王新營，黃一釗，嚴 波，季世澤，黨 鵬，黃國飛

(上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，對電力的需求也與日俱增。雖然已增加對發(fā)電設(shè)施的投資來提升發(fā)電能力，但是輸電瓶頸問題一直沒有得到很好的解決，其中一個重要的原因是城市及周邊的電網(wǎng)建設(shè)受到土地供應(yīng)和線路走廊的限制，無法滿足快速增長的城市用電需求。為了提高輸電線路的輸送容量，利用現(xiàn)有線路走廊盡可能多的輸送電力，我們必須采用新的輸電導(dǎo)線來滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的需要。

隨著復(fù)合材料應(yīng)用的推廣，人們開始嘗試使用復(fù)合材料來替代金屬材料制作導(dǎo)線的芯材。美國CTC科技公司研發(fā)了纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，并且已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)。纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線相比，除了質(zhì)輕高強、耐高溫、耐腐蝕、低熱膨脹和低蠕變的優(yōu)點外，還可提高傳輸容量1倍，使用壽命延長2倍，同時可以減少傳輸中的電力損耗，減少20%的塔桿，節(jié)省用地和降低有色金屬資源消耗。無論是對新線路建設(shè)還是舊線路改造，都具有極好的應(yīng)用前景［1-3］。因此，緊跟國際先進的輸電技術(shù)，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的纖維復(fù)合芯導(dǎo)線技術(shù)，對于從根本上解決我國輸電“瓶頸”，構(gòu)筑安全、環(huán)保、高效節(jié)約型輸電網(wǎng)絡(luò)具有特殊重要的意義。國內(nèi)目前主要局限于該導(dǎo)線的應(yīng)用研究，而對纖維復(fù)合導(dǎo)線的關(guān)鍵技術(shù)——復(fù)合芯的研究較少。本文將立足于國產(chǎn)玄武巖纖維和碳纖維制備復(fù)合芯，采用混雜纖維拉擠成型方式以及使用耐溫改性環(huán)氧樹脂體系，充分發(fā)揮不同纖維的特點來滿足架空導(dǎo)線的要求，并對樹脂體系、纖維和拉擠工藝等方面對導(dǎo)線加強芯力學(xué)性能影響進行了研究，以探索纖維復(fù)合芯棒力學(xué)性能的影響因素和提高的途徑。

1 實驗部分

1.1 原料及設(shè)備

本文采用的原料包括:玄武巖纖維無捻粗紗;碳纖維;液體酸酐固化劑;耐高溫改性環(huán)氧樹脂。

試驗設(shè)備:材料萬能試驗機，DXLL-10000 N;自然通風(fēng)熱老化試驗箱，XG-CN3;熱膨脹儀，DIL402PC;8 t履帶拉擠機。

1.2 拉擠工藝

將樹脂、固化劑、助劑等按一定比例混合，攪拌均勻，進行真空脫泡后倒入樹脂浸漬槽，將含有不同比例混雜的玄武巖纖維和碳纖維放入浸漬槽浸漬樹脂，然后進入模具連續(xù)固化成型。其中在纖維芯棒內(nèi)層纖維為混雜的碳纖維和玄武巖纖維，外層主要為玄武巖纖維;加熱模具的溫度控制分為3個區(qū)段，分別為145℃、160℃、145℃，模具長度為100 cm，拉擠速度為0.1～0.5 m/min。拉擠成型工藝過程如圖1所示。

圖1 拉擠工藝流程示意圖

由本工藝制備的復(fù)合芯制成的架空鋁絞線的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中的導(dǎo)體為高導(dǎo)電率的梯形軟鋁線。

圖2 混雜纖維復(fù)合芯架空鋁絞線

1.3 試驗部分

混雜纖維復(fù)合加強芯的彎曲強度和彎曲模量試驗是按GB/T 13096—2008，在材料萬能試驗機上測量;熱膨脹系數(shù)則采用熱膨脹儀進行測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉擠工藝對復(fù)合芯力學(xué)性能的影響

(1)纖維含量對復(fù)合芯力學(xué)性能的影響。在本實驗中拉擠速度為0.3 m/min，加熱模具的三區(qū)段溫度分別為145℃、160℃、145℃，制備了纖維含量分別為50%、60%、70%和75%的混雜纖維復(fù)合芯(玄武巖纖維/碳纖維體積比為2/1)，并對其進行了160℃、4 h的后固化處理，然后分別測量其彎曲強度和彎曲模量(見圖3)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，混雜纖維復(fù)合芯的彎曲強度和彎曲模量隨著纖維體積含量的增加而增加，而且近乎成線性關(guān)系，因此，通過進一步提高纖維含量和兩種纖維體積比，可進一步提高纖維復(fù)合芯的力學(xué)性能。

