基于碳纖維導線壓接特性與金具選型的研究

姜廣東，嚴行建，宋丹，仝娜，嚴曉威

(1.南京電力金具設計研究院，江蘇南京210037；2.江蘇省宏源電力建設監理有限公司，江蘇南京210024；3.江蘇易鼎電力科技有限公司，江蘇宿遷223800；4.遠東復合技術有限公司，江蘇宜興214257)

近年來，碳纖維復合芯導線在國內外輸電工程中廣泛使用，國內近200多個改造增容工程采用該導線，可降低成本，降低線損，提高輸電容量，節省通道資源，有助于構造安全、環保、高效節能型輸電網絡，具有較好的社會效益和經濟效益，其配套電力金具同樣具有良好的前景[1]。碳纖維復合芯導線由于其結構的特殊性，常用的耐張線夾和接續管不宜使用，而是采用一種利用楔型自鎖原理的耐張線夾和接續管，其結構是將常規壓接鋼管改為楔型自鎖式新型耐張線夾和接續管[2]。目前國內生產和正在研制上述2種金具的有不少廠家，其中江蘇宇飛電力科技有限公司對金具進行了獨特的改進，有效縮短了金具尺寸，形成自有專利，并通過中電聯的鑒定，已在多條線路工程中成功應用[3]。

1 碳纖維復合芯導線結構及生產工藝

1.1 碳纖維復合芯導線結構

碳纖維復合芯導線結構如圖1所示，其芯線是由碳纖維為中心層，高模量高強度S型玻璃纖維外包浸漬高溫度模量樹脂固化制成的單根芯棒或多根絞合復合芯棒，鋁線股為T型截面[4]。

1.2 碳纖維復合芯生產工藝

1.2.1 主要原材料

碳纖維復合芯是由碳纖維和玻璃纖維或其他纖維通過拉擠成型的方式制成的單根芯棒，碳纖維通過耐火處理、碳化而成；高強度、高韌性配方的環氧樹脂具有很強耐沖擊性、耐抗拉應力和彎曲應力。將碳纖維與玻璃纖維進行預拉伸后，用環氧樹脂浸漬，然后在模具中高溫固化成型為復合材料芯線[5]。其主要原材料如表1所示。

表1 主要原材料

1.2.2 復合芯生產工藝流程及存在缺陷

復合芯采用拉擠工藝如圖2所示，將樹脂、固化劑、促進劑、填料等按一定比例混合，用攪拌機攪拌均勻后，注入樹脂浸槽，纖維浸漬樹脂后進入模具連續固化成型。一般來說，碳纖維占35%，玻璃纖維占35%，增韌環氧樹脂占30%。將碳纖維整經，單向（0°）集束，在線浸漬韌性環氧樹脂溶液，然后包覆玻璃纖維，通過鋼制模口，控制其直徑，然后在260℃固化成型，整個工藝為連續制造。這種拉擠工藝使纖維產生拉伸微型裂紋，樹脂固化過程因攪拌時灰塵、水氣等雜物的侵入，固化層內易產生夾雜、氣泡和孔洞等宏觀缺陷。一旦受力超過極限應力，如壓縮應力等作用，這些缺陷因復合材料徐變特性，缺陷隨時擴大而至破斷，故壓縮型電力金具不能應用于碳纖維復合芯導線。

2 復合芯的壓縮性能

應用壓縮性能的力學原理分析，當復合芯受壓時，纖維片和樹脂片都將受到壓力，纖維片可能出現失穩現象，受著樹脂的橫向支撐，相當于在彈性基礎上的桿件失穩問題。失穩的基本形式有2種，一是相鄰兩纖維片反向屈曲，此時樹脂承受橫向拉壓應力，稱為拉伸型失穩；二是相鄰兩纖維片同向屈曲，此時樹脂受著剪應力，稱為剪切型失穩[6]。

