其制备方法。

背景技术：

1、高压导线是电力传输系统中的关键组件，其性能直接影响电力输送的效率和可靠性。在冰雪和冻雨等天气条件下，高压导线容易出现覆冰问题，导致其机械负荷增加，可能引发导线断裂、输电中断等严重问题，除此之外，覆冰还可能导致导线振动、闪络等电气问题，大大影响整个输电系统的安全性和稳定性。

2、现有的解决措施包括加热导线、机械振动以及使用防冰涂层等，但是这些方法都存在诸多局限性：加热导线需要消耗大量的电能，不仅运行成本高，而且设备复杂、维护困难；机械振动仅适用于轻度覆冰情况，在高压导线严重覆冰时效果有限，且机械装置的安装和维护成本高；防冰涂层虽然能在一定程度上减少冰雪的附着，但是涂层结合力低、耐磨性差，通常会在使用过程中逐渐失效，需要定期重新涂覆，这无疑增加了维护成本和工作量。

3、近年来，构造本体材料表面微结构可为功能涂层提供铠甲保护、耐磨性好，或者本身具有超疏水、超疏油和防疏冰等方面的优异性能受到广泛关注。2020年，电子科技大学的王德辉教授团队在nature上发表通过构建微结构制备耐磨性能极佳的超疏水表面的研究工作(wang d h,et al.design of robust superhydrophobic surfaces.nature,2020,582(7810):55-59)。2015年，国外的vorobyev教授团队在journal ofapplied physics上发表了通过激光刻蚀制备微结构从而得到具有超疏水和自清洁功能的金属表面的研究工作(vorobyev ay,et al.multifunctional surfaces produced by femtosecond laserpulses.journal of appliedphysics,2015,117(3):033103-1-033103-5)。通过本体材料表面微结构，可以使得液体在表面更容易形成悬浮状态，即cassie-baxter态，从而提高接触角，另外，表面微结构还能够捕获空气，在液滴与固体表面之间形成空气囊，空气囊的存在可以显著减少液滴与固体表面的实际接触面积，使液滴更容易滚动而不是铺展，从而进一步增强表面的疏水性。这种方法不依赖于外部能量输入，具有自清洁和耐久性好等优点，适用于各种极端环境条件。

4、但是在大面积基材上制备均匀且稳定的本体材料微纳结构仍是一个重大挑战。传统的微纳结构制备方法虽然可以在实验室环境下实现高精度的表面处理，但这些方法成本高昂、时间耗费巨大，难以应用于大规模工业生产。

5、对于高压导线表面的本体材料微纳结构制备技术，目前尚未有研究报道。高压导线需要具备高机械强度、耐高温、抗紫外线和长时间户外暴露的稳定性。现有的微纳结构制备技术难以在高压导线上实现，且不能保证其长期的耐久性和稳定性。除此之外，高压导线的复杂几何结构和多股缠绕设计使得在其表面均匀构建微纳结构变得异常困难，如何在高压导线上有效实现微纳结构的超疏水和疏油等性能仍需重大的技术突破和创新。

技术实现思路

1、本发明提供一种微构导线及其制备方法，通过在高压导线表面构造特定的本体材料微结构，使其具有超疏水、超疏油、防疏冰、防冻雨、防雾凇、抗积污和自清洁等多种功能，从而使高压导线在极端天气条件下保持良好的性能和稳定性。

2、为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：

3、本发明实施例提供了一种微构导线，包括高压导线本体和在所述高压导线本体表面的环形阵列微结构，所述微结构基于cassie-baxter模型制备而成，当液滴接触到所述微结构化表面时，液滴可以悬浮在所述微结构上方的空气囊上，这种悬浮状态显著减少了液滴与其接触微构导线表面之间的实际接触面积，从而大大提高了微构导线表面的疏水性；所述微结构的cassie-baxter态：当液滴与表面接触时，如果表面存在微结构，这些微结构能够捕捉空气，形成多个小型空气囊；液滴悬浮在这些小型空气囊上，而不是完全润湿固体表面，这种状态下，表面接触角大幅度增加，使液滴更容易滚落而不是铺展在表面上，避免了液滴长时间停留在导线表面，从而减少了结冰的风险；

4、所述微结构为v形微结构、梯形微结构、矩形微结构和弧形微结构中的一种或一种以上组合结构；所述微结构几何特性使得其能够在与液滴接触时捕捉到更多的空气，形成稳定的空气囊；所述v形微结构和所述梯形微结构由于具有尖锐的顶端和倾斜的侧面，更容易在与液滴接触时捕捉空气；所述矩形微结构和所述弧形微结构通过平坦或曲线的表面提供稳定的支撑点，使得空气囊能够均匀分布在液滴与表面之间；

5、所述微结构与液滴的接触角的范围均为150°～160°：由于液滴与微结构表面之间的接触面积减少，接触角达到150°至160°，这种高接触角使液滴在表面呈现出几乎球形的状态，进一步增强了液滴滚落的可能性；

