碳纤维复合材料及其在电线电缆中的应用

1、.：.；碳纤维复合资料及其在电线电缆中的运用一、碳纤维复合资料的开展和战略位置 碳纤维的出现是资料史上的一次革命。碳纤维是目前世界首选的高性能资料，具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导电、质轻、易加工等多种优良性能，正逐渐降服和取代传统资料。现已广泛运用于航天、航空和军事领域。世界各国均把开展高性能碳纤维产业放在极其重要的位置。碳纤维除了在军事领域上的重要运用外，在民品的开展上有着更加宽广的空间，并曾经开场深化到国计民生的各个领域。在机械电子、建筑资料、文体、化工、医疗等各个领域碳纤维有着无可比较的运用优势。 碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需求而产生的。80年代初期，高

2、性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研讨和消费已进入一个高级阶段。经过二十多年的开展，碳纤维及其复合资料已从初创期转入增长开展期，其工业位置已根本确立，美、日、英、法、德等国的碳纤维产量曾经占世界产量的绝大部分，并已逐渐构成垄断优势。 我国对碳纤维的研讨由于起步较晚，技术力量薄弱，虽然碳纤维及其复合资料在我国已被纳入国家“863和“973方案，但总体情况不尽理想，我国仍不具备成熟的碳纤维工业化消费技术，国防和民用碳纤维产品根本依赖进口。 二、碳纤维复合资料的性能和用途 碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，是由含碳量较高、在热处置过程中不熔融的人造化学

3、纤维经热稳定氧化处置、碳化处置及石墨化等工艺制成的。其含碳量随种类不同而异，普通在90%以上。碳纤维具有普通碳素资料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与普通碳素资料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工性好，沿纤维轴方向表现出很高的强度，且碳纤维比重小。 1、碳纤维的化学性能 碳纤维是一种纤维状的碳素资料。我们知道碳素资料是化学性能稳定性极好的物质之一。这是历史上最早就被人类认识的碳素资料的特征之一。除强氧化性酸等特殊物质外，在常温常压附近，几乎为化学惰性。可以以为在普通的任务温度250环境下运用，很难察看到碳纤维发生化学变化。根据有关资料引见，从碳素资料的化学性质分析

4、，在250环境下，碳素资料既没有明显的氧化发生，也没有生成碳化物和层间化合物生成。由于碳素资料具有气孔构造，因此气孔率高达25左右，在加热过程易产生吸附气体脱气情况，这样的过程更有利于我们稳定电气性能和在电热领域的运用。 2、碳纤维的物理性能 a热学性质 碳素资料因石墨晶体的高度各向异性，而不同于普通固体物质与温度的依存性，从工业的运用角度来看，碳素资料比热大体上是恒定的。几乎不随石墨化度和碳素资料的种类而变化。b导热性质 碳素资料热传导机理并不依赖于电子，而是依托晶格振动导热，因此，不符合金属所遵照的维德曼夫兰兹定律。根据有关资料引见，普通的碳素资料导热系数极高，平行于晶粒方向的导热系数可与

5、黄铜媲美。 c电学性质 碳素资料电学性质主要与石墨晶体的电子行为和不同的处置温度有关，石墨的电子能带构造和载流子的种类及其分散机理决议了上述性质。碳素资料这类电学性质具有本征半导体所具备的特征，电阻率变化主要与载流子的数量变化有关。 3、碳纤维的主要用途 与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成构造资料。碳纤维加强环氧树脂复合资料，其比强度、比模量综合目的，在现有构造资料中是最高的。在刚度、分量、疲劳特性等有严厉要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场所，碳纤维复合资料都颇具优势。 由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合资料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天资料。 最神奇的运用是采用长

