電纜導線用高性能纖維拉擠復合芯研究進展

王 昆,劉旌平,黃崇祺

(上海電纜研究所有限公司 特種電纜技術國家重點實驗室,上海 200093)

0 引 言

高性能纖維復合芯導線是一種用于替代傳統鋼芯鋁絞線的架空輸電線路用導線,具有強度高、質量輕、耐腐蝕、導電率高、載流量大、線膨脹系數小和弧垂小等優點,能夠有效地滿足輸變電領域節能、安全、環保和經濟性等更高要求[1-2]。 該類導線是高性能纖維增強復合材料在電力電纜中的創新性應用,在新建線路或老舊線路的改造上兼備顯著的經濟價值和社會效益[3-5]。 目前,國內外許多科研人員對高性能纖維復合芯及其導線開展了大量研究工作。

楊韜等[6]介紹了鋁基陶瓷纖維復合芯導線(ACCR) 的結構組成和基本性能參數,闡述了ACCR 導線在線路擴容改造、大跨越凈高度場合、重污染及靠海區域的應用特點,開展了ACCR 導線的性能測試,強調了ACCR 導線的性能優勢、應用優勢和技術優勢。

吳雄文等[7]闡述了絞合型碳纖維復合芯導線的結構特性和施工工藝,并與應用廣泛的棒型碳纖維復合芯導線進行對比,進一步分析了兩者在施工工藝和質量控制的差異,給出了絞合型碳纖維復合芯導線施工的主要控制要點和改進建議。

周鑫[8]通過類比常規鋼芯鋁絞線的相關性能計算方法,建立了一套適用于絞合型碳纖維復合芯導線的張力、弧垂和載流量的計算模型;同時,分析絞合型碳纖維復合芯導線與常規鋼芯鋁絞線的相關性能試驗數據,通過模型模擬與試驗數據對比,驗證了自建模型可用于絞合型碳纖維復合芯導線的施工技術支持,為其推廣應用提供了參考依據。

周超等[9]研究了棒型碳纖維復合芯導線和絞合型碳纖維復合芯導線的制造工藝、產品性能和產品結構等。 結果表明:兩類導線的損傷多發生在緊線過程中卡線器臨錨處,以及壓接過程中導線接續金具壓接處附近,穩定結構的絞合型碳纖維復合芯和現有配套的耐張線夾難以達到默契的配合應用。

魏晗星[10]通過對比分析實驗室自制復合芯與美國CTC Global 公司碳纖維復合芯導線(ACCC)的性能,研究了實驗室復合芯制備工藝參數對復合芯性能的影響,初步探索了復合芯的濕熱老化行為,進一步開展ACCC 的制備,并測試其相關性能,最終得出自制ACCC 導線的各項性能均能夠達到施工設計要求。

王煦等[11]通過宏觀分析、力學性能試驗、機電性能試驗、斷口分析和金相檢驗等方法對導線的斷裂原因進行了分析。 結果表明:該斷裂導線的復合材料芯棒在包覆鋁管前已多處受損和斷裂,復合材料芯棒斷裂的導線在架線后,所有張力均由軟鋁層和鋁管承擔。 由于夜間溫度降低,且因風載荷作用從而引發線路舞動,導線所受張力超過軟鋁層和鋁管的強度極限,最終導致導線斷裂。

陳大兵等[12]針對ACCC 導線中碳纖維芯棒抗彎折強度低,容易發生損傷而無法有效檢測的難題,提出了一種基于X 射線的成像技術。 結合前端圖像標準化處理和Faster RCNN 深度學習網絡的自動檢測方案,提出了懸垂補償、亮度標準化等前端圖像標準化處理方法,可以有效地提高檢測精度,而使用Faster RCNN 和Resnet 特征提取網絡,可以取得最佳的檢測精度。

魏睿[13]基于X 射線掃描技術,針對ACCC 導線的X 射線圖像中缺陷對比度不高、不易識別、形態波動范圍大和干擾因素多等問題,分別從缺陷自動提取和擴充方案、目標檢測網絡、多種訓練策略等方面研究了基于卷積神經網絡的自動檢測方法,分別提出了基于目標檢測和分類網絡的缺陷檢測方案。

1 材料構成

1.1 增強體

1.1.1 碳/玻混合纖維

美國CTC Global 公司率先提出使用纖維復合材料替代架空導線中鋼絞線作為張力結構,進行架空導線輕量化和載流量擴容,其ACCC?復合芯架空導線于2004年成功掛網運行。 ACCC?導線復合芯最高可承受軸向強度為2 586 MPa,直徑為5.97 ～10.54 mm,可承受最小彎曲直徑約50D(D為復合芯直徑)[14]。 ACCC?導線見圖1。

