架空導線用纖維增強復合材料芯現狀及未來

王煦 秦凱 黃國飛

關鍵詞：架空導線，纖維增強樹脂基復合材料芯，纖維增強鋁基復合材料芯，老化性能

0 引言

纖維增強復合材料芯相比于鍍鋅鋼線、鋁包鋼線等傳統金屬加強芯材料，具有強度高、密度小、低膨脹、耐腐蝕等顯著優勢[1-3]。自20世紀90年代起，纖維增強復合材料芯開始廣泛應用于架空導線領域[4-6]。

本文梳理了架空導線用纖維增強復合材料芯的發展歷程和技術邏輯，指出了當前應用和研究中存在的不足之處，以期進一步推進纖維增強復合材料芯在架空導線領域的應用。

1 纖維增強復合材料芯分類

根據基體材料和纖維材料不同，當前架空導線用纖維增強復合材料芯可以分為兩大類：樹脂基碳纖維復合材料芯和鋁基陶瓷纖維復合材料芯，兩類材料由于不同的物理特性，先后經歷了不同的發展脈絡（如圖1所示）。

1.1 鋁基陶瓷纖維復合材料芯

鋁基陶瓷纖維復合材料芯，是由3M公司于2001年研發的一種新型加強芯材料[7]。其結構如圖2（a）所示：多根芯線同心排列，不絞合，外部采用具有粘性的金屬織物纏繞包裹[8]。單根芯線斷口如圖2（b）所示，可見芯線內部由上萬根截面呈圓角矩形的陶瓷纖維無規則彌散分布在鋁基體中，每根陶瓷纖維寬度約為7.5μm，長軸約為16μm。圖2（c）所示為鋁基陶瓷纖維芯的內部缺陷，可見芯線內部，廣泛存在由于陶瓷纖維與鋁液浸潤效果不佳造成的孔隙。陶瓷材料自身伸長率較低，疊加廣泛存在于產品內部的孔隙缺陷，使得這種理論上完美的加強芯材料伸長率很低。根據ASTM B976-21要求，鋁基陶瓷纖維復合材料芯線的基本物理性能見表1。

對3M公司生產的某標稱直徑為1.9mm的鋁基陶瓷纖維復合材料芯進行各項性能測試，實測結果見表1。可見抗拉強度高于標準要求，斷后伸長率則顯著低于標準要求的0.65%，線膨脹系數、彈性模量、密度和體積電阻率與標準參數基本一致[7]。

1.2 樹脂基碳纖維復合材料芯

樹脂基碳纖維復合材料芯的常見結構如圖3所示，可分為棒式、絞合式、金屬包覆式等。

1.2.1 碳纖維復合材料芯棒

碳纖維復合材料芯棒于2002年由CTC公司開發成功，并于2004年制備完成ACCC導線，掛網投入商用[1]。其結構如圖3（a）所示：外層包覆玻璃纖維，芯部為碳纖維，采用耐高溫樹脂浸潤后，經過模具加熱、固化，拉拔成型[8]。該產品在我國的應用，可追溯至2006年，由遠東復合技術有限公司引入CTC產品和技術，生產制造了我國首條商用ACCC架空導線，在福建龍巖掛網運行[9]。

碳纖維復合材料芯棒，具有高強度、低密度、低膨脹、耐腐蝕的優良特性，但是其抗彎折、抗沖擊性能較差，施工性能不佳，需要特制連接金具。這導致芯棒及導線在生產、運輸、施工過程中，極易因外力沖擊或操作不當造成不可逆轉的損傷。如圖4所示，某芯棒受到外力沖擊后，受損玻璃纖維和環氧樹脂碎裂，從基體剝離，內部碳纖維芯碎裂成多個小塊，嚴重破壞了材料整體的力學性能，使其在遠低于計算拉斷力的負荷下發生了斷裂[10]。

為了提高碳纖維復合材料芯棒抗沖擊、抗彎折性能，改善其施工性能，國內外各廠商從制備工藝入手，提出了眾多不同的技術路線，主要包括：絞合式碳纖維復合材料芯和金屬包覆式碳纖維復合材料芯。

