架空導(dǎo)線用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯現(xiàn)狀及未來

王煦 秦凱 黃國飛

關(guān)鍵詞：架空導(dǎo)線，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料芯，纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料芯，老化性能

0 引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯相比于鍍鋅鋼線、鋁包鋼線等傳統(tǒng)金屬加強(qiáng)芯材料，具有強(qiáng)度高、密度小、低膨脹、耐腐蝕等顯著優(yōu)勢[1-3]。自20世紀(jì)90年代起，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯開始廣泛應(yīng)用于架空導(dǎo)線領(lǐng)域[4-6]。

本文梳理了架空導(dǎo)線用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯的發(fā)展歷程和技術(shù)邏輯，指出了當(dāng)前應(yīng)用和研究中存在的不足之處，以期進(jìn)一步推進(jìn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯在架空導(dǎo)線領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯分類

根據(jù)基體材料和纖維材料不同，當(dāng)前架空導(dǎo)線用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯可以分為兩大類：樹脂基碳纖維復(fù)合材料芯和鋁基陶瓷纖維復(fù)合材料芯，兩類材料由于不同的物理特性，先后經(jīng)歷了不同的發(fā)展脈絡(luò)（如圖1所示）。

1.1 鋁基陶瓷纖維復(fù)合材料芯

鋁基陶瓷纖維復(fù)合材料芯，是由3M公司于2001年研發(fā)的一種新型加強(qiáng)芯材料[7]。其結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示：多根芯線同心排列，不絞合，外部采用具有粘性的金屬織物纏繞包裹[8]。單根芯線斷口如圖2（b）所示，可見芯線內(nèi)部由上萬根截面呈圓角矩形的陶瓷纖維無規(guī)則彌散分布在鋁基體中，每根陶瓷纖維寬度約為7.5μm，長軸約為16μm。圖2（c）所示為鋁基陶瓷纖維芯的內(nèi)部缺陷，可見芯線內(nèi)部，廣泛存在由于陶瓷纖維與鋁液浸潤效果不佳造成的孔隙。陶瓷材料自身伸長率較低，疊加廣泛存在于產(chǎn)品內(nèi)部的孔隙缺陷，使得這種理論上完美的加強(qiáng)芯材料伸長率很低。根據(jù)ASTM B976-21要求，鋁基陶瓷纖維復(fù)合材料芯線的基本物理性能見表1。

對3M公司生產(chǎn)的某標(biāo)稱直徑為1.9mm的鋁基陶瓷纖維復(fù)合材料芯進(jìn)行各項性能測試，實測結(jié)果見表1。可見抗拉強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)要求，斷后伸長率則顯著低于標(biāo)準(zhǔn)要求的0.65%，線膨脹系數(shù)、彈性模量、密度和體積電阻率與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)基本一致[7]。

1.2 樹脂基碳纖維復(fù)合材料芯

樹脂基碳纖維復(fù)合材料芯的常見結(jié)構(gòu)如圖3所示，可分為棒式、絞合式、金屬包覆式等。

1.2.1 碳纖維復(fù)合材料芯棒

碳纖維復(fù)合材料芯棒于2002年由CTC公司開發(fā)成功，并于2004年制備完成ACCC導(dǎo)線，掛網(wǎng)投入商用[1]。其結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示：外層包覆玻璃纖維，芯部為碳纖維，采用耐高溫樹脂浸潤后，經(jīng)過模具加熱、固化，拉拔成型[8]。該產(chǎn)品在我國的應(yīng)用，可追溯至2006年，由遠(yuǎn)東復(fù)合技術(shù)有限公司引入CTC產(chǎn)品和技術(shù)，生產(chǎn)制造了我國首條商用ACCC架空導(dǎo)線，在福建龍巖掛網(wǎng)運(yùn)行[9]。