6、碳纤维制成的“纳米绳可以将“太空电梯由理想变为现实，太空电梯将可以将乘客和各种货物运送到空间轨道站上，也可以用这种“纳米绳将太空中发射平台与地面固定在一同，在这样的发射平台上发射人造卫星和太空探测器就可以大大降低发射本钱。 总结碳纤维复合资料的现实运用有以下几个方面： 1宇航工业用作导弹防热及构造资料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层；卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件；航天飞机机头，机翼前缘和舱门等制件；哈勃太空望远镜的丈量构架，太阳能电池板和无线电天线。 2航空工业用作主承力构造资料，如主翼、尾翼和机体；次承力构件，如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等，此外

7、还有C/C刹车片。 3交通运输用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件；船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇和巡查艇，以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆；海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。 4运动器材用作网球、羽毛球、和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。 5土木建筑幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、海水和水轮构造的加强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板、抗震救灾用补强资料。 6其它工业化工用的防腐泵、阀、槽、罐；催化剂，吸附剂和密封制品等。生体和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、X光机的床板和胶卷盒。编织机用的剑

8、竿头和剑竿防静电刷。其它还有电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等资料也已获得广泛运用。 三、碳纤维复合资料在电线电缆中的运用 碳纤维以其固有的特性赋予了其复合资料优良的性能，它具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优良性能，从而为其在电线电缆行业中的运用提供了能够和必然。 一碳纤维加热电缆的开发和运用 人们早就知道，以金属资料为发热体的电加热技术已在各个领域得到了广泛的运用。但是金属丝在高温形状下外表易氧化，由于氧化层不断的增厚，呵斥了有效经过电流的面积减小，增大了电流的负荷，因此易烧断。在一样的允许的电流负荷面积下，金属丝的强度比碳纤

9、维低610倍，在运用过程中易折断。 碳纤维是一种石墨的六方晶格层状构造组成，是一种全黑体资料，因此在电热运用中，表现出来的电热转换效率高。在特定的条件下，高温不氧化，单位面积的电流的负荷强度和机械强度不发生改动。 目前碳纤维加热电缆的运用如下： 低温辐射发热电缆地板采暖系统。 恒温育雏箱、花房、苗圃、蔬菜大棚等保温采暖。 道路化雪、机场跑道化雪：用于混凝土构造中楼面加热的理想产品，也可以用在融雪安装中，对屋面雨水和排水管进展防霜，还可以用于土壤加热。 管道、罐体保温防冻：电伴热产品近几年在中国得到了大力的推行和广泛的运用。其运用领域主要集中在石油、化工、电力、铁路和民用或商业建筑等。随着中国电

10、力工业的开展，以清洁、无二次污染的电能为主要能源的电伴热产品市场前景非常宽广，同时，也为电伴热产品的性能提出了更高的要求。 足球场草坪、公共绿地土壤保温：太阳能热水器电能补充 HYPERLINK t _blank 加热器，主要用于在长期阴雨天或寒冬季节，因光照缺乏而导致太阳能热水器水温不能满足生活、工程需求时，为补充热能而设计的。它具有较强的耐酷暑、严寒和高温潮湿环境的性能，并具有防干烧的功能。即使偶尔水箱缺水误通电，也不至于烧坏电 HYPERLINK t _blank 加热器和水箱，故能确保平安运用。 二碳纤维复合芯导线的开发和运用 我国是个缺电的国家，不仅发电业的开展滞后，输电业的弊端也凸

11、现出来，输电线路已不堪接受传输容量快速扩容的需求，由于过负荷呵斥的停电、断电缺点频频发生，电力传输成为电力工业开展的“瓶颈，各国均在研讨新型架空输电路用导线，以取代传统的钢芯铝绞线，碳纤维复合芯导线由此应运而生。 与钢芯铝绞线相比，碳纤维复合芯导线具有以下优点： 、和同样直径的ACSR电缆相比，可以提供双倍的载流容量。 、有效处理电缆下垂问题。 、可以在更高的温度下任务，最高可达200摄氏度。 、线芯可以抗腐蚀，而且没有双金属间腐蚀问题。 、由于可以提供更高的载流容量，所以同时也有效的降低了工程本钱。 、与一样直径传统电缆相比可以多包容28%的导体。 、高强度线芯可以有效减少电缆架的数量，或降

