電力工程中的碳纖維增強樹脂基復合材料應用研究

晏劍明

（云南銀塔電力建設有限公司，云南昆明650000）

復合材料一般由兩種及以上不同性質的材料以特定方式與加工方法結合而成,屬于新型高性能組合材料[1]。在微觀層面,復合材料的各組分材料以某種特定方式實現融合,融合中存在著顯著的界面,且于界面處相互發生作用力,屬于不均勻材料,其特性主要由基體、增強體以及兩者間的復合方式決定。其中,基體主要表現為連續相,如樹脂、水泥等,具備連接增強體和傳力的功能；增強體是復合材料的受力主體,如顆粒、纖維等。其中,聚合物纖維、陶瓷纖維、金屬纖維等均可作為增強體,目前應用最為廣泛的增強體當屬碳纖維[2]。

碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）是以樹脂作為基體,以碳纖維為增強體,經特殊工藝復合形成,其憑借優異的強度、抗腐蝕、耐熱燒蝕以及輕質高強等特性,在航空航天、軍工、醫療、建筑及體育器材等領域應用非常普遍[3]。例如,張雪才等[4]利用CFRP材料對水工鋼閘門進行修復,避免了傳統粘鋼加固技術存在的易銹蝕、應力較為集中等弊端；歐陽宏志等[5]基于民航客機案例,探析了航空碳纖維材料的雷電效應,為飛機防護提供了參考；袁代標[6]對比分析了CFRP材料與鋼材、鋁合金等材料在車輛轉換架結構中應用的特性,指出CFRP材料在各種力學特性方面具有更好的優勢。綜上可知,CFRP材料雖然應用廣泛,但關于其在電力工程方面的研究報道仍較少,本文主要總結介紹碳纖維增強樹脂基復合材料在電力工程土建中的應用現狀,指出其在電力工程領域的存在問題與發展前景,以期促進CFRP這一先進復合材料的進一步推廣與應用。

1 碳纖維增強樹脂基復合材料及其特性

碳纖維增強復合材料（CFRP）作為一種高性能復合材料,相較于芳綸纖維（AFRP）或玻璃纖維（GFRP）等其他類型纖維的復合材料,具備更加優異的綜合特性。具體而言,CFRP的特性主要表現在以下幾個方面：

（1）比強度大。在密度方面,CFRP僅約為鋼材的0.2,鈦合金的0.3,這使得CFRP材料的比強度顯著優于常用的傳統建材,如玻璃鋼、超硬鋁、高強鋼等,且比模量均超過傳統建材至少3倍[7]。憑借輕質高強的特性,其非常契合航空航天領域的材料性能要求。

（2）耐疲勞。在荷載工況下,CFRP材料表現為黏彈性特點,能抑制裂縫擴張,抗疲勞特性佳。處于靜態時,CFRP材料的破壞條件為極限強度應力的0.9倍,可循環作用逾百次,而相同工況下鋼材的破壞極限僅為強度應力的50%左右[8]。受組份材料碳纖維較大的剛性影響,CFRP材料的抗蠕變性能顯著。

（3）耐腐蝕、抗磨損。CFRP材料抵抗摩擦磨損的能力較強,具有自潤滑性。同時,CFRP材料在各種惡劣的環境條件下均具備良好的適應性,得益于組份材料樹脂的抗腐蝕能力,其能長期接觸酸、堿、鹽等極端環境條件而不致于變形受損,維持自身性能不下降。

（4）耐水、導電性優良。CFRP材料的基體樹脂不易被水潤濕,具有疏水性,而碳纖維則導電性良好,這使得CFRP復合材料能在潮濕條件下長期服役,表現出優良的耐水性,且具備導電性能。

2 碳纖維增強樹脂基復合材料在電力工 程中的應用

鑒于碳纖維增強復合材料碳纖維所具備的一系列優異特性,如耐腐蝕、耐磨損以及輕質高強等,這些都非常契合于電力工程的土建應用環境與應用需求,例如結構加固等。同時,CFRP材料較低的傳熱性能、較小的熱膨脹系數以及自身的導電性等,使其在電線電纜等材料應用中也占據一席之地。