碳纖維復(fù)合材料芯棒，具有高強(qiáng)度、低密度、低膨脹、耐腐蝕的優(yōu)良特性，但是其抗彎折、抗沖擊性能較差，施工性能不佳，需要特制連接金具。這導(dǎo)致芯棒及導(dǎo)線在生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工過程中，極易因外力沖擊或操作不當(dāng)造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷。如圖4所示，某芯棒受到外力沖擊后，受損玻璃纖維和環(huán)氧樹脂碎裂，從基體剝離，內(nèi)部碳纖維芯碎裂成多個小塊，嚴(yán)重破壞了材料整體的力學(xué)性能，使其在遠(yuǎn)低于計算拉斷力的負(fù)荷下發(fā)生了斷裂[10]。

為了提高碳纖維復(fù)合材料芯棒抗沖擊、抗彎折性能，改善其施工性能，國內(nèi)外各廠商從制備工藝入手，提出了眾多不同的技術(shù)路線，主要包括：絞合式碳纖維復(fù)合材料芯和金屬包覆式碳纖維復(fù)合材料芯。

1.2.2 絞合式碳纖維復(fù)合材料芯

絞合式碳纖維復(fù)合材料芯，目前主要有兩種構(gòu)型，其結(jié)構(gòu)如圖3（b）和圖3（c）所示。圖3（b）所示碳纖維復(fù)合材料芯，采用高分子材料繞包后絞合，并采用環(huán)氧樹脂粘結(jié)固化，顯著改善了復(fù)合材料芯的抗彎折和抗沖擊性能，可承受40D（D為復(fù)合材料芯標(biāo)稱外徑）卷繞，而不斷裂，卷繞后材料的力學(xué)性能不產(chǎn)生任何衰減[11，12]。圖3（c）所示碳纖維復(fù)合材料芯，多股碳纖維棒大節(jié)距絞合，外部采用高分子材料粘結(jié)[13]。

當(dāng)受到外力擠壓時，此類復(fù)合材料芯各線股產(chǎn)生錯位，變形，高分子材料隨之變形，而不是線股開裂，當(dāng)外力卸除后，由于高分子材料良好的粘結(jié)性和彈性變形特性，絞合結(jié)構(gòu)迅速恢復(fù)。當(dāng)受到?jīng)_擊時，這種高分子黏連結(jié)構(gòu)能夠較好吸收沖擊能量，且絞合結(jié)構(gòu)能夠限制斷裂發(fā)生在某根線股或某幾根，而不至整個絞合材料發(fā)生斷裂。

1.2.3 金屬包覆式碳纖維復(fù)合材料芯

金屬包覆式碳纖維復(fù)合材料芯，結(jié)構(gòu)如圖3（d）和圖3（e）所示。圖3（d）所示材料是在圖3（a）所示碳纖維復(fù)合材料芯棒，或無玻纖層的芯棒外部，采用焊接工藝，包覆一層軟鋁材料[14]。圖3（e）所示材料是在碳纖維復(fù)合材料外部，采用焊接工藝，包覆一層不銹鋼，并經(jīng)特制模具成型后絞制，形成兼具金屬包覆特征和絞合特征的復(fù)合材料芯，通過這種工藝，能夠極大改善碳纖維復(fù)合材料芯的抗彎曲性能，廠商宣稱其可耐受25D卷繞[15]。

各類樹脂基碳纖維復(fù)合材料芯的性能參數(shù)見表2，對各類樹脂基碳纖維復(fù)合材料芯進(jìn)行徑向耐壓試驗，試驗后各自端面如圖5所示。可見對于棒式碳纖維材料[16]和包覆了軟鋁層的碳纖維棒，當(dāng)壓縮力值超過某一閾值后，芯棒瞬間碎裂；而對于絞合式碳纖維復(fù)合材料芯，在壓縮過程中，結(jié)構(gòu)變形占據(jù)主導(dǎo)地位，并能限制碎裂在一定范圍內(nèi)，顯著改善了材料的抗壓性能。

