納米材料在牽引供電系統中的應用探討

李明照，馬金芳，王祥宇，楊 蓮，武玉傳

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納米材料在牽引供電系統中的應用探討

李明照，馬金芳，王祥宇，楊 蓮，武玉傳

針對牽引供電系統設備及零部件運營一段時間后出現腐蝕銹損現象，提出采用納米材料進行防腐及絕緣，效果良好，并與現有防腐技術進行工藝及經濟指標對比，優勢明顯，性價比較高。

牽引供電；納米涂料；防腐

0 引言

截至2017年底，我國高速鐵路己建成開通2.5萬公里，成為世界上擁有高鐵里程最長的國家。我國城市軌道交通開通運營4 000多公里，遍布全國近50個大中城市，有效緩解了城市路面交通的擁堵狀況。高鐵、城市軌道交通開通運營多年來，供電設備陸續出現了“疲勞、松脫、腐蝕”等影響行車安全的問題。為消除、減輕上述問題的不利影響，有必要對影響牽引供電系統安全運行的技術難題進行深入研究。

通過對運營一段時間后現場供電設備材料的調查發現，部分設備材料、連接件表面出現腐蝕銹損，若不采取相應措施，腐銹現象將繼續擴大并滲透，嚴重威脅設備、材料本體，給線路運營帶來極大的安全隱患。目前廣泛采用的熱鍍鋅防腐技術主要存在以下缺點和不足：（1）熱浸鍍鋅加工流程中需進行酸洗和水洗，產生大量酸氣，嚴重污染大氣環境；清洗的硫酸水經過二次處理若不能達標，將造成地面、地下水污染，給水資源帶來危害。（2）熱浸鍍鋅鍍層厚度不均，鍍鋅層厚度不足易造成局部生銹，致使零部件性能下降，甚至引發事故。

本文提出采用納米防腐材料，對其在牽引供電系統中的應用進行探討分析。

1 納米技術概況

1.1 納米技術基本概念

納米是一種長度單位，符號為nm。1納米=1毫微米=10埃（即十億分之一米），約為10個原子的長度。納米技術是在0.1～100 nm的尺度里，研究電子、原子和分子內的運動規律和特性的一項全新技術。科學家們在研究物質構成的過程中發現，在納米尺度下隔離出的幾個、幾十個可數原子或分子顯著地表現出許多新的特性，而利用這些特性制造具有特定功能設備的技術稱為納米技術。

1.2 納米材料

納米材料是在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構成的材料。納米材料具有如下特性：

（1）微粒特性。納米微粒具有較大的比表面積，表面原子數、表面能和表面張力隨粒徑的下降急劇增加。

（2）量子尺寸效應。當粒子尺寸達到納米數量級時，費米能級附近的電子能級由連續態分裂成分立能級。當能級間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導態的凝聚能時，會出現納米材料的量子效應，從而使其磁、光、聲、熱、電、超導電性能變化。

（3）小尺寸效應。納米材料中的微粒尺寸小到與光波波長、德布羅意波長及超導態的相干長度、透射深度等物理特征尺寸相當或更小時，其周期性邊界條件將被破壞，非晶態納米粒子表面層附近原子密度減小，導致聲、光、電、磁、熱力學等特性呈現新的小尺寸效應。

（4）表面界面效應。納米顆粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相當大的比例。隨尺寸減小，表面原子數迅速增加，原子配位不足及高的表面能使表面原子具有高的活性，極不穩定，很容易與其他原子結合。

（5）宏觀量子隧道效應。微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱隧道效應。

小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應及宏觀量子隧道效應等使得納米微粒的熱、磁、光敏感特性和表面穩定性等不同于常規粒子，這就使得納米材料具有廣闊的應用前景。

1.3 納米技術原理及領先性

當物質微粒小到納米尺度后，大約在0.1～100 nm范圍內，物質的性能就會發生突變，出現特殊性能。由于納米材料具有表面效應、體積效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應，將其應用于涂料中后，除可以改變傳統涂料的性能外，更為重要的是可以制備各種功能涂料。