圖1 美國CTC Global 公司ACCC?導線

法國Epsilon 公司研制出HVCRC?導線,見圖2。 HVCRC?導線復合芯直徑為3 ～30 mm,收集長度可達10 km,纖維體積分數為70%,內部孔隙率小于1%,最高耐溫為220 ℃,可定制耐老化、耐化學腐蝕等特殊性能,與美國CTC Global 的ACCC?導線結構相似;獨特之處在于,可在復合芯內部集成質量檢測系統,如在復合芯軸心預埋光纖檢測系統,可用于復合芯溫度、形變等的檢測。

圖2 法國Epsilon 公司HVCRC?導線

碳/玻復合芯中的纖維基本沿軸向集束。 玻璃纖維和碳纖維的表面能不同,各自與樹脂的界面結合性能差異較大,且玻璃纖維與碳纖維呈包覆結構。因此,復合芯對收集、放線、架線施工等操作環節要求較高。 在復合芯徑向受壓后,纖維與樹脂結合薄弱處(如孔隙、雜質、損傷等)易出現裂紋,見圖3。受纖維單絲平行排列影響,結合薄弱處多沿軸向分布于復合芯內部的纖維單絲平行間隔中,一旦某處產生裂紋,裂紋就極易沿纖維軸向擴散,表現為復合芯截面劈裂、炸裂,見圖3(a)。 另外,若復合芯表面淺層內存在薄弱隱患,則在彎曲時裂紋易同時沿軸向和徑向及所在空間擴散,并表現為復合芯折斷,最終導致架空導線斷芯失效。

圖3 基體與纖維結合薄弱處缺陷

1.1.2 碳纖維

日本Tokyo Rope 公司研制出絞合型全碳纖維復合芯ACFR?導線。 ACFR?導線使用絞合復合芯CFCC?,CFCC?復合芯由多股碳纖維復合芯絞合成1 股,見圖4(a)。 主流1×7 型絞合復合芯公稱直徑可達5 ～21 mm,耐溫為180 ～200 ℃。 ACFR?導線312/37-FA-TT 導線在我國海南220 kV 和廣東110 kV 環境掛網運行中,見圖4(b)。 除架空導線復合芯外,CFCC?還被廣泛應用于各基建加強筋領域替代鋼筋。 此外,塞拉尼斯(Celanese)公司和南線(Southwire)公司合作研制的全碳纖維增強熱塑性復合芯Celstran?,耐溫為180 ～225 ℃,擁有已知最低的復合芯熱膨脹系數。 與Tokyo Rope 公司產品不同,Celanese 公司和Southwire 公司將多股復合芯單元平行排列,制備得到C7TM架空導線,見圖5。

圖4 日本Tokyo Rope 公司ACFR?導線

圖5 Celanese 公司和Southwire 公司C7TM 架空導線

制備絞合型復合芯,需要先制備出多根單股復合芯,在其半固化狀態時,使用絞合工藝將多股復合芯進行二次加工,絞合成目標規格復合芯。 此工藝較為復雜,單根復合芯中纖維受絞呈現空間扭轉態,軸向抗拉性能被一定程度的削弱,多股絞合態復合芯的抱合狀態不穩定,易發生相對位移活動,其徑向抗壓性能得到實質性改變。 同時,多根單股復合芯單元的斷裂一致性對絞合復合芯整體力學性能的影響較大,復合芯單元的性能損失較多,特別是對各復合芯單元的精準化性能設計、單股復合芯拉擠工序、樹脂半固化窗口期的控制,以及絞合工序間的精準配合提出了更高的要求。 相反,多股平行復合芯則在很大程度上規避了絞合工序帶來的復雜問題,僅須纏繞包覆帶約束即可應用架空導線生產,與絞合復合芯相比,性價比更高。

1.1.3 陶瓷纖維

美國3M 公司另辟蹊徑,研發出鋁基陶瓷纖維復合芯ACCR 架空導線,其復合芯與上述樹脂基纖維增強復合芯不同,屬于金屬基纖維增強復合芯。該復合芯由上萬根高強度陶瓷纖維在超聲輔助下分散,并經過熔融鋁浸潤固化后制備,金屬鋁替代樹脂作為浸潤基體與纖維組合成復合材料,見圖6。 與Celstran?相似,ACCR 導線多股復合芯單元之間不絞合,呈平行排列,外面有保護層包覆。 但是,陶瓷纖維拉伸強度比碳纖維拉伸強度低;鋁基陶瓷纖維復合芯密度遠大于樹脂基碳纖維復合芯密度;金屬基復合材料制備能耗較高;ACCR 導線價格為ACCC 導線的3 ～4 倍[14]。 這些因素均不同程度限制了ACCR 導線的應用范圍。

