碳纖維復合材料應用在電線電纜

一、碳纖維復合材料的發(fā)展和戰(zhàn)略地位

碳纖維的出現(xiàn)是材料史上的一次革命。碳纖維是目前世界首選的高性能材料，具有高強度、高模量、耐高溫、抗疲勞、導電、質(zhì)輕、易加工等多種優(yōu)異性能，正逐步征服和取代傳統(tǒng)材料?，F(xiàn)已廣泛應用于航天、航空和軍事領域。世界各國均把發(fā)展高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)放在極其重要的位置。碳纖維除了在軍事領域上的重要應用外，在民品的發(fā)展上有著更加廣闊的空間，并已經(jīng)開始深入到國計民生的各個領域。在機械電子、建筑材料、文體、化工、醫(yī)療等各個領域碳纖維有著無可比擬的應用優(yōu)勢。



碳纖維是50年代初應火箭、宇航及航空等尖端科學技術的需要而產(chǎn)生的。80年代初期，高性能及超高性能的碳纖維相繼出現(xiàn)，這在技術上是又一次飛躍，同時也標志著碳纖維的研究和生產(chǎn)已進入一個高級階段。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，碳纖維及其復合材料已從初創(chuàng)期轉入增長發(fā)展期，其工業(yè)地位已基本確立，美、日、英、法、德等國的碳纖維產(chǎn)量已經(jīng)占世界產(chǎn)量的絕大部分，并已逐步形成壟斷優(yōu)勢。

我國對碳纖維的研究由于起步較晚，技術力量薄弱，雖然碳纖維及其復合材料在我國已被納入國家“863”和“973”計劃，但總體情況不盡理想，我國仍不具備成熟的碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)技術，國防和民用碳纖維產(chǎn)品基本依賴進口。

二、碳纖維復合材料的性能和用途

碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，是由含碳量較高、在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工性好，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強度，且碳纖維比重小。

1、碳纖維的化學性能
碳纖維是一種纖維狀的碳素材料。我們知道碳素材料是化學性能穩(wěn)定性極好的物質(zhì)之一。這是歷史上最早就被人類認識的碳素材料的特征之一。除強氧化性酸等特殊物質(zhì)外，在常溫常壓附近，幾乎為化學惰性?？梢哉J為在普通的工作溫度≤250℃環(huán)境下使用，很難觀察到碳纖維發(fā)生化學變化。根據(jù)有關資料介紹，從碳素材料的化學性質(zhì)分析，在≤250℃環(huán)境下，碳素材料既沒有明顯的氧化發(fā)生，也沒有生成碳化物和層間化合物生成。由于碳素材料具有氣孔結構，因此氣孔率高達25％左右，在加熱過程易產(chǎn)生吸附氣體脫氣情況，這樣的過程更有利于我們穩(wěn)定電氣性能和在電熱領域的應用。 123456

2、碳纖維的物理性能
（a） 熱學性質(zhì)
碳素材料因石墨晶體的高度各向異性，而不同于一般固體物質(zhì)與溫度的依存性，從工業(yè)的應用角度來看，碳素材料比熱大體上是恒定的。幾乎不隨石墨化度和碳素材料的種類而變化。
（b） 導熱性質(zhì)
碳素材料熱傳導機理并不依賴于電子，而是依靠晶格振動導熱，因此，不符合金屬所遵循的維德曼—夫蘭茲定律。根據(jù)有關資料介紹，普通的碳素材料導熱系數(shù)極高，平行于晶粒方向的導熱系數(shù)可與黃銅媲美。
（c） 電學性質(zhì)
碳素材料電學性質(zhì)主要與石墨晶體的電子行為和不同的處理溫度有關，石墨的電子能帶結構和載流子的種類及其擴散機理決定了上述性質(zhì)。碳素材料這類電學性質(zhì)具有本征半導體所具備的特征，電阻率變化主要與載流子的數(shù)量變化有關。