2.1 電力工程結構加固

在電力工程中,土建相關設施的服役環境往往較差,混凝土結構在長期的露天野外、酸堿鹽環境或年久失修等工況下,混凝土開裂或鋼筋銹蝕等老化或劣化現象不可避免,需要對其進行加固維修。傳統的植筋法、截面擴大法等加固手段存在工藝復雜、實施效果不佳等弊端,而采用CFRP材料（主要包括纖維布或纖維板等成品）開展結構加固施工,則具備操作便捷、成本可控以及加固效果顯著等優勢,近些年來應用較為普遍。

在混凝土構件加固過程中,CFRP材料一般包括碳纖維材料與配套樹脂這兩類。其中,碳纖維表現出強度大、彈模高以及自重小等應用特性。配套樹脂可分為三類,如黏結型、找平型或者底層型,對于黏結型樹脂而言,其主要功能在于將混凝土與碳纖維體連接凝固為整體,使之形成協同受力體系；而找平型樹脂和底層型樹脂則主要起到提高構件與CFRP材料黏結效果的作用。通過CFRP材料的加固,混凝土構件能借助碳纖維增強體和樹脂基體的抗彎能力,實現結構補強[9]。

在電力工程混凝土結構加固中,大多應用碳纖維布進行補強。加固用的膠黏材料包括底涂膠、浸漬樹脂以及修補膠。底涂膠用于增強構件與碳纖維間的黏結性,浸漬樹脂能將碳纖維片材凝結成為整體的板狀受力體,而修補膠可對構件表面進行整平,以更好地與CFRP材料實現結合。

碳纖維布加固完成后,應按一定的標準對其電力工程的結構施工質量進行檢驗,具體標準要求如下：粘結膠與碳纖維充分浸潤,膠水深入碳纖維布的每一個細小結構之中,將纖維絲粘合在一起,達到共同承載外力的目的；碳纖維布與構件的混凝土基層粘結牢固,粘結強度達到預期要求；碳纖維布外觀上沒有偏移、起鼓、褶皺、松脫等不良現象,搭接處的長度符合設計要求；加固位置處的碳纖維布施工方向、位置、層數及尺寸等與設計和方案要求的一致。

2.2 碳纖維加熱電纜

在電加熱領域,當前應用較為普遍的發熱體主要是將金屬材料作為基體,如金屬絲等,相關的金屬發熱機具擁有非常大的應用場景。然而在實際應用中,處于高熱條件下的金屬絲材質有較大概率會發生氧化,且隨著使用時間的推移,氧化層得以累積變厚,導致能有效通過的電流截面積被不斷壓縮,電流負荷增大,最終導致金屬絲被燒斷。而利用碳纖維增強樹脂基復合材料而制成的碳纖維加熱電纜時,其在電流負荷值相等的工況條件下,強度能達到金屬絲的8倍以上,能有效預防燒斷現象。

碳纖維宏觀上表現為全黑的色澤,其在電力工程的電熱領域擁有較高的電熱轉換效率。在常見的應用場合下,碳纖維電纜高溫不氧化,且在高熱環境下服役時,能維持電流負荷強度的穩定性,并表現出較大的機械強度。

當前,碳纖維加熱電纜憑借上述特性逐漸得到了推廣應用,如鋪設于地磚或木地板之下的輻射發熱地板采暖系統以及蔬菜大棚、花圃的發熱保溫等。另外,碳纖維加熱電纜還具有化雪、防凍以及土壤保溫等作用,主要的應用點如下：

(1)在北方多雪等極端環境條件下,應用碳纖維加熱電纜能快速融化道路積雪,保證機場跑道的正常功能[10]；冬季施工時,可作為混凝土結構保溫養護的加熱產品；可以靈活設置于屋面雨水管道或排水管道中,防止管道結霜。

(2)碳纖維加熱電纜作為一種綠色環保的電力產品,可以生產出各種綜合性能優良的電伴熱器具,借助電能的清潔與無二次污染等天然優勢,其在電力工程以及民用或商業建筑中具有廣闊的應用前景。

