碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在電線電纜

一、碳纖維復(fù)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(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗疲勞、導(dǎo)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(yīng)用于航天、航空和軍事領(lǐng)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(lǐng)域上的重要應(yīng)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(lǐng)域。在機(jī)械電子、建筑材料、文體、化工、醫(yī)療等各個領(lǐng)域碳纖維有著無可比擬的應(yīng)用優(yōu)勢。



碳纖維是50年代初應(yīng)火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)技術(shù)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(shù)上是又一次飛躍，同時也標(biāo)志著碳纖維的研究和生產(chǎn)已進(jìn)入一個高級階段。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，碳纖維及其復(fù)合材料已從初創(chuàng)期轉(zhuǎn)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(shù)力量薄弱，雖然碳纖維及其復(fù)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(shù)，國防和民用碳纖維產(chǎn)品基本依賴進(jìn)口。

二、碳纖維復(fù)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(xué)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(dǎo)電、導(dǎo)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(qiáng)度，且碳纖維比重小。

1、碳纖維的化學(xué)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(xué)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(rèn)識的碳素材料的特征之一。除強(qiáng)氧化性酸等特殊物質(zhì)外，在常溫常壓附近，幾乎為化學(xué)惰性?？梢哉J(rèn)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(xué)變化。根據(jù)有關(guān)資料介紹，從碳素材料的化學(xué)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(jié)構(gòu)，因此氣孔率高達(dá)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(lǐng)域的應(yīng)用。 123456

2、碳纖維的物理性能
（a） 熱學(xué)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(yīng)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(dǎo)熱性質(zhì)
碳素材料熱傳導(dǎo)機(jī)理并不依賴于電子，而是依靠晶格振動導(dǎo)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(guān)資料介紹，普通的碳素材料導(dǎo)熱系數(shù)極高，平行于晶粒方向的導(dǎo)熱系數(shù)可與黃銅媲美。
（c） 電學(xué)性質(zhì)
碳素材料電學(xué)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(guān)，石墨的電子能帶結(jié)構(gòu)和載流子的種類及其擴(kuò)散機(jī)理決定了上述性質(zhì)。碳素材料這類電學(xué)性質(zhì)具有本征半導(dǎo)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(guān)。

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(fù)合，做成結(jié)構(gòu)材料。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復(fù)合材料都頗具優(yōu)勢。
由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，由于其比重小、剛性好和強(qiáng)度高而成為一種先進(jìn)的航空航天材料。
最神奇的應(yīng)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(jié)碳纖維復(fù)合材料的現(xiàn)實應(yīng)用有以下幾個方面：
（1）宇航工業(yè) 用作導(dǎo)彈防熱及結(jié)構(gòu)材料如火箭噴管、鼻錐、大面積防熱層；衛(wèi)星構(gòu)架、天線、太陽能翼片底板、衛(wèi)星-火箭結(jié)合部件；航天飛機(jī)機(jī)頭，機(jī)翼前緣和艙門等制件；哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的測量構(gòu)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(jié)構(gòu)材料，如主翼、尾翼和機(jī)體；次承力構(gòu)件，如方向舵、起落架、副翼、擾流板、發(fā)動機(jī)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(gòu)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(dá)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(shè)跨度大的管線、海水和水輪結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)筋、地板、窗框、管道、海洋浮桿、面狀發(fā)熱嵌板、抗震救災(zāi)用補(bǔ)強(qiáng)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(jī)的床板和膠卷盒。編織機(jī)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(yīng)用。 本文來自123

三、碳纖維復(fù)合材料在電線電纜中的應(yīng)用

碳纖維以其固有的特性賦予了其復(fù)合材料優(yōu)異的性能，它具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)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(yīng)用提供了可能和必然。

（一）碳纖維加熱電纜的開發(fā)和應(yīng)用
人們早就知道，以金屬材料為發(fā)熱體的電加熱技術(shù)已在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(fù)荷，因此易燒斷。在相同的允許的電流負(fù)荷面積下，金屬絲的強(qiáng)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(jié)構(gòu)組成，是一種全黑體材料，因此在電熱應(yīng)用中，表現(xiàn)出來的電熱轉(zhuǎn)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(fù)荷強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度不發(fā)生改變。
目前碳纖維加熱電纜的應(yīng)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(jī)場跑道化雪：用于混凝土結(jié)構(gòu)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(jìn)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(yīng)用。其應(yīng)用領(lǐng)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(bǔ)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(dǎo)致太陽能熱水器水溫不能滿足生活、工程需要時，為補(bǔ)充熱能而設(shè)計的。它具有較強(qiáng)的耐酷暑、嚴(yán)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(fù)合芯導(dǎo)線的開發(fā)和應(yīng)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(kuò)容的需求，由于過負(fù)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(dǎo)線，以取代傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線由此應(yīng)運而生。
與鋼芯鋁絞線相比，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)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(dá)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(dǎo)體。 123,123
７、高強(qiáng)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(gòu)造安全、環(huán)保、高效節(jié)約型輸電網(wǎng)絡(luò)。
目前世界上只有美國和日本開發(fā)出這種新型導(dǎo)線，他們還達(dá)成默契：不向第三國輸出，日本一家碳纖維導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)到中國生產(chǎn)，積極推動我國架空輸電線路的技術(shù)革命。最近福建電網(wǎng)已經(jīng)將該新型導(dǎo)線架設(shè)運行。