圖3 纖維含量對彎曲強度與彎曲模量的影響

(2)拉擠速度對復(fù)合芯力學(xué)性能的影響。在本實驗中，分別以0.1、0.3和0.5 m/min的拉擠速度，加熱模具的三區(qū)段溫度分別為145℃、160℃、145℃，制備纖維含量為70%的混雜纖維復(fù)合芯(玄武巖纖維/碳纖維體積比為2/1)，其彎曲強度和彎曲模量如表1所示。從表中可以看出，隨著拉擠速度的上升，混雜纖維復(fù)合芯的彎曲強度和彎曲模量均有下降。這應(yīng)該是由于拉擠速度的上升，物料在模具中的時間減少，導(dǎo)致環(huán)氧樹脂固化度下降及固化不均一，從而使得混雜纖維復(fù)合芯的性能下降。同樣，還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拉擠速度超過0.3 m/min時，彎曲強度和彎曲性能下降的速度加快。這可能是本實驗用樹脂體系在反應(yīng)時間為90～120 s范圍內(nèi)交聯(lián)密度能在短時間內(nèi)急劇增加，而超過一定反應(yīng)時間后便趨于平穩(wěn)。

表1 拉擠速度對彎曲強度和彎曲模量的影響

2.2 熱老化對復(fù)合芯的影響

在本實驗中，以0.3 m/min的速度拉擠，而加熱模具的三區(qū)溫度分別為145℃、160℃、145℃的條件下，制備了纖維含量為70%的混雜纖維復(fù)合芯(玄武巖纖維/碳纖維體積比為2/1)，并對其進行了160℃、4 h的后固化處理，然后在老化烘箱內(nèi)進行150℃、1000 h的熱老化實驗，測量獲得的彎曲強度見圖4。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，混雜纖維復(fù)合芯的彎曲強度并未隨著老化時間的增加而下降，相反在老化時間為1000 h時彎曲強度達更高值。這可能是由于在長時間高溫作用下使復(fù)合芯充分固化反應(yīng)，進一步提高交聯(lián)程度，從而導(dǎo)致了彎曲強度最終的上升，同樣該結(jié)果也證明了試驗用耐溫改性環(huán)氧樹脂體系具有優(yōu)異的耐老化性能。

圖4 1000 h熱老化后的彎曲強度

2.3 復(fù)合芯熱膨脹性能

混雜纖維復(fù)合芯鋁絞線采用梯形軟鋁線，導(dǎo)體載流后溫度升高，外層鋁線由于熱膨脹系數(shù)(鋁的熱膨脹系數(shù)為23.0×10－6/℃)遠遠大于芯線，因此，隨著溫度的升高，鋁線承受的張力越來越小。當(dāng)超過一定的臨界溫度后(轉(zhuǎn)移溫度)，所有張力全部由加強芯承擔(dān)。當(dāng)溫度超過鋁線的轉(zhuǎn)移溫度以上時，混雜纖維復(fù)合芯的熱膨脹系數(shù)即為纖維復(fù)合芯鋁絞線的熱膨脹系數(shù)，而復(fù)合芯膨脹系數(shù)越低則可使得導(dǎo)線弧垂越小，從而提高導(dǎo)線的安全對地系數(shù)。

圖5為直徑8mm復(fù)合芯熱膨脹試驗的測試結(jié)果。其中，L0為復(fù)合芯的原長;ΔL為受熱膨脹后長度的增量;ΔL/L0為熱膨脹伸長率。從圖中可知，在溫度范圍為23～100℃時，混雜纖維復(fù)合芯的熱膨脹系數(shù)為0.3302×10－6/℃，遠遠低于鋼的11.5×10－6/℃，即使溫度達到250℃，膨脹系數(shù)也僅為3.9731×10－6/℃。因此由其制得的混雜纖維復(fù)合芯鋁絞線在轉(zhuǎn)移點溫度上的弧垂變化遠比普通鋼芯鋁絞線小，且混雜纖維復(fù)合芯導(dǎo)線弧垂隨溫度變化不明顯，因此對降低導(dǎo)線的弧垂具有非常明顯的優(yōu)越性。

圖5 直徑為8mm復(fù)合芯的熱膨脹試驗

3 結(jié)論

由上述試驗結(jié)果可以得出如下結(jié)論:

(1)隨著纖維體積含量的增加混雜纖維復(fù)合芯的彎曲強度和彎曲模量均增加，而且近乎成線性關(guān)系，通過提高纖維含量和采用高強度纖維，可進一步提高纖維復(fù)合芯的力學(xué)強度;

(2)隨著拉擠速度的上升，混雜纖維復(fù)合芯的彎曲強度和彎曲模量均有下降，當(dāng)拉擠速度超過一定臨界值后彎曲強度和彎曲模量下降速度加快，因此在復(fù)合芯的制備中應(yīng)嚴格控制拉擠速度;

(3)對混雜纖維復(fù)合芯進行了150℃、1000 h的熱老化實驗，其彎曲強度并未隨著老化時間的增加而下降，相反在老化時間為1000 h時彎曲強度達到更高值;

(4)在溫度范圍為23～100℃時混雜纖維復(fù)合芯的熱膨脹系數(shù)僅為0.3302×10－6/℃，在降低線路弧垂方面作用尤為顯著。

［1］Ohki Y，等.新穎碳纖維加強的鋁導(dǎo)線［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine July/August.2003，19(4):67-69.

［2］尤傳永.架空輸電線新型復(fù)合材料合成導(dǎo)線的研究開發(fā)［J］.電力建設(shè)，2005(11):1-6.

［3］甘興忠.碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線等擴容量導(dǎo)線的性能及應(yīng)用［J］.電線電纜，2007(5):37-41.