電力工程中碳纖維樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用

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摘要：為更好地促進(jìn)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）的深入應(yīng)用，在闡述CFRP材料基本概念及其性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從電力工程土建結(jié)構(gòu)加固、碳纖維加熱電纜以及碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線等方面出發(fā)，總結(jié)介紹了CFRP材料在電力工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀?；贑FRP復(fù)合材料在目前應(yīng)用中存在的價(jià)格偏高、難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等問題，從復(fù)合材料組分控制、耐沖擊性優(yōu)化、界面性能研究以及惡劣環(huán)境下的長(zhǎng)期性能等角度，指出了CFRP材料未來的發(fā)展方向。該文總結(jié)的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展建議，有助于推動(dòng)其在電力工程中的進(jìn)一步深入研究。

關(guān)鍵詞：碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料；電力工程；加熱電纜；復(fù)合芯導(dǎo)線；應(yīng)用

復(fù)合材料一般由兩種及以上不同性質(zhì)的材料以特定方式與加工方法結(jié)合而成，屬于新型高性能組合材料[1]。在微觀層面，復(fù)合材料的各組分材料以某種特定方式實(shí)現(xiàn)融合，融合中存在著顯著的界面，且于界面處相互發(fā)生作用力，屬于不均勻材料，其特性主要由基體、增強(qiáng)體以及兩者間的復(fù)合方式?jīng)Q定。其中，基體主要表現(xiàn)為連續(xù)相，如樹脂、水泥等，具備連接增強(qiáng)體和傳力的功能；增強(qiáng)體是復(fù)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(qiáng)體，目前應(yīng)用最為廣泛的增強(qiáng)體當(dāng)屬碳纖維[2]。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）是以樹脂作為基體，以碳纖維為增強(qiáng)體，經(jīng)特殊工藝復(fù)合形成，其憑借優(yōu)異的強(qiáng)度、抗腐蝕、耐熱燒蝕以及輕質(zhì)高強(qiáng)等特性，在航空航天、軍工、醫(yī)療、建筑及體育器材等領(lǐng)域應(yīng)用非常普遍[3]。例如，張雪才等[4]利用CFRP材料對(duì)水工鋼閘門進(jìn)行修復(fù)，避免了傳統(tǒng)粘鋼加固技術(shù)存在的易銹蝕、應(yīng)力較為集中等弊端；歐陽(yáng)宏志等[5]基于民航客機(jī)案例，探析了航空碳纖維材料的雷電效應(yīng)，為飛機(jī)防護(hù)提供了參考；袁代標(biāo)[6]對(duì)比分析了CFRP材料與鋼材、鋁合金等材料在車輛轉(zhuǎn)換架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的特性，指出CFRP材料在各種力學(xué)特性方面具有更好的優(yōu)勢(shì)。綜上可知，CFRP材料雖然應(yīng)用廣泛，但關(guān)于其在電力工程方面的研究報(bào)道仍較少，本文主要總結(jié)介紹碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在電力工程土建中的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出其在電力工程領(lǐng)域的存在問題與發(fā)展前景，以期促進(jìn)CFRP這一先進(jìn)復(fù)合材料的進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。

1碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料及其特性

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）作為一種高性能復(fù)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(fù)合材料，具備更加優(yōu)異的綜合特性。具體而言，CFRP的特性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）比強(qiáng)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(qiáng)度顯著優(yōu)于常用的傳統(tǒng)建材，如玻璃鋼、超硬鋁、高強(qiáng)鋼等，且比模量均超過傳統(tǒng)建材至少3倍[7]。憑借輕質(zhì)高強(qiáng)的特性，其非常契合航空航天領(lǐng)域的材料性能要求。（2）耐疲勞。在荷載工況下，CFRP材料表現(xiàn)為黏彈性特點(diǎn)，能抑制裂縫擴(kuò)張，抗疲勞特性佳。處于靜態(tài)時(shí)，CFRP材料的破壞條件為極限強(qiáng)度應(yīng)力的0.9倍，可循環(huán)作用逾百次，而相同工況下鋼材的破壞極限僅為強(qiáng)度應(yīng)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(qiáng)，具有自潤(rùn)滑性。同時(shí)，CFRP材料在各種惡劣的環(huán)境條件下均具備良好的適應(yīng)性，得益于組份材料樹脂的抗腐蝕能力，其能長(zhǎng)期接觸酸、堿、鹽等極端環(huán)境條件而不致于變形受損，維持自身性能不下降。（4）耐水、導(dǎo)電性優(yōu)良。CFRP材料的基體樹脂不易被水潤(rùn)濕，具有疏水性，而碳纖維則導(dǎo)電性良好，這使得CFRP復(fù)合材料能在潮濕條件下長(zhǎng)期服役，表現(xiàn)出優(yōu)良的耐水性，且具備導(dǎo)電性能。

2碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在電力工程中的應(yīng)用

鑒于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料碳纖維所具備的一系列優(yōu)異特性，如耐腐蝕、耐磨損以及輕質(zhì)高強(qiáng)等，這些都非常契合于電力工程的土建應(yīng)用環(huán)境與應(yīng)用需求，例如結(jié)構(gòu)加固等。同時(shí)，CFRP材料較低的傳熱性能、較小的熱膨脹系數(shù)以及自身的導(dǎo)電性等，使其在電線電纜等材料應(yīng)用中也占據(jù)一席之地。

2.1電力工程結(jié)構(gòu)加固

在電力工程中，土建相關(guān)設(shè)施的服役環(huán)境往往較差，混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期的露天野外、酸堿鹽環(huán)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(xiàn)象不可避免，需要對(duì)其進(jìn)行加固維修。傳統(tǒng)的植筋法、截面擴(kuò)大法等加固手段存在工藝復(fù)雜、實(shí)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(jié)構(gòu)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(yōu)勢(shì)，近些年來應(yīng)用較為普遍。在混凝土構(gòu)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(xiàn)出強(qiáng)度大、彈模高以及自重小等應(yīng)用特性。配套樹脂可分為三類，如黏結(jié)型、找平型或者底層型，對(duì)于黏結(jié)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(xié)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(gòu)件與CFRP材料黏結(jié)效果的作用。通過CFRP材料的加固，混凝土構(gòu)件能借助碳纖維增強(qiáng)體和樹脂基體的抗彎能力，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)[9]。在電力工程混凝土結(jié)構(gòu)加固中，大多應(yīng)用碳纖維布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。加固用的膠黏材料包括底涂膠、浸漬樹脂以及修補(bǔ)膠。底涂膠用于增強(qiáng)構(gòu)件與碳纖維間的黏結(jié)性，浸漬樹脂能將碳纖維片材凝結(jié)成為整體的板狀受力體，而修補(bǔ)膠可對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)行整平，以更好地與CFRP材料實(shí)現(xiàn)結(jié)合。碳纖維布加固完成后，應(yīng)按一定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其電力工程的結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，具體標(biāo)準(zhǔn)要求如下：粘結(jié)膠與碳纖維充分浸潤(rùn)，膠水深入碳纖維布的每一個(gè)細(xì)小結(jié)構(gòu)之中，將纖維絲粘合在一起，達(dá)到共同承載外力的目的；碳纖維布與構(gòu)件的混凝土基層粘結(jié)牢固，粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到預(yù)期要求；碳纖維布外觀上沒有偏移、起鼓、褶皺、松脫等不良現(xiàn)象，搭接處的長(zhǎng)度符合設(shè)計(jì)要求；加固位置處的碳纖維布施工方向、位置、層數(shù)及尺寸等與設(shè)計(jì)和方案要求的一致。

2.2碳纖維加熱電纜

在電加熱領(lǐng)域，當(dāng)前應(yīng)用較為普遍的發(fā)熱體主要是將金屬材料作為基體，如金屬絲等，相關(guān)的金屬發(fā)熱機(jī)具擁有非常大的應(yīng)用場(chǎng)景。然而在實(shí)際應(yīng)用中，處于高熱條件下的金屬絲材質(zhì)有較大概率會(huì)發(fā)生氧化，且隨著使用時(shí)間的推移，氧化層得以累積變厚，導(dǎo)致能有效通過的電流截面積被不斷壓縮，電流負(fù)荷增大，最終導(dǎo)致金屬絲被燒斷。而利用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料而制成的碳纖維加熱電纜時(shí)，其在電流負(fù)荷值相等的工況條件下，強(qiáng)度能達(dá)到金屬絲的8倍以上，能有效預(yù)防燒斷現(xiàn)象。碳纖維宏觀上表現(xiàn)為全黑的色澤，其在電力工程的電熱領(lǐng)域擁有較高的電熱轉(zhuǎn)換效率。在常見的應(yīng)用場(chǎng)合下，碳纖維電纜高溫不氧化，且在高熱環(huán)境下服役時(shí)，能維持電流負(fù)荷強(qiáng)度的穩(wěn)定性，并表現(xiàn)出較大的機(jī)械強(qiáng)度。當(dāng)前，碳纖維加熱電纜憑借上述特性逐漸得到了推廣應(yīng)用，如鋪設(shè)于地磚或木地板之下的輻射發(fā)熱地板采暖系統(tǒng)以及蔬菜大棚、花圃的發(fā)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(yīng)用點(diǎn)如下：(1)在北方多雪等極端環(huán)境條件下，應(yīng)用碳纖維加熱電纜能快速融化道路積雪，保證機(jī)場(chǎng)跑道的正常功能[10]；冬季施工時(shí)，可作為混凝土結(jié)構(gòu)保溫養(yǎng)護(hù)的加熱產(chǎn)品；可以靈活設(shè)置于屋面雨水管道或排水管道中，防止管道結(jié)霜。(2)碳纖維加熱電纜作為一種綠色環(huán)保的電力產(chǎn)品，可以生產(chǎn)出各種綜合性能優(yōu)良的電伴熱器具，借助電能的清潔與無(wú)二次污染等天然優(yōu)勢(shì)，其在電力工程以及民用或商業(yè)建筑中具有廣闊的應(yīng)用前景。(3)可鋪設(shè)于公共草坪或城市綠地的土壤中，實(shí)現(xiàn)土壤保溫的效果；在光照條件較差的區(qū)域，可作為太陽(yáng)能熱水器的補(bǔ)充加熱裝置，碳纖維加熱電纜的耐腐蝕性、耐水性優(yōu)良，熱膨脹系數(shù)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(chǎn)需要。