碳纖維復(fù)合材料在架空導(dǎo)線中的應(yīng)用
碳纖維是一種具有耐熱好、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、高模量的特種纖維材料，上世紀(jì)九十年代以來美國和日本先后成功將碳纖維應(yīng)用在架空導(dǎo)線中，其開發(fā)的碳纖維復(fù)合材料芯架空導(dǎo)線具有重量輕、強(qiáng)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(fù)合材料芯架空導(dǎo)線，以取代傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線。用于架空導(dǎo)線的碳纖維復(fù)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(fù)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(fù)合材料芯鋁絞線的強(qiáng)度為鋼芯鋁絞線的2倍，因采用碳纖維復(fù)合材料芯比重僅為鋼芯的1/4，可降低架線鐵塔負(fù)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(fù)合材料在OPGW中的應(yīng)用
光纖復(fù)合架空地線（OPGW）是架空導(dǎo)線和光纖的復(fù)合體，具有傳輸電能和通信的雙重功能。隨著碳纖維復(fù)合材料在架空導(dǎo)線的應(yīng)用，光纖復(fù)合架空地線中使用碳纖維復(fù)合材料也將是指日可待的事情。由于碳纖維復(fù)合材料取代了鍍鋅鋼線或鋁包鋼線，這種新型的光纖復(fù)合架空地線也具有重量輕、強(qiáng)度高、低弛度、耐腐蝕、低線損的特點。碳纖維復(fù)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(yīng)用。下面是這種使用新材料的OPGW的結(jié)構(gòu)圖。


碳纖維復(fù)合材料在OPGW中的應(yīng)用

光纖復(fù)合架空地線（OPGW）是架空導(dǎo)線和光纖的復(fù)合體，具有傳輸電能和通信的雙重功能。隨著碳纖維復(fù)合材料在架空導(dǎo)線的應(yīng)用，光纖復(fù)合架空地線中使用碳纖維復(fù)合材料也將是指日可待的事情。由于碳纖維復(fù)合材料取代了鍍鋅鋼線或鋁包鋼線，這種新型的光纖復(fù)合架空地線也具有重量輕、強(qiáng)度高、低弛度、耐腐蝕、低線損的特點。碳纖維復(fù)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(yīng)用。下面是這種使用新材料的OPGW的結(jié)構(gòu)圖。

從結(jié)構(gòu)圖中可以看出，這種OPGW的外層就是光纖復(fù)合材料芯架空導(dǎo)線，光單元處于導(dǎo)線的中心，幾乎等于架空導(dǎo)線和光單元的簡單相加，因此結(jié)構(gòu)設(shè)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(fù)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(shè)備也不在需要專用的OPGW設(shè)備，使用普通的鋼芯鋁絞線的絞線機(jī)就可以了，當(dāng)然鋁或鋁合金單線的預(yù)成型裝置是必不可少的。


（三）在高低溫、腐蝕等苛刻環(huán)境應(yīng)用的可能
碳纖維細(xì)如蛛絲，三型碳纖維比強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(fù)合芯可用于極寒（如南極考察研究等）條件下輸電載體的設(shè)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(shè)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(shè)計選用。 123,123
碳纖維有超強(qiáng)的耐腐蝕性。金屬中耐腐蝕性最強(qiáng)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(xué)環(huán)境下輕型耐化學(xué)腐蝕電纜的設(shè)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(dǎo)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(yīng)用的關(guān)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(shè)，但由于國外設(shè)備、技術(shù)封鎖，至今未見重大突破，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定性，預(yù)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(shè)成本形成巨大的壓力和負(fù)擔(dān)。最近，我國福建電網(wǎng)從美國復(fù)合材料工程公司（CTC）購置了60公里ACCC導(dǎo)線（鋁導(dǎo)體復(fù)合芯架空導(dǎo)線）應(yīng)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(yīng)進(jìn)一步加大碳纖維材料的基礎(chǔ)應(yīng)用研究和開發(fā)，建立我國自主知識產(chǎn)權(quán)，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(jié)合的方式，加大碳纖維在航天和軍工以外的民品應(yīng)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(jī)遇。遼寧圣華科技有限公司落戶撫順經(jīng)濟(jì)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(fù)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(shè)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(dǎo)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(fù)合材料在我國線纜行業(yè)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展共同努力。