3、碳纖維的主要用途 本文來自123
與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，做成結構材料。碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現(xiàn)有結構材料中是最高的。在剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域，在要求高溫、化學穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復合材料都頗具優(yōu)勢。
由碳纖維和環(huán)氧樹脂結合而成的復合材料，由于其比重小、剛性好和強度高而成為一種先進的航空航天材料。
最神奇的應用是采用長碳纖維制成的“納米繩”可以將“太空電梯”由理想變?yōu)楝F(xiàn)實，太空電梯將可以將乘客和各種貨物運送到空間軌道站上，也可以用這種“納米繩”將太空中發(fā)射平臺與地面固定在一起，在這樣的發(fā)射平臺上發(fā)射人造衛(wèi)星和太空探測器就可以大大降低發(fā)射成本。
總結碳纖維復合材料的現(xiàn)實應用有以下幾個方面：
（1）宇航工業(yè) 用作導彈防熱及結構材料如火箭噴管、鼻錐、大面積防熱層；衛(wèi)星構架、天線、太陽能翼片底板、衛(wèi)星-火箭結合部件；航天飛機機頭，機翼前緣和艙門等制件；哈勃太空望遠鏡的測量構架，太陽能電池板和無線電天線。 copyright 123456
（2）航空工業(yè) 用作主承力結構材料，如主翼、尾翼和機體；次承力構件，如方向舵、起落架、副翼、擾流板、發(fā)動機艙、整流罩及座板等，此外還有C/C剎車片。
（3）交通運輸 用作汽車傳動軸、板簧、構架和剎車片等制件；船舶和海洋工程用作制造漁船、魚雷快艇、快艇和巡邏艇，以及賽艇的桅桿、航桿、殼體及劃水漿；海底電纜、潛水艇、雷達罩、深海油田的升降器和管道。
（4）運動器材 用作網(wǎng)球、羽毛球、和壁球拍及桿、棒球、曲棍球和高爾夫球桿、自行車、賽艇、釣桿、滑雪板、雪車等。
（5）土木建筑 幕墻、嵌板、間隔壁板、橋梁、架設跨度大的管線、海水和水輪結構的增強筋、地板、窗框、管道、海洋浮桿、面狀發(fā)熱嵌板、抗震救災用補強材料。
（6）其它工業(yè) 化工用的防腐泵、閥、槽、罐；催化劑，吸附劑和密封制品等。生體和醫(yī)療器材如人造骨骼、牙齒、韌帶、X光機的床板和膠卷盒。編織機用的劍竿頭和劍竿防靜電刷。其它還有電磁屏蔽、電極度、音響、減磨、儲能及防靜電等材料也已獲得廣泛應用。 本文來自123

三、碳纖維復合材料在電線電纜中的應用

碳纖維以其固有的特性賦予了其復合材料優(yōu)異的性能，它具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能，從而為其在電線電纜行業(yè)中的應用提供了可能和必然。

（一）碳纖維加熱電纜的開發(fā)和應用
人們早就知道，以金屬材料為發(fā)熱體的電加熱技術已在各個領域得到了廣泛的應用。但是金屬絲在高溫狀態(tài)下表面易氧化，由于氧化層不斷的增厚，造成了有效通過電流的面積減小，增大了電流的負荷，因此易燒斷。在相同的允許的電流負荷面積下，金屬絲的強度比碳纖維低6－10倍，在使用過程中易折斷。
碳纖維是一種石墨的六方晶格層狀結構組成，是一種全黑體材料，因此在電熱應用中，表現(xiàn)出來的電熱轉換效率高。在特定的條件下，高溫不氧化，單位面積的電流的負荷強度和機械強度不發(fā)生改變。
目前碳纖維加熱電纜的應用如下：
低溫輻射發(fā)熱電纜地板采暖系統(tǒng)。
恒溫育雛箱、花房、苗圃、蔬菜大棚等保溫采暖。
道路化雪、機場跑道化雪：用于混凝土結構中樓面加熱的理想產(chǎn)品，也可以用在融雪裝置中，對屋面雨水和排水管進行防霜，還可以用于土壤加熱。
管道、罐體保溫防凍：電伴熱產(chǎn)品近幾年在中國得到了大力的推廣和廣泛的應用。其應用領域主要集中在石油、化工、電力、鐵路和民用或商業(yè)建筑等。隨著中國電力工業(yè)的發(fā)展，以清潔、無二次污染的電能為主要能源的電伴熱產(chǎn)品市場前景非常廣闊，同時，也為電伴熱產(chǎn)品的性能提出了更高的要求。
足球場草坪、公共綠地土壤保溫：太陽能熱水器電能補充加熱器，主要用于在長期陰雨天或寒冬季節(jié)，因光照不足而導致太陽能熱水器水溫不能滿足生活、工程需要時，為補充熱能而設計的。它具有較強的耐酷暑、嚴寒和高溫潮濕環(huán)境的性能，并具有防干燒的功能。即使偶爾水箱缺水誤通電，也不至于燒壞電加熱器和水箱，故能確保安全使用。 123,123

