石墨基柔性接地體比熱容研究

韋揚志，丁衛東，胡松江，張國鋒，務孔永，陳彥青

（1.超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545000；2.西安交通大學 電氣工程學院，陜西 西安 710049；3.河南四達電力設備股份有限公司，河南 許昌 461500）

0 引 言

比熱容（Specif i c Heat Capacity，符號C）簡稱比熱，亦稱比熱容量，是熱力學中常用的一個物理量，表示物體吸熱或散熱的能力。比熱容越大，物體的吸熱或散熱能力越強。它是指在恒定的壓力下，單位質量的物質溫度升高1 K所需要的熱量。國際單位制中，它的單位是焦耳每千克開爾文[J/(kg·K)]，即令1 kg物質的溫度上升1 K所需的能量。根據此定理，可得出：

式中：m為物質的質量，單位kg；Cp為比熱容，J/（kg·K），下標p表示等壓過程；dQ為物質升溫dT所需要的熱量，單位J。

物質的比熱容越大，相同質量和溫升時需要的熱能越多。

固體材料的比熱容是溫度的函數。一般情況下，固體的比熱容隨溫度升高而增加，在低溫時增加較快，高溫時增加較慢。

石墨基柔性接地體作為一種新型的接地體材料，其比熱容的大小決定了材料在電流作用下的溫升情況。研究測定石墨基柔性接地材料的比熱容，對進行材料熱穩定計算具有重要意義。

石墨物質形態很多，其比熱容差別較大，現有文獻關于石墨材料的比熱容數據僅可以作為對石墨基柔性接地體比熱容研究的參考。石墨基柔性接地體是將鱗片石墨進行插層處理，經600～1 000 ℃高溫膨化制得膨脹石墨，將膨脹石墨、玻璃纖維及粘結劑輥壓成厚度為0.24～0.25 mm的石墨/玻纖復合膜，再經過捻線、編織工藝制成的復合材料。它的成分比較復雜，因此其比熱容曲線不會像純凈物的比熱容曲線一樣平滑，可能會出現一定波折。

測量材料的比熱容方法一般有3種：混合法、差式掃描量熱法（DSC）和差熱分析法（DTA）。石墨基柔性接地材料屬于膨脹石墨制品，具有一定的吸水性，不適合采用混合法進行材料的比熱容測定；差熱分析法（DTA）要求樣品為粉末狀，而石墨基柔性接地材料為膨脹石墨、玻璃纖維和粘合劑，很難制備成符合要求的粉末狀樣品，所以也不太適合采用差熱分析法（DTA）進行比熱容測定。因此，本實驗采用差式掃描量熱法（DSC）對石墨基柔性接地體進行比熱容測定研究。

1 實驗原理

本實驗依據GB/T 19466.4中的連續升溫掃描法進行，在規定的氣氛及程度溫度控制下,測量輸入到試樣和參比樣的熱流速率差隨溫度和/或時間變化的關系。每次測量以相同的掃描速率進行如下3次試驗：（1）空白試驗（樣品端和參比端均為空坩堝）；（2）校準試驗（樣品端樣品坩堝內放置校準物質，參比端為空坩堝）；（3）試樣試驗（樣品端樣品坩堝內放置試樣，參比端為空坩堝）。

本實驗比熱的計算公式為：

式中：P為熱流速率（dQ/dT）；上標sp和cal分別表示試樣和參比物質；下標sr、cr和br分別表示試樣實驗的熱流速率（specimen run）、校準試驗的熱流速率（calibration run）和空白試驗的熱流速率（black run）。