(3)可鋪設于公共草坪或城市綠地的土壤中,實現土壤保溫的效果；在光照條件較差的區域,可作為太陽能熱水器的補充加熱裝置,碳纖維加熱電纜的耐腐蝕性、耐水性優良,熱膨脹系數低,能適用于各種極端天氣,且具備防干燒功能,能在保證使用安全的前提下,更好地滿足生活或生產需要。

2.3 碳纖維復合芯導線

我國電業發展較為滯后,電荒時有發生。近些年來,受新冠肺炎疫情、煤價上漲以及需電量增加等影響,我國部分省市（東三省、廣東以及浙江等）出現拉閘限電,一定程度上影響了人們的日常生活。作為較為缺電的國家之一, 我國在輸電領域也存在較多缺陷。當下的電路傳輸擴容需求進一步加大,導致以往的鋼芯鋁絞線（ACSR）逐漸難以滿足線路輸電需求,因為負荷過大而導致的停/斷電事故頻繁,嚴重限制了電力工業的健康發展。因此,尋找一種新型的架空輸電路用導線成為迫切需求,而碳纖維復合芯導線（ACCC）的眾多優異特性[11],正契合了這一需求。目前,我國較多的電力研究院或電網公司均已對該新型電纜開展了分析和研究。

相比以往的ACSR, ACCC導線擁有更加突出的綜合特性,具體如下：

（1）在同等截面積（直徑）條件下,較之傳統ACSR導線,ACCC電纜可達到2倍以上的載流容量,相應可大幅節約項目成本。同時,可比ACSR電纜容納更多的導體。

（2）碳纖維復合芯導線抗高溫性能突出,允許的工作溫度可達200℃。

（3）ACCC電纜能克服雙金屬間腐蝕的缺陷,且不存在電纜下垂現象,可適當降低架設高度。

（4）作為一種高強度的導線,在相同電纜架數量下,ACCC電纜能實現更大的跨距,節約用地。

（5）ACCC電纜可有效降低電力傳輸耗損和塔桿用量,減少資源消耗,有利于輸電網絡的環保化、節約化發展。

3 碳纖維增強樹脂基復合材料存在的問 題與未來展望

自20世紀80年代起,我國便逐步對碳纖維增強樹脂基復合材料進行了應用研究,相關產業化基地得到一定的發展,其在電力工程中具有廣闊的應用前景[12],但目前碳纖維材料價格始終居高不下,產品質量無法有效保證,成為實現其進一步產業化應用的瓶頸。對于我國電力工程領域而言,保證電力行業碳纖維導線產業化的基本條件是實現CFRP材料的產業化。為更好地促進CFRP材料在電力工程中的應用,在實際應用中需要重點考慮以下問題：

（1）為更大程度地利用CFRP材料的優異性能,應重視組分原材料的選擇控制以及工藝方法的創新研發,保證材料的性能參數。

（2）CFRP材料具備優良的耐腐蝕、耐磨損性,但針對電力工程特殊性,還需考慮耐沖擊性的優化。

（3）加大CFRP復合材料與待補強電力工程混凝土結構間的界面性能研究,保證高效的黏結性。

（4）綜合考慮實際應用環境,進一步探索研究CFRP材料在濕熱、酸堿或凍融等惡劣環境下的蠕變性和伸長率,掌握其長期性能的影響因素,保證材料在電力工程服役過程中的安全性與有效性。

4 結語

復合材料能夠取長補短,突破傳統單一材料的應用局限,既有各組分原材料的優良性能,也有原材所不具備的特性,在我國各個領域中均占據重要的應用地位,尤其是CFRP材料,其因突出的強度、抗腐蝕、耐熱燒蝕以及輕質高強等綜合性能,得到了更加廣泛的應用。目前,CFRP材料的相關結構種類日趨繁多,加工成型工藝不斷發展創新,在節能環保、特殊工程應用以及金屬替代等方面表現出獨特的應用潛力,未來必將擁有更廣泛的發展前景。