1.2.4 碳纖維復(fù)合材料芯的新應(yīng)用場景

如上文所述，碳纖維復(fù)合材料芯在使用過程中抗沖擊、抗彎折性能較差，且生產(chǎn)、施工過程中難以發(fā)現(xiàn)已產(chǎn)生的斷裂隱患。為了解決該問題，一些廠商在絞合式碳纖維復(fù)合材料芯的每根芯棒內(nèi)部，預(yù)埋了光纖（如圖6所示）。絞合結(jié)構(gòu)，較好改善了復(fù)合芯的彎曲性能，內(nèi)部光纖，可以便捷地監(jiān)測斷股情況：當(dāng)復(fù)合材料芯受到?jīng)_擊斷裂時，光纖隨之?dāng)嗔眩盘栂В辉谡＿\(yùn)行時，該光纖搭配相應(yīng)信號接收裝置，可用于通信和應(yīng)變監(jiān)測[17]。

2 當(dāng)前研究和應(yīng)用的不足之處與解決辦法

2.1 老化性能及其失效機(jī)理研究缺失

相較于鍍鋅鋼線或鋁包鋼線等傳統(tǒng)加強(qiáng)芯材料，復(fù)合材料芯的應(yīng)用歷史很短，各種環(huán)境因素及老化條件對材料性能的影響研究尚顯不足。目前對樹脂基碳纖維復(fù)合材料的老化性能研究主要集中在紫外光照射，酸、堿、鹽環(huán)境條件，熱效應(yīng)，熱應(yīng)力等因素對碳纖維復(fù)合材料芯的力學(xué)性能影響[18-23]。上述研究從一定程度說明了碳纖維復(fù)合材料芯在不同老化環(huán)境下力學(xué)性能的變化情況，但并未從材料結(jié)構(gòu)變化等深層次說明力學(xué)性能變化的原因。且當(dāng)前的研究，均基于人工加速老化，測試周期普遍較短，與自然條件偏差較大，因此所呈現(xiàn)研究和測試結(jié)果與現(xiàn)狀差異顯著。圖7所示為一軸碳纖維復(fù)合材料芯棒，在露天條件下自然放置10年后的狀態(tài)，可見該芯棒已多處明顯脆性斷裂，顯著不同于文獻(xiàn)所述實驗室人工老化試驗結(jié)果。

鋁基陶瓷纖維復(fù)合材料芯，相比于鋁包殷鋼線，其熱膨脹系數(shù)較大，導(dǎo)線金具需特制；相比于樹脂基碳纖維復(fù)合材料芯，其密度較大、強(qiáng)度較低。綜合性能沒有顯著優(yōu)勢[24]，且該材料制造工藝復(fù)雜[25-27]，長期由3M公司壟斷，導(dǎo)致該產(chǎn)品價格居高不下，其應(yīng)用少之又少[28]。因此我們亟需加強(qiáng)基礎(chǔ)材料研究，掌握相關(guān)制造工藝，降低生產(chǎn)、使用成本，同時加強(qiáng)對其老化性能研究，以保障現(xiàn)有路線運(yùn)行安全。

近年來，先后發(fā)生了多起碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線斷線事故，且大多發(fā)生在距離耐張塔20m左右[29-30]。一些學(xué)者對此現(xiàn)象進(jìn)行了分析，指出芯棒斷裂發(fā)生在導(dǎo)線斷裂之前，并據(jù)此提出了預(yù)防性措施[29]。一些學(xué)者將服役后斷裂導(dǎo)線芯棒與未服役芯棒性能進(jìn)行了分析測試和比較，最終將芯棒斷裂歸咎于線路運(yùn)行中的微動損傷[30]。上述研究并未明確為什么導(dǎo)線芯棒斷裂于此，并缺乏從導(dǎo)線和芯棒的制造、運(yùn)輸、施工、運(yùn)行的全周期整體考慮，僅僅從運(yùn)行過程考慮，必然得出片面、甚至錯誤結(jié)論。因此亟需加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，做到知其然，知其所以然。

2.2 測試和表征方案單一

目前對纖維增強(qiáng)材料的性能表征主要集中于力學(xué)性能，即抗拉強(qiáng)度、彈性模量、卷繞性能等參數(shù)，對于材料的環(huán)境老化特性，施工特性的測試方法和表征方案較為欠缺。具體表現(xiàn)為：環(huán)境老化試驗后，僅以芯棒的力學(xué)性能變化情況說明材料的變化[22]；施工特性試驗，僅以機(jī)具對導(dǎo)線力學(xué)性能的影響為判據(jù)[31]。然而，力學(xué)性能的變化原因和機(jī)理，卻鮮有研究。