6、所述v形微结构的顶角范围为30°至70°，其高度为50nm至1000μm，其底部宽度为50nm至750μm；所述梯形微结构的顶部宽度为50nm至500μm，其底部宽度为100nm至1000μm，其高度为50nm至750μm，其倾斜角度为15°至45°；所述矩形微结构的高度为50nm至1000μm，其宽度为50nm至750μm；所述弧形微结构的曲率半径为25nm至375μm，其弧高为20nm至300μm。

7、根据本发明一可选实施例，所述微结构的阵列周期范围为100nm～1mm。

8、根据本发明一可选实施例，所述高压导线本体的截面尺寸范围为1mm～50mm。

9、根据本发明一可选实施例，所述高压导线本体的材料为铁、铝、铜及其合金中的一种材料。

10、根据本发明一可选实施例，所述高压导线本体为单根的截面为圆形、矩形或异形的导线和多根截面为圆形、矩形或异形的导线构成的绞线中的一种。

11、本发明实施例还提供一种微构导线的制备方法，包括以下步骤：

12、步骤s1，制备内孔表面具有微纳结构的拉丝模具；

13、步骤s2，使用内孔表面具有微纳结构的拉丝模具，通过拉丝纳米压印的方法，控制工艺过程中的拉丝参数，高压导线本体通过拉丝模具，发生塑性变形后，最终得到表面形成有环形阵列微结构的微构导线。

14、根据本发明一可选实施例，步骤s1中的所述拉丝模具的材料为钨基硬质合金、钛基硬质合金、铬基硬质合金、模具钢和聚晶金刚石中的一种材料，步骤s2的工艺过程中的拉丝参数包括拉丝速度、拉丝温度、冷却速率、拉伸力、润滑方式和张力，控制这些参数以让高压导线可以完整压印复制出微纳结构，确保高压导线本体表面形成微结构的均匀性和一致性，得到所需要的微构导线；其中，拉丝速度：1m/s～20m/s；拉丝温度：20℃～400℃；冷却速率：10℃/s～100℃/s；拉伸力：100n～10000n；润滑方式：干式润滑、湿式润滑、乳液润滑；张力：50n-500n；铝导线：拉丝速度：5米/秒至10米/秒，拉丝温度：室温至150℃，冷却速率：20℃/秒至50℃/秒，拉伸力：500n至3kn，张力：100n至200n；铜导线：拉丝速度：10米/秒至20米/秒，拉丝温度：20℃至200℃，冷却速率：30℃/秒至80℃/秒，拉伸力：1kn至10kn，张力：200n至500n。

15、根据本发明一可选实施例，步骤s1中拉丝模具内孔表面的微纳结构覆盖一层纳米金刚石涂层。

16、根据本发明一可选实施例，步骤s2中高压导线本体表面形成环形阵列的微结构阵列周期范围为100nm～1mm，高压导线本体原始形状为圆形，原始尺寸为单次拉丝得到目标尺寸的1.1～1.5倍或者多次拉丝得到目标尺寸的10～50倍。

17、根据本发明一可选实施例，所述微结构为v形微结构、梯形微结构、矩形微结构和弧形微结构中的一种或一种以上组合结构，其中，所述v形微结构的顶角范围为30°至70°，其高度为50nm至1000μm，其底部宽度为50nm至750μm；所述梯形微结构的顶部宽度为50nm至500μm，其底部宽度为100nm至1000μm，其高度为50nm至750μm，其倾斜角度为15°至45°；所述矩形微结构的高度为50nm至1000μm，其宽度为50nm至750μm；所述弧形微结构的曲率半径为25nm至375μm，其弧高为20nm至300μm

18、与现有技术相比，本发明实施例提供一种微构导线及其制备方法，具有以下有益效果：

19、(1)在高压导线本体表面构建本体材料微结构，可以使液体在高压导线表面形成cassie-baxter态，以及在液滴与固体表面之间形成空气囊，这将增大液滴与导线的接触角。通过表面微结构的设计，可以使高压导线同时具备超疏水、超疏油、防疏冰、防冻雨、防雾凇、抗积污和自清洁等功能，从而使高压导线可以适应多种恶劣环境。

20、(2)本发明可以在无需外部能量输入的情况下完美地解决在冰雪和冻雨等天气高压导线容易出现的覆冰问题。由于微结构直接制备在高压导线表面，因此其具有十分不错的机械性能；由于高压导线表面的超疏水性，水滴能够滚动并带走表面的灰尘和杂质，因此微构导线具有良好的耐久性和自清洁能力，这将显著降低运行和维护成本。

21、(3)本发明的微构导线可以显著减少导线表面的冰雪积聚，降低冻雨和冰雪等天气对导线的影响，提升输电线路的可靠性和稳定性。具有防疏冰、防冻雨和自清洁等多功能的微构导线，有助于构建更加稳定可靠的电力传输系统，确保电力供应的安全和高效，减少因自然灾害引起的停电事故。

22、(4)本发明中微构导线的制备方法为：利用内孔表面具有微纳结构的拉丝模具，通过拉丝纳米压印的方法连续制备。该方法可通过现有的工业技术实现，工艺简便，适合大规模工业化生产，在批量化生产高效多功能的高压导线方面具有良好的应用前景。