1.2.2 絞合式碳纖維復合材料芯

絞合式碳纖維復合材料芯，目前主要有兩種構型，其結構如圖3（b）和圖3（c）所示。圖3（b）所示碳纖維復合材料芯，采用高分子材料繞包后絞合，并采用環氧樹脂粘結固化，顯著改善了復合材料芯的抗彎折和抗沖擊性能，可承受40D（D為復合材料芯標稱外徑）卷繞，而不斷裂，卷繞后材料的力學性能不產生任何衰減[11，12]。圖3（c）所示碳纖維復合材料芯，多股碳纖維棒大節距絞合，外部采用高分子材料粘結[13]。

當受到外力擠壓時，此類復合材料芯各線股產生錯位，變形，高分子材料隨之變形，而不是線股開裂，當外力卸除后，由于高分子材料良好的粘結性和彈性變形特性，絞合結構迅速恢復。當受到沖擊時，這種高分子黏連結構能夠較好吸收沖擊能量，且絞合結構能夠限制斷裂發生在某根線股或某幾根，而不至整個絞合材料發生斷裂。

1.2.3 金屬包覆式碳纖維復合材料芯

金屬包覆式碳纖維復合材料芯，結構如圖3（d）和圖3（e）所示。圖3（d）所示材料是在圖3（a）所示碳纖維復合材料芯棒，或無玻纖層的芯棒外部，采用焊接工藝，包覆一層軟鋁材料[14]。圖3（e）所示材料是在碳纖維復合材料外部，采用焊接工藝，包覆一層不銹鋼，并經特制模具成型后絞制，形成兼具金屬包覆特征和絞合特征的復合材料芯，通過這種工藝，能夠極大改善碳纖維復合材料芯的抗彎曲性能，廠商宣稱其可耐受25D卷繞[15]。

各類樹脂基碳纖維復合材料芯的性能參數見表2，對各類樹脂基碳纖維復合材料芯進行徑向耐壓試驗，試驗后各自端面如圖5所示。可見對于棒式碳纖維材料[16]和包覆了軟鋁層的碳纖維棒，當壓縮力值超過某一閾值后，芯棒瞬間碎裂；而對于絞合式碳纖維復合材料芯，在壓縮過程中，結構變形占據主導地位，并能限制碎裂在一定范圍內，顯著改善了材料的抗壓性能。

1.2.4 碳纖維復合材料芯的新應用場景

如上文所述，碳纖維復合材料芯在使用過程中抗沖擊、抗彎折性能較差，且生產、施工過程中難以發現已產生的斷裂隱患。為了解決該問題，一些廠商在絞合式碳纖維復合材料芯的每根芯棒內部，預埋了光纖（如圖6所示）。絞合結構，較好改善了復合芯的彎曲性能，內部光纖，可以便捷地監測斷股情況：當復合材料芯受到沖擊斷裂時，光纖隨之斷裂，信號消失；在正常運行時，該光纖搭配相應信號接收裝置，可用于通信和應變監測[17]。

2 當前研究和應用的不足之處與解決辦法

2.1 老化性能及其失效機理研究缺失

相較于鍍鋅鋼線或鋁包鋼線等傳統加強芯材料，復合材料芯的應用歷史很短，各種環境因素及老化條件對材料性能的影響研究尚顯不足。目前對樹脂基碳纖維復合材料的老化性能研究主要集中在紫外光照射，酸、堿、鹽環境條件，熱效應，熱應力等因素對碳纖維復合材料芯的力學性能影響[18-23]。上述研究從一定程度說明了碳纖維復合材料芯在不同老化環境下力學性能的變化情況，但并未從材料結構變化等深層次說明力學性能變化的原因。且當前的研究，均基于人工加速老化，測試周期普遍較短，與自然條件偏差較大，因此所呈現研究和測試結果與現狀差異顯著。圖7所示為一軸碳纖維復合材料芯棒，在露天條件下自然放置10年后的狀態，可見該芯棒已多處明顯脆性斷裂，顯著不同于文獻所述實驗室人工老化試驗結果。

鋁基陶瓷纖維復合材料芯，相比于鋁包殷鋼線，其熱膨脹系數較大，導線金具需特制；相比于樹脂基碳纖維復合材料芯，其密度較大、強度較低。綜合性能沒有顯著優勢[24]，且該材料制造工藝復雜[25-27]，長期由3M公司壟斷，導致該產品價格居高不下，其應用少之又少[28]。因此我們亟需加強基礎材料研究，掌握相關制造工藝，降低生產、使用成本，同時加強對其老化性能研究，以保障現有路線運行安全。