納米技術自1965年發展至今，陸續誕生了天然納米材料、納米磁性材料、納米陶瓷材料、納米傳感器、納米半導體材料等。納米防腐涂料所具有的技術合成帶特殊官能團的高分子化合物，經過穩泡處理和惰性化處理，生成具有特殊物理性能的材料，使納米防腐涂料具有耐高溫、超硬度、超強耐磨及高效耐腐等功能和特性。

2 納米防腐防銹工藝簡介

本文僅對2種情況，即新產品和維修產品的納米防腐防銹工藝進行介紹。

新產品一般是金屬型材或通過工藝制造的模壓、鑄造等產品，數小時后即會生銹，納米防腐涂料基本都具有帶銹（規定范圍內）施工這一特性，還可以考慮到使用環境、壽命（1、3、5、10、20年）等因素，采用1種（底面合一8633）或2種（底8627、面8628）規格型號的納米涂料。

維修產品一般是經電鍍或熱浸鍍鋅工藝的產品，由于生銹需要維護后再使用。采用電鍍及熱浸鍍鋅工藝進行維護需將原產品全部拆下才能夠翻新，拆裝成本大且現場不便將運行的設備拆裝。納米防腐涂料可在現場（提供基本條件）進行施工，具有一定安全性、經濟性。根據實際防腐需要提出納米防腐涂料的規格型號，一般室內（不露天）使用8602型（耐鹽霧1 000 h，硬度3H，附著力0級，耐人工加速老化1 000 h）或9609型（耐鹽霧1 000 h，硬度2H，附著力0級，耐人工加速老化1 000 h），壽命達到20年左右；室外一般選擇8627型（耐鹽霧8 000 h，硬度6H，附著力0級，耐人工加速老化3 000 h），壽命在C-M環境1年，C5環境3～5年，C4環境5～8年，C3環境8～12年，C2環境15年以上，C1環境20年以上。

納米防腐涂料與熱浸鍍鋅工藝相比，工藝簡單，分浸泡和噴、滾、刷涂工藝，可選擇工廠涂裝和現場涂裝2種方式，以達到經濟效益的最大化。

噴涂、滾涂、刷涂是目前納米防腐涂裝采用的主要工藝，應用最多的是噴涂（對于不能實現噴涂的部位采用滾涂或刷涂）工藝，噴涂一般性工藝如表1所示。

表1 納米防腐涂料噴涂工藝

工作流程項目要求及標準備注 噴涂有氣釋放量：20-30%（以油漆重量計）稀釋；噴槍口徑：3-3 mm；空氣壓力：0.3～0.5 Mpa（約3～5 kg∕cm2）。通風量：1 kg油漆或稀釋劑：涂料：a.達到爆炸極限下限（LEL）的10% 84 m3b.達到安全衛士要求（TLV） 1 120 m3稀釋劑a.達到LEL的10% 210 m3b.達到TLV 2 800 m3 第一道噴涂30 μm涂料使用100目濾布過濾 凝固表干自然干24 h不小于6 W燈光或日光 烘干40 min70 ℃烘干 噴涂第二道噴涂30 μm涂料使用100目濾布過濾 凝固表干自然干24 h不小于6 W燈光或日光 烘干40 min70℃烘干 成品成品交付表面涂層實干

3 納米材料在牽引供電系統中的應用

納米材料涂裝產品具有耐高溫、超強硬度、超強耐磨及高效耐腐等特性，為替代熱浸鍍鋅工藝的各種涂裝需求提供了整體解決方案，廣泛應用于多個領域，大幅降低了生產和使用成本，節能環保，符合國際、國內環保發展趨勢。