圖6 美國3M 公司ACCR 導線

1.2 基體

1.2.1 樹脂基復合芯

復合芯所用樹脂主要分為熱固性和熱塑性兩種[15]。 熱固性樹脂主要包括不飽和樹脂、乙烯基樹脂、酚醛樹脂、環氧樹脂等。 其中,環氧樹脂力學性能較為突出,但價格也相對較高,以高溫、高韌環氧樹脂更為理想。 熱塑性樹脂主要包括聚丙烯(PP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、熱塑性聚氨酯橡膠(TPU)等。 其中,PEEK 綜合性能較為突出,但價格昂貴,相對制約了其產業化應用[16]。 熱塑性樹脂加熱溫度高和反應周期快的特性對加熱工藝和高效纖維浸潤工藝提出了更高的要求,增加了其制備難度,但熱塑性樹脂在可回收利用、可修補、使用環境相對清潔等方面擁有不可替代的優勢,這將是后續復合芯綠色發展的重要研究方向之一。 Celanese公司和Southwire 公司合作研制的Celstran?是熱塑性復合芯領域中極具代表性的產品。

1.2.2 金屬基復合芯

美國3M 公司的鋁基陶瓷纖維復合芯ACCR 導線,是目前復合芯領域已知的唯一商用金屬基復合芯導線。 因為陶瓷纖維力學性能遠不及碳纖維,所以其復合芯力學性能基本與傳統鋼絞芯相當。ACCR 導線復合芯有金屬鋁基體,可承擔整體導線約1/4 的電導率,同時在金屬基體的保護下,復合芯徑向抗壓效果與傳統金屬絞芯相似,均優于樹脂基復合芯。 但是,受限于金屬基復合芯綜合密度過大,其減重效果不佳,性價比不高,市場應用量不如樹脂基復合芯。 如何實現無機高性能纖維替換陶瓷纖維,與金屬基體有效結合且不受金屬熔體高溫損傷;如何保證金屬基體含量降低的同時,保持力學性能穩定或力學性能提高,均為金屬基無機纖維增強復合芯產業化制備后續研究的新方向[17]。

2 成型工藝

2.1 纖維布局

2.1.1 平行排列(1D)

常規復合芯中的纖維單元均沿軸向平行分布,軸向纖維體積分數極高,因此軸向抗拉性能表現優秀,見圖7。 由于其徑向無纖維支撐,僅依靠樹脂與纖維界面結合力作約束,徑向抗彎曲、軸向抗扭轉、整體抗剪切能力不足。 常規復合芯沿直徑方向受壓易發生劈裂,該現象在復合芯內部氣泡孔隙較多時更易發生并快速擴散。 僅由平行排列纖維制備的復合芯可理解為1D 纖維布局。

圖7 纖維平行排列布局(1D)

2.1.2 纏繞層/編織套(2D)

為了解決1D 纖維布局的復合芯徑向性能差、易劈裂等問題,需要在復合芯表面引入約束體。 于是,國外最先研究出纏繞與拉擠組合工藝,纏繞工藝分為圓環卷繞和螺旋纏繞[18]。 圓環卷繞施加的約束基本沿表面徑向分布,徑向抗壓性能得到改善,見圖8(a);螺旋纏繞施加的約束沿軸向呈一定夾角和螺距分布,改善了軸向與徑向雙向性能,見圖8(b)。無論何種纏繞工藝,均為纖維按某一固定方向在復合芯表面均勻排布,各約束單元間相互不交叉,未全面形成多向纖維交織的一體紡織結構,復合芯整體性較差,易分層。

圖8 纖維纏繞布局(2D)

為了進一步改善纏繞復合芯徑向抗壓、抗扭性能,國外研制出編織與拉擠組合方式,見圖9。 編織工藝因每股纖維相互交叉移動而形成一體交織結構,將常規拉擠部分以編織套形式整體包裹,沿軸向傾斜的纖維不僅適當增加了徑向性能,還提高了復合芯表層結構整體性,改善了復合芯抗扭性能,更有利于抑制復合芯裂紋由表層向深層的擴散,一定程度上提高了復合芯沿徑向的抗沖擊性能。 但是,由于表層纖維結構與內芯纖維結構無物理交叉,復合芯內部裂紋損傷沿纖維軸向的擴散難以得到表層編織套的有效控制。 由纏繞層/編織套與拉擠組合工藝制備的復合芯,形成了典型的“皮芯結構”,平行芯層纖維和表層纏繞/編織纖維的組合可理解為2D纖維布局。