12、低电缆架的高度。 、有效减少电缆下垂，使地面生物更加平安。 除了上述提及的优点外，还可减少传输中电力的损耗，减少20%的塔杆，节省用地，减少有色金属资源耗费，有助于构造平安、环保、高效节约型输电网络。 目前世界上只需美国和日本开发出这种新型导线，他们还达成默契：不向第三国输出，日本一家碳纤维导线企业的产量就占到世界40%左右。 目前我国电线电缆研讨所、电力建筑研讨院以及国家电网都曾经开场了对ACCC导线的实验研讨任务。国内电缆厂家也加大与外方协作，将这种新型电缆引进到中国消费，积极推进我国架空输电线路的技术革命。最近福建电网曾经将该新型导线架设运转。 三在高低温、腐蚀等苛刻环境运用的能够 碳纤

13、维细如蛛丝，三型碳纤维比强度是钢的62倍以上，成形工艺性好，是一代新型工程资料，其弹性量高，抗变性才干比钢大2倍多，抗拉强度3040t/cm2pa,而比重还不到钢的四分之一，是铝合金的二分之一，高弹模量比钢铁大16倍，比铝合金大12倍。且碳纤维比钢等柔软。因此，碳纤维可用于要求能承重、不易损伤内部元件的电缆的加强芯，如海底光缆等。 碳纤维可以耐180的低温，在此条件下，许多资料都变的很脆，连巩固的钢铁也变的比玻璃还容易碎，而碳纤维在此条件下照旧很柔软。因此，碳纤维复合芯可用于极寒如南极调查研讨等条件下输电载体的设计和制造。 碳纤维又可以耐30003500的高温，在此高温下最好的耐热钢也变成钢水

14、，但在没有氧气的情况下，碳纤维没有变化。碳纤维即使从3000的高温快速冷却到室温也不会炸裂，因此可在急冷急热的环境中任务。这为钢铁、冶金、锅炉等行业中高温特高温场所电缆的设计提供了能够。此外，碳纤维纱、碳纤维绳、碳纤维布都可用于消防电缆产品的设计选用。 碳纤维有超强的耐腐蚀性。金属中耐腐蚀性最强的是黄金和铂，在一份硝酸浓度70和三份硫酸浓度39配成的称“王水的溶液中黄金、铂会被腐蚀的千疮百孔，而“王水中的碳纤维却安然无恙。为各种化学环境下轻型耐化学腐蚀电缆的设计提供了新的思绪。 四、开展建议 碳纤维资料的产业化是实现碳纤维导线在国内输电行业的产业化的前提和保证。碳纤维资料价钱那么是制约产业化运

15、用的关键。 我国从八十年代初期开场起步，加大了对碳纤维资料的研讨和开发力度，并也着力于碳纤维资料产业化基地的建立，但由于国外设备、技术封锁，至今未见艰苦突破，产质量量不稳定性，估计今后每年至少一万吨的缺口。 年前碳纤维资料的价钱程度为万美圆吨左右，比铝的价钱要高倍多。但是近两年，由于国际政治情势和军事格局的变化，碳纤维资料价钱受其影响，大幅度上升。这无疑都将对我国现代化的建立本钱构成宏大的压力和负担。最近，我国福建电网从美国复合资料工程公司CTC购置了60公里ACCC导线铝导体复合芯架空导线运用在福建省厦门和福州电网中，其价钱程度为万元人民币公里。这比我们不断运用的钢芯铝绞线的价钱要高几倍。 各科研院所应进一步加大碳纤维资料的根底运用研讨和开发，建立我国自主知识产权，实现碳纤维资料的质量稳定，降低本钱。同时要采用国