（二）碳纖維復合芯導線的開發(fā)和應用
我國是個缺電的國家，不僅發(fā)電業(yè)的發(fā)展滯后，輸電業(yè)的弊端也凸現(xiàn)出來，輸電線路已不堪承受傳輸容量快速擴容的需求，由于過負荷造成的停電、斷電故障頻頻發(fā)生，電力傳輸成為電力工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”，各國均在研究新型架空輸電路用導線，以取代傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線，碳纖維復合芯導線由此應運而生。
與鋼芯鋁絞線相比，碳纖維復合芯導線具有以下優(yōu)點：
１、和同樣直徑的ACSR電纜相比，可以提供雙倍的載流容量。
２、有效解決電纜下垂問題。
３、可以在更高的溫度下工作，最高可達200攝氏度。
４、線芯可以抗腐蝕，而且沒有雙金屬間腐蝕問題。
５、因為可以提供更高的載流容量，所以同時也有效的降低了工程成本。
６、與相同直徑傳統(tǒng)電纜相比可以多容納28%的導體。 123,123
７、高強度線芯可以有效減少電纜架的數(shù)量，或降低電纜架的高度。
８、有效減少電纜下垂，使地面生物更加安全 。
除了上述提及的優(yōu)點外，還可減少傳輸中電力的損耗，減少20%的塔桿，節(jié)省用地，減少有色金屬資源消耗，有助于構造安全、環(huán)保、高效節(jié)約型輸電網(wǎng)絡。
目前世界上只有美國和日本開發(fā)出這種新型導線，他們還達成默契：不向第三國輸出，日本一家碳纖維導線企業(yè)的產(chǎn)量就占到世界40%左右。
目前我國電線電纜研究所、電力建筑研究院以及國家電網(wǎng)有限公司都已經(jīng)開始了對ACCC導線的試驗研究工作。國內(nèi)電纜廠家也加大與外方合作，將這種新型電纜引進到中國生產(chǎn)，積極推動我國架空輸電線路的技術革命。最近福建電網(wǎng)已經(jīng)將該新型導線架設運行。

碳纖維復合材料在架空導線中的應用
碳纖維是一種具有耐熱好、質(zhì)量輕、強度高、高模量的特種纖維材料，上世紀九十年代以來美國和日本先后成功將碳纖維應用在架空導線中，其開發(fā)的碳纖維復合材料芯架空導線具有重量輕、強度高、低弛度、耐腐蝕、低線損的特點。近年來，我國已經(jīng)有廠家可以生產(chǎn)碳纖維復合材料芯架空導線，以取代傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線。用于架空導線的碳纖維復合材料開始在中國產(chǎn)業(yè)化，各科研院所正在加緊研究，碳纖維復合材料的品種將逐漸豐富，以滿足不同用途的需要。 123456
據(jù)分析，碳纖維復合材料芯鋁絞線的強度為鋼芯鋁絞線的2倍，因采用碳纖維復合材料芯比重僅為鋼芯的1/4，可降低架線鐵塔負荷，大大縮短安裝工期，提高安全性。尤其是不存在鋼絲引起的磁損或發(fā)熱，輸電損失小，節(jié)能效果可觀。

碳纖維復合材料在OPGW中的應用
光纖復合架空地線（OPGW）是架空導線和光纖的復合體，具有傳輸電能和通信的雙重功能。隨著碳纖維復合材料在架空導線的應用，光纖復合架空地線中使用碳纖維復合材料也將是指日可待的事情。由于碳纖維復合材料取代了鍍鋅鋼線或鋁包鋼線，這種新型的光纖復合架空地線也具有重量輕、強度高、低弛度、耐腐蝕、低線損的特點。碳纖維復合材料的優(yōu)勢突出體現(xiàn)它在大截面、大芯數(shù)的OPGW中的應用。下面是這種使用新材料的OPGW的結構圖。


碳纖維復合材料在OPGW中的應用

光纖復合架空地線（OPGW）是架空導線和光纖的復合體，具有傳輸電能和通信的雙重功能。隨著碳纖維復合材料在架空導線的應用，光纖復合架空地線中使用碳纖維復合材料也將是指日可待的事情。由于碳纖維復合材料取代了鍍鋅鋼線或鋁包鋼線，這種新型的光纖復合架空地線也具有重量輕、強度高、低弛度、耐腐蝕、低線損的特點。碳纖維復合材料的優(yōu)勢突出體現(xiàn)它在大截面、大芯數(shù)的OPGW中的應用。下面是這種使用新材料的OPGW的結構圖。