由于壓縮的不確定性，再采用較大壓縮外力，構件受力更為復雜，其后果難以預測，故不宜采用壓縮型電力金具。

3 碳纖維、玻璃纖維和環氧樹脂共性及性能

3.1 強度和彈性性能的可設計性

碳纖維復合芯是由樹脂、玻璃纖維和碳纖維組成，玻璃纖維和碳纖維的強度或彈性模量比樹脂的強度或彈性模量高幾十倍，而玻璃纖維和碳纖維在宏觀范圍內是單向強度的材料，所以玻璃鋼和碳纖維的強度或彈性模量在相當程度上取決于所含的玻璃纖維量和碳纖維分布的方向，可在一定程度上設計出各種強度和彈性性能的產品。一般來說，可以設計成3種類型：一是準各向同性材料，二是2個垂直方向上有較高強度或彈性模量的正交各向異性材料，三是在一個方向上有特高強度的單向性材料。單向性材料主要可用作拉力構件如電線芯等，但其共性是受剪應力較低，故受到壓縮突變剪應力時，構件隨時會損壞。

3.2 主要缺陷

碳纖維復合芯具有復合材料共同優勢之外，和所有復合材料一樣也存在一些嚴重影響使用性能的缺陷。

（1）復合芯的應力應變是線性的，破壞的概率單調遞增[6]。復合芯的缺陷是有一定的脆性，Griffith破壞理論認為：它的應力應變曲線直到破壞是線性的。股紗的應力應變曲線，則由于單纖維受力的不一致以及單纖維強度的不一致，呈現了一個逐步斷裂的過程，直到殘留的纖維不能承擔最大的荷載時全部破壞。而這種破壞的概率，Weiball認為：隨著應力的增加，破壞的概率是單調遞增的，其概率集度函數為：

式中：σ≥0，β＞0，為形狀函數；α＞0，為特性函數。在強度＜σ時破壞概率為：

兩位專家共同認為，這是由于材料中自身存在著微裂縫或缺陷而產生高度集中應力使材料的宏觀強度不斷降低，最終導致材料破壞[6]。

強度試驗也證明，復合芯的破壞常常先是樹脂開裂，然后再是纖維的斷裂。壓縮型電力金具在壓縮時產生的集中應力，使復合芯產生微裂，該產品設計是不合理的。

（2）復雜的疲勞損壞，破壞過程較長。疲勞破壞可以認為是材料內的裂縫形成和擴展的過程。對復合芯這類復合材料來說，問題更為復雜，一般說來，破壞首先開始于樹脂和纖維界面的個別點上，這時在材料內已形成了微裂縫，這些微裂縫的進一步擴展，將使部分纖維斷裂，裂紋擴展到相鄰的纖維和樹脂的界面上，或者出現較大區域的分層脫膠，這時試件的承載能力下降，阻尼增高，振幅減小，頻率降低，最后導致大量纖維斷裂或大區域的分層而破壞。整個疲勞損壞的過程是較長的，裂縫發展速度較慢。這就是壓縮型電力金具在壓縮后產生微裂而試驗時力學性能合格原因所在。

（3）復合材料的徐變性能。當材料受到一恒定載荷的作用時，除了初始的瞬時變形外，隨著時間的增長，變形也隨著增加，這種現象稱為徐變[6]。影響徐變性能的因素較多，主要有受力形式（拉、壓、彎扭）、載荷方向、應力大小和溫度等[6]。復合材料的徐變有如下規律。

①當主應力方向平行于徑向或緯向纖維時，無論是拉伸還是彎曲徐變，其徐變量都較小，初始應變與徐變試驗結束時的最終應變的比值都在0.7以上（復合材料）。

②當主應力方向與經緯向成一定角度時，隨著角度的增加而增大，當成45°時，徐變較激劇，拉伸徐變總應變約為初始應變的3倍。徐變不僅與時間有關，而且與應力的大小有關，在30%靜強度的應力作用下，徐變總撓度約為初始撓度的5倍半。

③當應力大于靜強度的50%時，試件相繼發生徐變破壞，隨著應力的增大，徐變時間相應縮短，即材料的持久強度隨著時間的增長而降低。對同一種復合材料來說，盡管所受的應力不一樣，但徐變破壞時的總應變值基本相同，隨時間延長而變大。

當壓縮型電力金具應用于碳纖維復合芯導線，復合芯徐變特征完全相同。故壓縮型電力金具在復合芯導線試驗時，雖然復合芯受到破壞，產生微裂紋，但力學性能仍為合格。當第一模壓完后，發生單向突變（如圖3所示），應力也產生了一定的角度。隨著時間推移，很難不出現斷裂安全事故。故壓縮型電力金具不能應用于碳纖維復合芯導線。