理論研究的滯后，導(dǎo)致復(fù)合材料芯導(dǎo)線在應(yīng)用過程中屢屢出現(xiàn)各種問題[29，30]，分析原因時總是浮于現(xiàn)狀，缺乏深究根本原因，這進(jìn)一步削弱了用戶對碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的信心，制約了復(fù)合材料芯導(dǎo)線應(yīng)用。因此，亟需對復(fù)合材料芯及導(dǎo)線制品開展更深入研究與測試，從材料的組成、制備工藝、結(jié)構(gòu)、服役環(huán)境等多方面入手，深入研究各個環(huán)節(jié)對其性能的影響。開發(fā)新的測試方法和表征方案，如：工業(yè)CT、掃描電鏡（SEM）、動態(tài)熱機(jī)械分析儀（DMA）等先進(jìn)測試方法的應(yīng)用[32，33]，將有助于我們從材料結(jié)構(gòu)、成分的角度分析力學(xué)性能變化規(guī)律。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)化滯后

鋁基陶瓷纖維復(fù)合材料芯及導(dǎo)線產(chǎn)品，由于技術(shù)門檻較高，當(dāng)前在我國的應(yīng)用很少，相關(guān)基礎(chǔ)研究鮮有報道。國家能源局于2013年參照鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線，制定了《鋁基陶瓷纖維復(fù)合芯超耐熱鋁合金絞線》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[34]，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了產(chǎn)品的表示方法、結(jié)構(gòu)形式、材料性能、技術(shù)要求、試驗方法等內(nèi)容，解決了鋁基陶瓷纖維復(fù)合材材料芯及導(dǎo)線產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的有無問題。

樹脂基碳纖維復(fù)合材料芯呈現(xiàn)百花齊放狀態(tài)，如表2所示，各種構(gòu)型的復(fù)合材料芯和導(dǎo)線目前均有應(yīng)用。這使得當(dāng)前碳纖維復(fù)合芯和導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)繁復(fù)異常，不利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展和用戶使用。因此，有必要對碳纖維復(fù)合材料芯關(guān)鍵特性進(jìn)行梳理，開展相關(guān)驗證工作，以便于制定統(tǒng)一的碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范碳纖維復(fù)合材料芯及其導(dǎo)線生產(chǎn)、測試和使用。

此外，施工機(jī)具和施工規(guī)范尚不完善，復(fù)合材料芯導(dǎo)線由于使用歷史較短，施工作業(yè)人員對其認(rèn)知不足，施工作業(yè)仍停留在鋼芯鋁絞線等傳統(tǒng)導(dǎo)線的粗放狀態(tài)[35，36]。不規(guī)范的施工、不合理的施工機(jī)具和工藝，是導(dǎo)致當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線斷裂的首要原因[29]。因此，亟需開發(fā)適用于碳纖維導(dǎo)線的施工機(jī)具，制修訂更加完善、科學(xué)的碳纖維導(dǎo)線的施工機(jī)具、施工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，以便于制定更加合理的施工方案，避免施工過程對碳纖維導(dǎo)線造成不必要的損傷。

3 結(jié)語

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯是良好的架空導(dǎo)線用加強(qiáng)芯材料，具有一系列鍍鋅鋼線、鋁包鋼線等傳統(tǒng)加強(qiáng)芯材料無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢；同時由于應(yīng)用時間較短，對其基礎(chǔ)理論研究尚不完善，在運(yùn)行過程中不可避免地產(chǎn)生各種問題，而這正是人類認(rèn)知螺旋上升發(fā)展過程中付出的必要代價。為了此類材料的持續(xù)發(fā)展和應(yīng)用，建議在后續(xù)研究中注意以下問題。

（1）加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，尤其是材料的老化性能和失效機(jī)理研究。

（2）開發(fā)新的測試、表征方法，助力基礎(chǔ)理論研究。

（3）提升標(biāo)準(zhǔn)化水平，推動纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在架空導(dǎo)線領(lǐng)域的持續(xù)應(yīng)用和正確應(yīng)用。