2.3碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線

我國(guó)電業(yè)發(fā)展較為滯后，電荒時(shí)有發(fā)生。近些年來，受新冠肺炎疫情、煤價(jià)上漲以及需電量增加等影響，我國(guó)部分省市（東三省、廣東以及浙江等）出現(xiàn)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(guó)家之一，我國(guó)在輸電領(lǐng)域也存在較多缺陷。當(dāng)下的電路傳輸擴(kuò)容需求進(jìn)一步加大，導(dǎo)致以往的鋼芯鋁絞線（ACSR）逐漸難以滿足線路輸電需求，因?yàn)樨?fù)荷過大而導(dǎo)致的停/斷電事故頻繁，嚴(yán)重限制了電力工業(yè)的健康發(fā)展。因此，尋找一種新型的架空輸電路用導(dǎo)線成為迫切需求，而碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線（ACCC）的眾多優(yōu)異特性[11]，正契合了這一需求。目前，我國(guó)較多的電力研究院或電網(wǎng)公司均已對(duì)該新型電纜開展了分析和研究。相比以往的ACSR，ACCC導(dǎo)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(tǒng)ACSR導(dǎo)線，ACCC電纜可達(dá)到2倍以上的載流容量，相應(yīng)可大幅節(jié)約項(xiàng)目成本。同時(shí)，可比ACSR電纜容納更多的導(dǎo)體。（2）碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線抗高溫性能突出，允許的工作溫度可達(dá)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(xiàn)象，可適當(dāng)降低架設(shè)高度。（4）作為一種高強(qiáng)度的導(dǎo)線，在相同電纜架數(shù)量下，ACCC電纜能實(shí)現(xiàn)更大的跨距，節(jié)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(wǎng)絡(luò)的環(huán)?；⒐?jié)約化發(fā)展。

3碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料存在的問題與未來展望

自20世紀(jì)80年代起，我國(guó)便逐步對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行了應(yīng)用研究，相關(guān)產(chǎn)業(yè)化基地得到一定的發(fā)展，其在電力工程中具有廣闊的應(yīng)用前景[12]，但目前碳纖維材料價(jià)格始終居高不下，產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法有效保證，成為實(shí)現(xiàn)其進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。對(duì)于我國(guó)電力工程領(lǐng)域而言，保證電力行業(yè)碳纖維導(dǎo)線產(chǎn)業(yè)化的基本條件是實(shí)現(xiàn)CFRP材料的產(chǎn)業(yè)化。為更好地促進(jìn)CFRP材料在電力工程中的應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用中需要重點(diǎn)考慮以下問題：（1）為更大程度地利用CFRP材料的優(yōu)異性能，應(yīng)重視組分原材料的選擇控制以及工藝方法的創(chuàng)新研發(fā)，保證材料的性能參數(shù)。（2）CFRP材料具備優(yōu)良的耐腐蝕、耐磨損性，但針對(duì)電力工程特殊性，還需考慮耐沖擊性的優(yōu)化。（3）加大CFRP復(fù)合材料與待補(bǔ)強(qiáng)電力工程混凝土結(jié)構(gòu)間的界面性能研究，保證高效的黏結(jié)性。（4）綜合考慮實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，進(jìn)一步探索研究CFRP材料在濕熱、酸堿或凍融等惡劣環(huán)境下的蠕變性和伸長(zhǎng)率，掌握其長(zhǎng)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(jié)語(yǔ)

復(fù)合材料能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，突破傳統(tǒng)單一材料的應(yīng)用局限，既有各組分原材料的優(yōu)良性能，也有原材所不具備的特性，在我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域中均占據(jù)重要的應(yīng)用地位，尤其是CFRP材料，其因突出的強(qiáng)度、抗腐蝕、耐熱燒蝕以及輕質(zhì)高強(qiáng)等綜合性能，得到了更加廣泛的應(yīng)用。目前，CFRP材料的相關(guān)結(jié)構(gòu)種類日趨繁多，加工成型工藝不斷發(fā)展創(chuàng)新，在節(jié)能環(huán)保、特殊工程應(yīng)用以及金屬替代等方面表現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用潛力，未來必將擁有更廣泛的發(fā)展前景。

作者:晏劍明 單位:云南銀塔電力建設(shè)有限公司