2 實驗儀器

（1）Q2000熱流型差示掃描量熱儀（DSC）；（2）坩堝：φ5.4 mm×2.6 mm鋁制坩堝，頂蓋為同直徑下凹型；

（3）萬分之一天平；

（4）標準樣品：人造藍寶石，25.94 mg；（5）分析級氮氣。

3 試驗樣品

（1）從石墨基柔性接地體樣品中部，用清潔的剪刀剪下一小段柔性石墨線轉移至樣品坩堝中，使之平鋪；用減重法測量其質量為14.57 mg，記做1#試品。

（2）將箱式電阻爐升溫至450 ℃，打開爐門，將石墨基柔性接地體樣品放置其中保溫2 h，使其中可能發生在450 ℃以下溫度發生相變的物質充分燒失，再從其中間部位用清潔的剪刀剪下一小段柔性石墨線轉移至樣品坩堝中，使之平鋪；用減重法測量其質量為11.80 mg，記做2#試品。

4 試驗過程簡述

4.1 試驗條件

（1）環境溫度：22 ℃；

(1) 工程案例一。案例引自文獻[9]，滑坡體為黏土和粉質黏土為主夾雜碎石，坡體傾斜度為20°，土體重度γ=18 kN/m3，土體抗剪強度參數c=130 kPa，φ=15°，抗滑樁截面尺寸a=2 m，b=3 m，抗滑樁受荷段長H=10.5 m。由不平衡荷載傳遞系數法計算出抗滑樁處的設計滑坡體推力為1 076.6 kN/m。

（2）環境濕度：41%RH；

（3）保護氣氛：氮氣，50 mL/min。

4.2 溫度程序

（1）初始溫度-40.00 ℃

（2）等溫5.00 min；

（3）以5.00 ℃/min的速度升溫至470.00 ℃。

（4）等溫5.00 min。

按照GB/T 19466.4中規定的試驗方法，分別對以上兩種試樣進行比熱容測定。

5 試驗結果

試品的比熱容測試結果如表1所示，試品的比熱容曲線如圖1所示。

6 測試結果分析

6.1 1#試品測試結果分析

1#試品是石墨基柔性接地體的初始狀態試品。石墨基柔性接地體屬于一種復合材料，其主要成分有3種：（1）膨脹石墨，含量約為70%；（2）玻璃纖維，含量約為18%；（3）粘合劑，含量約為12%。

這3種成分的比熱容各不相同，都對復合體的比熱容產生一定影響。首先，膨脹石墨和玻璃纖維在復合材料中的含量最大，其物理和化學性質比較穩定，在450 ℃以下不會發生相變，但在0～450 ℃期間其比熱容隨溫度的升高而增大。其次，粘合劑。在260 ℃左右會發生相變分解，此時復合材料所消耗的熱量并沒有全部用于升溫，其中一部分熱量用于使粘合劑分解揮發，因此測量的比熱容較高。

圖1 試品的比熱容曲線

6.2 2#試品測試結果分析

2#試品是將石墨基柔性接地體中的能夠在450 ℃以下發生相變的物質充分分解揮發后制得的試品，是膨脹石墨與玻璃纖維組成的復合材料的比熱容曲線。由于沒有物質發生相變，其比熱容曲線基本連續。

在石墨基柔性接地體的實際使用中，粘合劑不會完全揮發分解，且由于膨脹石墨具有微孔結構，有極強的吸附能力，可能會吸附土壤中的水分子和其他微粒，在其受熱過程中也會影響其溫升，所以其比熱容曲線仍然會在2#試品的比熱容曲線上方。

6.3 石墨基柔性接地體的等效比熱容

利用Excel軟件對2#試品的比熱容曲線進行擬合，可得到一個比熱容的近似函數：

由此可以得到2#試品在0～450 ℃的等效比熱容值為：

實際運行中，由于石墨基柔性接地體都含有粘合劑，且會吸附一定數量的水分，因而實際的比熱容值要遠遠大于此值。

7 結 論

（1）石墨基柔性接地體屬于多種材料組成的復合材料，其比熱容受各種組成成分的比熱容及含量影響，在一定范圍內波動；

（2）石墨基柔性接地體在電流作用下的溫升過程受環境和歷史過程影響，相比于純凈物比較復雜；

（3）在實際運行環境中，石墨基柔性接地體能夠吸附土壤中的水分子，因此在故障電流流過石墨基柔性接地體時，由于電流的熱效應而產生的溫升要比在空氣中的溫升低。