從結構圖中可以看出，這種OPGW的外層就是光纖復合材料芯架空導線，光單元處于導線的中心，幾乎等于架空導線和光單元的簡單相加，因此結構設計將非常簡單。對于大芯數(shù)和大截面的OPGW來說，只要增加碳纖維復合材料芯的內(nèi)徑，增加鋁或鋁合金單線的根數(shù)和直徑就可以了。其絞線設備也不在需要專用的OPGW設備，使用普通的鋼芯鋁絞線的絞線機就可以了，當然鋁或鋁合金單線的預成型裝置是必不可少的。


（三）在高低溫、腐蝕等苛刻環(huán)境應用的可能
碳纖維細如蛛絲，三型碳纖維比強度是鋼的62倍以上，成形工藝性好，是一代新型工程材料，其彈性量高，抗變性能力比鋼大2倍多，抗拉強度30～40t/cm2pa,而比重還不到鋼的四分之一，是鋁合金的二分之一，高彈模量比鋼鐵大16倍，比鋁合金大12倍。且碳纖維比鋼等柔軟。因此，碳纖維可用于要求能承重、不易損傷內(nèi)部元件的電纜的加強芯，如海底光纜等。
碳纖維可以耐－180℃的低溫，在此條件下，許多材料都變的很脆，連堅固的鋼鐵也變的比玻璃還容易碎，而碳纖維在此條件下依舊很柔軟。因此，碳纖維復合芯可用于極寒（如南極考察研究等）條件下輸電載體的設計和制造。
碳纖維又可以耐3000℃～3500℃的高溫，在此高溫下最好的耐熱鋼也變成鋼水，但在沒有氧氣的情況下，碳纖維沒有變化。碳纖維即使從3000℃的高溫快速冷卻到室溫也不會炸裂，因而可在急冷急熱的環(huán)境中工作。這為鋼鐵、冶金、鍋爐等行業(yè)中高溫特高溫場合電纜的設計提供了可能。此外，碳纖維紗、碳纖維繩、碳纖維布都可用于消防電纜產(chǎn)品的設計選用。 123,123
碳纖維有超強的耐腐蝕性。金屬中耐腐蝕性最強的是黃金和鉑，在一份硝酸（濃度70％）和三份硫酸（濃度39％）配成的稱“王水”的溶液中黃金、鉑會被腐蝕的千瘡百孔，而“王水”中的碳纖維卻安然無恙。為各種化學環(huán)境下輕型耐化學腐蝕電纜的設計提供了新的思路。

四、發(fā)展建議

碳纖維材料的產(chǎn)業(yè)化是實現(xiàn)碳纖維導線在國內(nèi)輸電行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化的前提和保證。碳纖維材料價格則是制約產(chǎn)業(yè)化應用的關鍵。
我國從八十年代初期開始起步，加大了對碳纖維材料的研究和開發(fā)力度，并也著力于碳纖維材料產(chǎn)業(yè)化基地的建設，但由于國外設備、技術封鎖，至今未見重大突破，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定性，預計今后每年至少一萬噸的缺口。
２０００年前碳纖維材料的價格水平為５萬美圓／噸左右，比鋁的價格要高２０倍多。但是近兩年，由于國際政治形勢和軍事格局的變化，碳纖維材料價格受其影響，大幅度上升。這無疑都將對我國現(xiàn)代化的建設成本形成巨大的壓力和負擔。最近，我國福建電網(wǎng)從美國復合材料工程公司（CTC）購置了60公里ACCC導線（鋁導體復合芯架空導線）應用在福建省廈門和福州電網(wǎng)中，其價格水平為１５萬元人民幣／公里。這比我們一直使用的鋼芯鋁絞線的價格要高幾倍。
各科研院所應進一步加大碳纖維材料的基礎應用研究和開發(fā)，建立我國自主知識產(chǎn)權，實現(xiàn)碳纖維材料的質(zhì)量穩(wěn)定，降低成本。同時要采用國家投入和民間投入相結合的方式，加大碳纖維在航天和軍工以外的民品應用，有助于碳纖維產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。
最近，我國國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨重大機遇。遼寧圣華科技有限公司落戶撫順經(jīng)濟開發(fā)區(qū)后，可以把現(xiàn)有撫順部分企業(yè)培育成碳纖維及復合材料的龍頭企業(yè)，發(fā)揮其帶動和輻射功能，把撫順建設成為全國碳纖維研發(fā)基地和產(chǎn)業(yè)基地。
目前我國電線電纜研究所、電力建筑研究院以及國家電網(wǎng)有限公司都已經(jīng)開始了對ACCC導線的試驗研究工作。
希望國內(nèi)同行積極研究和開發(fā)，為加快碳纖維復合材料在我國線纜行業(yè)應用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展共同努力。