架空導線用混雜纖維增強復合芯力學性能的研究

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

隨著我國國民經濟的高速發展，對電力的需求也與日俱增。雖然已增加對發電設施的投資來提升發電能力，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建設受到土地供應和線路走廊的限制，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線來滿足國民經濟發展的需要。

隨著復合材料應用的推廣，人們開始嘗試使用復合材料來替代金屬材料制作導線的芯材。美國CTC科技公司研發了纖維復合芯導線，并且已經商業化生產。纖維復合芯導線與傳統鋼芯鋁絞線相比，除了質輕高強、耐高溫、耐腐蝕、低熱膨脹和低蠕變的優點外，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，節省用地和降低有色金屬資源消耗。無論是對新線路建設還是舊線路改造，都具有極好的應用前景［1-3］。因此，緊跟國際先進的輸電技術，研制具有自主知識產權的纖維復合芯導線技術，對于從根本上解決我國輸電“瓶頸”，構筑安全、環保、高效節約型輸電網絡具有特殊重要的意義。國內目前主要局限于該導線的應用研究，而對纖維復合導線的關鍵技術——復合芯的研究較少。本文將立足于國產玄武巖纖維和碳纖維制備復合芯，采用混雜纖維拉擠成型方式以及使用耐溫改性環氧樹脂體系，充分發揮不同纖維的特點來滿足架空導線的要求，并對樹脂體系、纖維和拉擠工藝等方面對導線加強芯力學性能影響進行了研究，以探索纖維復合芯棒力學性能的影響因素和提高的途徑。

1 實驗部分

1.1 原料及設備

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;耐高溫改性環氧樹脂。

試驗設備:材料萬能試驗機，DXLL-10000 N;自然通風熱老化試驗箱，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，然后進入模具連續固化成型。其中在纖維芯棒內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

由本工藝制備的復合芯制成的架空鋁絞線的結構如圖2所示，其中的導體為高導電率的梯形軟鋁線。

圖2 混雜纖維復合芯架空鋁絞線

1.3 試驗部分

混雜纖維復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;熱膨脹系數則采用熱膨脹儀進行測量。

2 結果與討論

2.1 拉擠工藝對復合芯力學性能的影響

(1)纖維含量對復合芯力學性能的影響。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)。從圖中可以發現，混雜纖維復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合芯的力學性能。

圖3 纖維含量對彎曲強度與彎曲模量的影響

(2)拉擠速度對復合芯力學性能的影響。在本實驗中，分別以0.1、0.3和0.5 m/min的拉擠速度，加熱模具的三區段溫度分別為145℃、160℃、145℃，制備纖維含量為70%的混雜纖維復合芯(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，混雜纖維復合芯的彎曲強度和彎曲模量均有下降。這應該是由于拉擠速度的上升，物料在模具中的時間減少，導致環氧樹脂固化度下降及固化不均一，從而使得混雜纖維復合芯的性能下降。同樣，還可發現，當拉擠速度超過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時間為90～120 s范圍內交聯密度能在短時間內急劇增加，而超過一定反應時間后便趨于平穩。

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。從圖中可以發現，混雜纖維復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合芯充分固化反應，進一步提高交聯程度，從而導致了彎曲強度最終的上升，同樣該結果也證明了試驗用耐溫改性環氧樹脂體系具有優異的耐老化性能。

圖4 1000 h熱老化后的彎曲強度

2.3 復合芯熱膨脹性能

混雜纖維復合芯鋁絞線采用梯形軟鋁線，導體載流后溫度升高，外層鋁線由于熱膨脹系數(鋁的熱膨脹系數為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。當超過一定的臨界溫度后(轉移溫度)，所有張力全部由加強芯承擔。當溫度超過鋁線的轉移溫度以上時，混雜纖維復合芯的熱膨脹系數即為纖維復合芯鋁絞線的熱膨脹系數，而復合芯膨脹系數越低則可使得導線弧垂越小，從而提高導線的安全對地系數。

圖5為直徑8mm復合芯熱膨脹試驗的測試結果。其中，L0為復合芯的原長;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，混雜纖維復合芯的熱膨脹系數為0.3302×10－6/℃，遠遠低于鋼的11.5×10－6/℃，即使溫度達到250℃，膨脹系數也僅為3.9731×10－6/℃。因此由其制得的混雜纖維復合芯鋁絞線在轉移點溫度上的弧垂變化遠比普通鋼芯鋁絞線小，且混雜纖維復合芯導線弧垂隨溫度變化不明顯，因此對降低導線的弧垂具有非常明顯的優越性。

圖5 直徑為8mm復合芯的熱膨脹試驗

3 結論

由上述試驗結果可以得出如下結論:

(1)隨著纖維體積含量的增加混雜纖維復合芯的彎曲強度和彎曲模量均增加，而且近乎成線性關系，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合芯的力學強度;

(2)隨著拉擠速度的上升，混雜纖維復合芯的彎曲強度和彎曲模量均有下降，當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，因此在復合芯的制備中應嚴格控制拉擠速度;

(3)對混雜纖維復合芯進行了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℃時混雜纖維復合芯的熱膨脹系數僅為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.架空輸電線新型復合材料合成導線的研究開發［J］.電力建設，2005(11):1-6.

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