圖9 纖維編織布局(2D)

2.1.3 預制體(3D)

預制體由纖維束在空間內規律性層層交叉互鎖得到,形成有x、y、z多向纖維束貫穿的、有較潔凈輪廓尺寸的、整體不分層的三維結構[19],見圖10。 憑借預制體的整體結構,可將復合芯軸向過剩的抗拉性能轉化為層間抗剪切性能和抗沖擊性能,解決了1D 纖維布局復合芯和2D 纖維布局復合芯抗壓、易分層的問題,更賦予了復合芯抗徑向沖擊性能,有效地解決了復合芯裂紋沿徑向、軸向、中間向等多維度擴散的問題。 預制體有多種成型方式,見圖11。 三維預制體拉擠設備需要在常規設備基礎上進行改良進化,三維預制體拉擠工藝流程見圖12。 在紗架與預成型架之間引入三維預制體織造設備,織造設備與拉擠設備要實現工藝聯動;制備完畢的三維預制體基本已具有產品的整體輪廓,常規開槽浸潤已無法滿足樹脂浸潤要求,注射浸潤更為適合;三維預制體具有蓬松性,如何實現目標體積分數、如何進入模具固化、如何減少與模具腔壁摩擦、如何減少內部孔隙等問題,均待后續深入研究。 具有空間纖維分布的三維整體結構的預制體拉擠復合芯可理解為3D纖維布局。

圖10 三維預制體

圖11 三維預制體成型結構

圖12 預制體拉擠工藝流程示意圖

2.2 樹脂浸潤

2.2.1 開槽浸潤

拉擠工藝中樹脂浸潤主要有開槽浸潤和注射浸潤。 開槽浸潤結構簡單,浸潤槽內有導紗架,纖維先通過導紗架分散展平,從浸膠槽中勻速穿過,在刮除多余樹脂并排泡后進入預熱裝置和加熱固化裝置[20]。 開槽浸潤適用于對溫度不敏感、樹脂固化窗口期較長、黏度低且易浸潤的熱固性樹脂,見圖13(a)。 但是,浸膠槽結構為敞開式,易揮發出氣味,加入樹脂時易外濺,易污染設備及周邊環境。

圖13 樹脂浸潤方式[15]

2.2.2 注射浸潤

注射浸潤為注射機通過注射頭連接注射盒,纖維穿過注射盒,樹脂在注射機內受正壓力被注入注射盒中后迅速滲透浸潤纖維,浸透樹脂的纖維進入模具加熱固化區[20]。 注射系統屬于封閉式,適合對溫度較敏感、黏度大且難浸潤、固化窗口期短的樹脂,見圖13(b)。 注射浸潤對環境友好,引入注射機可實現樹脂用量、溫度、各組分配比的量化控制和檢測。 但是,注射浸潤對設備計量控制組件要求較高,注射系統造價高,且存在因操作不當而產生管路堵塞的風險。 目前,國內市場拉擠產線多以開槽浸潤為主,注射浸潤主要在歐美市場盛行。 隨著國內工業對環境友好、精細化生產、均勻化質量、標準化控制等的要求,注射浸潤已于國內嶄露頭角。 相信注射系統在設備制造、工藝優化、操作維護等方面技術成熟后,注射浸潤將會快速替代開槽浸潤。

3 質量檢測

3.1 離線檢測

目前,復合芯質量檢測多采用末端截取樣品離線檢測。 在表面質量不佳的樹脂固化首段被拉出履帶牽引機后,持續拉過數米,目視復合芯表面無缺陷后,開始截取長度滿足離線測試要求的復合芯試樣。離線測試包括直徑、拉伸強度和拉伸模量、卷繞試驗、扭轉試驗、徑向耐壓試驗、耐老化試驗、線膨脹系數,以及鹽霧試驗等[21]。 此類檢測結果反映復合芯的表觀物理特性、力學特性和部分耐候特性,但并未對復合芯內部質量和微觀物理結構進行測試表征,如復合芯內部孔隙率、夾雜、內部纖維集束情況等。復合芯內部質量決定了其力學性能和部分耐候性能的發揮水平,無論復合芯在制備工序、卷繞工序、與金屬導體絞合工序的任何環節出現損傷,最后均會使掛網應用的架空線產生失效隱患。 因此,增加復合芯收卷前或金屬導體絞合后的復合芯無損檢測工序十分必要。