納米絕緣材料應用于地鐵車輛受電弓底部絕緣，如圖1所示。在車頂受電弓底部采用納米絕緣涂料，達到了地鐵直流1 500 V各項技術指標（絕緣達到了3萬伏）要求；在車身面使用納米防腐（6H）和罩光涂料（5H），極大提高了車身的防護性能，延長了車身維護周期。納米絕緣涂料具有良好的絕緣性能，已研發了納米材料新型硅橡膠絕緣子系列產品。

圖1 納米絕緣材料應用于車輛受電弓底部絕緣

納米防腐涂料的耐鹽霧指標達到3 000 h（實際能夠達到6 000～8 000 h），從根本上解決了接觸網零部件中熱浸鍍鋅、電鍍等系列產品的防腐問題。還可應用于變壓器防腐，變電室內外設備、各種箱柜的表面防腐，以及接地樁的防腐。納米絕緣涂料用于接地柜制造，可減小柜體體積，降低綜合成本；接觸網直流驗電接地裝置外用納米防腐，內用納米絕緣涂料，可減小裝置體積，降低綜合成本（圖2）。

納米防靜電涂料可應用于設備室、控制室等環境中，污染小，防靜電效果良好。

圖2 直流驗電接地裝置

對于供電設備及高壓開關或其他發熱設備，可以采用納米散熱涂料進行涂裝。對高壓開關真空泡固定機構采用納米散熱涂料進行降溫試驗，試驗結果表明，可以降溫10 ℃。納米散熱涂料可一定程度上解決高壓開關等發熱設備的散熱問題，延長設備壽命，降低綜合成本，增強安全性。

4 防腐性能及經濟指標對比

將傳統防腐漆與納米防腐涂料進行性能對比，如表2所示。熱浸鍍鋅與其他品牌防腐漆、納米防腐涂料的性能指標差距較大，無法直接對比其優越性，但是將納米防腐涂料與國內外防腐漆直接進行對比，優勢較明顯，主要指標如附著力0級、耐人工加速老化3 000 h、耐鹽霧性3 000 h、硬度6H等都達到領先水平。

表2 防腐性能對比

對傳統防腐漆、納米防腐涂料進行經濟指標對比分析，如表3所示。

表3 經濟指標對比（施工面積：8 000 m2）

從表3可以看出，同樣完成8 000 m2鋼件的防腐，ZD防腐漆需要花費104萬元，納米防腐涂料需要花費90.4萬元。熱浸鍍鋅工藝的鍍鋅層厚度≥85 μm，一般行業慣例其價格以“t”為計量單位核算，價格為1 800～2 500 元/t不等，根據以往經驗，諸如對接觸網支柱表面進行熱鍍鋅處理，同等面積為8 000 m2大約需要100多萬元。綜上可以看出，使用納米防腐涂料可以節省防腐工程總成本15%左右，并且縮短施工工期50%以上，納米防腐涂料的經濟指標具有明顯優勢。

5 結語

納米系列涂料所具有的功能和特性為牽引供電系統中的各種涂裝需求提供了整體解決方案，還可根據用戶對涂料的特殊需求提供專業定制，廣泛應用于各領域，大幅度降低了生產和使用成本，延長了設備、建筑設施的使用壽命，真正起到了節能環保的作用，為軌道交通創造了良好的社會效益和經濟效益。

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With the defects of corrosion and rust occurred after a period of operation of traction power supply system equipment and its spare parts, the paper puts forward that the nanometer materials adopted for anti-corrosion and insulation achieve better effects, and they are advantageous dramatically and rather cost-effective after comparison with the existing anti-corrosion technologies in terms of process and economic index.

Traction power supply; nanometer paint; anti-corrosion

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.025

U226.7

B

1007-936X(2018)06-0099-04

2018-07-23

李明照，楊 蓮.廈門軌道交通集團有限公司，工程師；

馬金芳.廣州地鐵集團有限公司，高級工程師；

王祥宇，武玉傳.中鐵電氣化局集團第三工程有限公司，工程師。