4 碳纖維復合芯壓縮后微觀變化

根據文獻，鋼壓接管壓接后，伸長率為12%～15%，內徑縮小10%～15%[7]，大于碳纖維復合芯3.5%綜合延伸率，故碳纖維復合芯的玻璃纖維、碳纖維和樹脂壓縮后將產生各種數量不同和形狀各異的微裂。

4.1 復合芯中纖維微裂機理

通常采用透射電鍍（TEM）和掃描電鍍（SEM）研究碳纖維復合芯中碳纖維的微裂機理、缺陷類型和強度分散性。

復合芯中碳纖維在壓縮后，單根碳纖維產生突變牽伸點或細頸點，急劇變形，微裂劇增，如圖3所示，這種急劇變形嚴重影響復合芯力學特性。

其最典型的是拉伸斷裂，拉伸斷裂與錯排晶體有關[8]。錯排晶體是指晶體取向不是平行纖維軸，而是偏離纖維軸。一是受到剪切應力難以釋放出來，形成了垂直于纖維軸方向的應力集中點，其方向上增值發展，也可能穿過相鄰層面轉移和釋放剪切應力，最終導致纖維斷裂。二是隨著應力繼續增加，當裂紋尺寸超過臨界值時發生破壞性斷裂。

4.2 碳纖維微觀的缺陷類型

碳纖維微觀缺陷大體可分為表面缺陷和內部缺陷兩大類。同樣大小的缺陷，表面缺陷對其拉伸強度的影響要大于內部缺陷[8]。

（1）碳纖維表面缺陷。表面缺陷主要有微圓斑沉和物、微劃傷和劃痕以及微外裂紋。

（2）碳纖維內部缺陷。內部缺陷主要有，一是內微裂紋，如晶間裂紋；二是纖維徑向和軸向微裂紋，這些微裂紋和缺陷形成是制造時壓伸過頭和刺傷所致，其形狀各異。犬牙交錯的徑向裂紋，三重徑向裂紋；上下已錯位裂紋等。

4.3 格拉菲斯微裂紋理論

纖維和固化劑等屬于脆性材料，其拉伸強度受控于各類缺陷，缺陷愈大，強度愈低，服從于Griffith微裂紋理論，即：

式中：C為基平面裂紋的尺寸（半徑）；γ為表面自由能（4.2 J/m2）；E為楊式模量。

式（3）是脆性材料斷裂力學的基礎。此式把脆性材料中存在的裂紋等缺陷與拉伸強度關聯在一起，拉伸強度隨著裂紋尺寸的增加而降低，符合實際情況。因此，在生產碳纖維復合芯的過程中，采取各種技術措施降低和消除各種缺陷，以提高碳纖維復合芯的拉伸強度[8]。

用電子顯微鏡從微觀來研究復合芯中碳纖維微裂機理，缺陷類型和強度分散性等以及格拉菲斯微裂紋理理論，都證明碳纖維復合芯導線不宜使用壓縮型電力金具。

5 結束語

綜上所述，碳纖維復合芯導線應用于輸電線路工程時，不宜采用壓縮型接續管和耐張線夾，只能使用楔型結構的接續管和耐張線夾。輸電線路上已經采用碳纖維導線壓縮型電力金具的，理應全部更換為楔型電力金具，以免造成輸電線路安全事故。

[1] 嚴行建，王澄.ACCC導線的應用和金具的研制[J].電網與水利發電進展，2008（06）：06-11.

[2] 葉鴻聲，黃偉中，王彬.碳纖維復合芯導線在跨越增容改造工程中應用探討[C].新型架空輸電線技術與應用研討會論文集，2010.

[3] 何州文，陳新，王秋玲，等.國內碳纖維復合芯導線的研究和應用綜述[J].電力建設，2010，31（4）：90-93.

[4] 尤傳永.架空輸電線新型復合材料合成導線的開發和研究[J].電力建設，2004，25（11）：1-6.

[5] 王新營，嚴波，等.架空導線用50kV碳纖維增強復合芯的性能研究[C].新型架空輸電線技術與應用研討會論文集，2010.

[6] 上海玻璃結構研究所.玻璃鋼結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，1980.

[7] 程應鏜.送電線路金具的設計安裝試驗和應用[M].北京：水利電力出版社，1989.

[8] 賀福.碳纖維及石墨纖維[M].北京：化學工業出版社，2010.