近年來，先后發生了多起碳纖維復合材料芯導線斷線事故，且大多發生在距離耐張塔20m左右[29-30]。一些學者對此現象進行了分析，指出芯棒斷裂發生在導線斷裂之前，并據此提出了預防性措施[29]。一些學者將服役后斷裂導線芯棒與未服役芯棒性能進行了分析測試和比較，最終將芯棒斷裂歸咎于線路運行中的微動損傷[30]。上述研究并未明確為什么導線芯棒斷裂于此，并缺乏從導線和芯棒的制造、運輸、施工、運行的全周期整體考慮，僅僅從運行過程考慮，必然得出片面、甚至錯誤結論。因此亟需加強基礎理論研究，做到知其然，知其所以然。

2.2 測試和表征方案單一

目前對纖維增強材料的性能表征主要集中于力學性能，即抗拉強度、彈性模量、卷繞性能等參數，對于材料的環境老化特性，施工特性的測試方法和表征方案較為欠缺。具體表現為：環境老化試驗后，僅以芯棒的力學性能變化情況說明材料的變化[22]；施工特性試驗，僅以機具對導線力學性能的影響為判據[31]。然而，力學性能的變化原因和機理，卻鮮有研究。

理論研究的滯后，導致復合材料芯導線在應用過程中屢屢出現各種問題[29，30]，分析原因時總是浮于現狀，缺乏深究根本原因，這進一步削弱了用戶對碳纖維復合芯導線的信心，制約了復合材料芯導線應用。因此，亟需對復合材料芯及導線制品開展更深入研究與測試，從材料的組成、制備工藝、結構、服役環境等多方面入手，深入研究各個環節對其性能的影響。開發新的測試方法和表征方案，如：工業CT、掃描電鏡（SEM）、動態熱機械分析儀（DMA）等先進測試方法的應用[32，33]，將有助于我們從材料結構、成分的角度分析力學性能變化規律。

2.3 標準化滯后

鋁基陶瓷纖維復合材料芯及導線產品，由于技術門檻較高，當前在我國的應用很少，相關基礎研究鮮有報道。國家能源局于2013年參照鋁包殷鋼芯耐熱鋁合金導線，制定了《鋁基陶瓷纖維復合芯超耐熱鋁合金絞線》行業標準[34]，該標準規定了產品的表示方法、結構形式、材料性能、技術要求、試驗方法等內容，解決了鋁基陶瓷纖維復合材材料芯及導線產品標準的有無問題。

樹脂基碳纖維復合材料芯呈現百花齊放狀態，如表2所示，各種構型的復合材料芯和導線目前均有應用。這使得當前碳纖維復合芯和導線標準繁復異常，不利于產業發展和用戶使用。因此，有必要對碳纖維復合材料芯關鍵特性進行梳理，開展相關驗證工作，以便于制定統一的碳纖維復合材料芯導線標準，規范碳纖維復合材料芯及其導線生產、測試和使用。

此外，施工機具和施工規范尚不完善，復合材料芯導線由于使用歷史較短，施工作業人員對其認知不足，施工作業仍停留在鋼芯鋁絞線等傳統導線的粗放狀態[35，36]。不規范的施工、不合理的施工機具和工藝，是導致當前碳纖維復合材料芯導線斷裂的首要原因[29]。因此，亟需開發適用于碳纖維導線的施工機具，制修訂更加完善、科學的碳纖維導線的施工機具、施工規范標準，以便于制定更加合理的施工方案，避免施工過程對碳纖維導線造成不必要的損傷。

3 結語

纖維增強復合材料芯是良好的架空導線用加強芯材料，具有一系列鍍鋅鋼線、鋁包鋼線等傳統加強芯材料無可比擬的技術優勢；同時由于應用時間較短，對其基礎理論研究尚不完善，在運行過程中不可避免地產生各種問題，而這正是人類認知螺旋上升發展過程中付出的必要代價。為了此類材料的持續發展和應用，建議在后續研究中注意以下問題。

（1）加強基礎理論研究，尤其是材料的老化性能和失效機理研究。

（2）開發新的測試、表征方法，助力基礎理論研究。

（3）提升標準化水平，推動纖維增強復合材料在架空導線領域的持續應用和正確應用。