3.2 在線檢測

3.2.1 外形輪廓檢測

外型輪廓檢測主要包括直徑檢測、表面質量檢測等。 直徑檢測主要采用紅外激光雙向測徑儀對復合芯連續生產時的復合芯直徑進行測量,見圖14(a),可實現復合芯在某一截面內垂直雙向的直徑數據測量。 雙向直徑數據除可分析連續長度內直徑偏差外,還可分析連續復合芯長度內的圓整度,可間接指導加熱固化模具內腔輪廓尺寸的損耗分析。 表面質量檢測主要采用圖像識別設備檢測產品表面有無缺陷和損傷,如富脂凸起、殘缺凹陷、較大裂紋和刮痕等,可實現復合芯全尺寸表面檢測覆蓋,見圖14(b)。

圖14 外形輪廓檢測

3.2.2 內部缺陷檢測

復合芯為纖維增強棒狀復合材料,具有可連續、大長徑比、內部微觀小尺度結構特征。 常規內部檢測多采用末端截取樣品的方法制備小尺寸樣品,使用大倍數顯微鏡觀察斷面情況,使用掃描電鏡分析微納米尺度形貌,甚至使用工業CT 進行斷層射線掃描來分析內部缺陷損傷分布情況等。 上述檢測方法由于自身設備或其原理限制,難以移植到復合芯生產線上進行內部缺陷在線檢測。 在現有無損檢測方法中,數字成像射線檢測更能夠滿足連續檢測的需求,可精準調節透射電壓的放射源,配合靈敏的空間分辨率探測板,即可實現復合芯內部孔隙、劈裂紋、鋸口、折痕、雜質等損傷缺陷的檢測[20],見圖15。 通過配套融合了圖像識別分析與機器學習功能的控制軟件,可在復合芯射線檢測的同時進行損傷缺陷分析與表征,見圖16。 此方案需要定制設計開發軟件,并選擇合適規格的硬件設備、制備含有損傷缺陷的標準樣塊用于機器學習、精細化在線運行調試等,在復合芯行業內尚未形成標準化系統供應,可結合實際需求深入研究。

圖15 射線檢測損傷缺陷

圖16 圖像分析系統

4 結論與展望

復合芯的多工藝、多材料體系是其主要技術特征。 其中,以1D 纖維布局配套環氧樹脂體系產品的應用最為廣泛,同時伴有極少量2D 纖維布局改良產品。 盡管國內復合芯工藝技術發展到了一定階段,但工藝精細化、材料體系適配化、檢測多元化、分析立體化等仍有較大提升空間。 這些因素間接影響了復合芯綜合性能與使用要求的匹配度。 本文從材料構成、成型工藝、質量檢測角度,總結了復合芯領域典型產品及其技術特征,得出如下結論與展望。

1)樹脂體系、纖維浸潤程度、界面結合情況將直接影響復合芯的力學性能。 后續可在注射式樹脂浸潤方式、改良適配樹脂體系、嚴格控制復合芯內部孔隙率等方面開展深入研究。

2)由工藝發展路線可知,3D 纖維布局的預制體拉擠技術有望從本質上改良復合芯靜-動力學性能難兼容的問題,理論上可有效提高復合芯抗沖擊、抗剪切、抗彎曲、抗扭轉等性能;同時,預制體工藝與拉擠工藝的有機結合可能會成為開拓更廣闊、更高端應用領域的技術突破點。

3)如何提高無機高性能纖維耐金屬高溫燒蝕損傷;如何提高纖維在金屬基體中的分散程度;如何降低金屬基體含量并使其對力學性能的影響最小;如何提高無機非金屬與金屬材料間的界面結合力;如何提高金屬基復合芯的制備效率和性價比,上述問題將可能成為金屬基復合芯后續研究的新方向。

4)除了關注復合芯離線檢測指標外,還需要關注連續大長度復合芯制備過程中的在線無損質量檢測。 復合芯在線尺寸檢測、在線表面質量檢測、在線內部質量檢測等手段是支撐復合芯高效率生產、精益化質量控制、最低化不良品率的根本保障,是支撐復合芯電纜導線穩定安全工作應用的前提,現業內相關研究并未與成型工藝、離線檢測深入配合,此方面有待進一步研究。

5)預制體拉擠成型工藝的成功研制,不僅可以改良常規1D & 2D 纖維布局復合芯力學性能的不足,還可以拓展到耐高速沖擊損傷的橋梁斜拉索、耐復雜載荷動態疲勞的深海鉆井平臺錨固纜、輕量化海洋系泊纜、海底電纜增強/防護結構等領域,同時為航空航天、軌道交通等特需領域的高性能復合材料低成本、高效化發展開拓新思路。