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      碳纖維復(fù)合材料及其在發(fā)熱電纜中的應(yīng)用

      2012-8-10   來(lái)源:   瀏覽:5895

        最近

      ,我國(guó)國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨重大機(jī)遇
      。我國(guó)電線電纜研究所、電力建筑研究院以及國(guó)家電網(wǎng)有限公司都 已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)ACCC導(dǎo)線的試驗(yàn)研究工作
      。希望國(guó)內(nèi)同行積極研究和開(kāi)發(fā)
      ,為加快碳纖維復(fù)合材料在我國(guó)發(fā)熱電纜 行業(yè)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展共同努力。下面小編帶大家詳細(xì)了解碳纖維復(fù)合材料在發(fā)熱電纜中的應(yīng)用

        一
      、碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展和戰(zhàn)略地位
        碳纖維的出現(xiàn)是材料史上的一次革命。碳纖維是目前世界首選的高性能材料
      ,具有高強(qiáng)度
      、高模量、耐高溫
      、抗疲勞
      、導(dǎo)電、質(zhì)輕
      、易加工等多種優(yōu)異性能
      ,正逐步征服和取代傳統(tǒng)材料。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航天
      、航空和軍 事領(lǐng)域
      。世界各國(guó)均把發(fā)展高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)放在極其重要的位置。碳纖維除了在軍事領(lǐng)域上的重要應(yīng)用外
      ,在 民品的發(fā)展上有著更加廣闊的空間
      ,并已經(jīng)開(kāi)始深入到國(guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域。在機(jī)械電子
      、建筑材料
      、文體、化 工
      、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域碳纖維有著無(wú)可比擬的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

        碳纖維是50年代初應(yīng)火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)技術(shù)的需要而產(chǎn)生的
      。80年代初期
      ,高性能及超高性能的 碳纖維相繼出現(xiàn),這在技術(shù)上是又一次飛躍
      ,同時(shí)也標(biāo)志著碳纖維的研究和生產(chǎn)已進(jìn)入一個(gè)高級(jí)階段
      。經(jīng)過(guò)二十 多年的發(fā)展
      ,碳纖維及其復(fù)合材料已從初創(chuàng)期轉(zhuǎn)入增長(zhǎng)發(fā)展期,其工業(yè)地位已基本確立
      ,美
      、日、英
      、法
      、德等 國(guó)的碳纖維產(chǎn)量已經(jīng)占世界產(chǎn)量的絕大部分,并已逐步形成壟斷優(yōu)勢(shì)

        我國(guó)對(duì)碳纖維的研究由于起步較晚
      ,技術(shù)力量薄弱,雖然碳纖維及其復(fù)合材料在我國(guó)已被納入國(guó)家“863”和 “973”計(jì)劃
      ,但總體情況不盡理想
      ,我國(guó)仍不具備成熟的碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù),國(guó)防和民用碳纖維產(chǎn)品基本依 賴進(jìn)口
      。   

        二、碳纖維復(fù)合材料的性能和用途
        碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維
      ,是由含碳量較高
      、在熱處理過(guò)程中不熔融的人造化學(xué)纖維經(jīng)熱 穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的
      。其含碳量隨種類不同而異
      ,一般在90以上。碳纖維具有一般碳 素材料的特性
      ,如耐高溫
      、耐磨擦、導(dǎo)電
      、導(dǎo)熱及耐腐蝕等
      ,但與一般碳素材料不同的是,其外形有顯著的各向 異性
      、柔軟
      、可加工性好,沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度
      ,且碳纖維比重小

        1、碳纖維的化學(xué)性能
        碳纖維是一種纖維狀的碳素材料
      。我們知道碳素材料是化學(xué)性能穩(wěn)定性極好的物質(zhì)之一
      。這是歷史上最早就 被人類認(rèn)識(shí)的碳素材料的特征之一。除強(qiáng)氧化性酸等特殊物質(zhì)外
      ,在常溫常壓附近
      ,幾乎為化學(xué)惰性?div id="jfovm50" class="index-wrap">?梢哉J(rèn)為 在普通的工作溫度≤250℃環(huán)境下使用
      ,很難觀察到碳纖維發(fā)生化學(xué)變化。根據(jù)有關(guān)資料介紹
      ,從碳素材料的化學(xué) 性質(zhì)分析
      ,在≤250℃環(huán)境下,碳素材料既沒(méi)有明顯的氧化發(fā)生
      ,也沒(méi)有生成碳化物和層間化合物生成
      。由于碳素 材料具有氣孔結(jié)構(gòu),因此氣孔率高達(dá)25%左右
      ,在加熱過(guò)程易產(chǎn)生吸附氣體脫氣情況
      ,這樣的過(guò)程更有利于我們 穩(wěn)定電氣性能和在電熱領(lǐng)域的應(yīng)用。
        2
      、碳纖維的物理性能
        (a)熱學(xué)性質(zhì)  碳素材料因石墨晶體的高度各向異性
      ,而不同于一般固體物質(zhì)與溫度的依存性,從工業(yè)的應(yīng)用 角度來(lái)看
      ,碳素材料比熱大體上是恒定的
      。幾乎不隨石墨化度和碳素材料的種類而變化。
        (b)導(dǎo)熱性質(zhì)  碳素材料熱傳導(dǎo)機(jī)理并不依賴于電子
      ,而是依靠晶格振動(dòng)導(dǎo)熱
      ,因此,不符合金屬所遵循的維 德曼一夫蘭茲定律
      。根據(jù)有關(guān)資料介紹
      ,普通的碳素材料導(dǎo)熱系數(shù)極高,平行于晶粒方向的導(dǎo)熱系數(shù)可與黃銅媲 美

        (c)電學(xué)性質(zhì)  碳素材料電學(xué)性質(zhì)主要與石墨晶體的電子行為和不同的處理溫度有關(guān)
      ,石墨的電子能帶結(jié)構(gòu)和 載流子的種類及其擴(kuò)散機(jī)理決定了上述性質(zhì)。碳素材料這類電學(xué)性質(zhì)具有本征半導(dǎo)體所具備的特征
      ,電阻率變化 主要與載流子的數(shù)量變化有關(guān)

        3、碳纖維的主要用途
        與樹(shù)脂
      、金屬
      、陶瓷等基體復(fù)合,做成結(jié)構(gòu)材料
      。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料
      ,其比強(qiáng)度、比模量綜合指 標(biāo)
      ,在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的
      。在剛度
      、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域
      ,在要求高溫
      、化學(xué)穩(wěn)定性高的 場(chǎng)合,碳纖維復(fù)合材料都頗
        具優(yōu)勢(shì)

        由碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合而成的復(fù)合材料
      ,由于其比重小、剛性好和強(qiáng)度高而成為一種先進(jìn)的航空航天材料

        最神奇的應(yīng)用是采用長(zhǎng)碳纖維制成的“納米繩”可以將“太空電梯”由理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)
      ,太空電梯將可以將乘 客和各種貨物運(yùn)送到空間軌道站上,也可以用這種“納米繩”將太空中發(fā)射平臺(tái)與地面固定在一起
      ,在這樣的發(fā) 射平臺(tái)上發(fā)射人造衛(wèi)星和太空探測(cè)器就可以大大降低發(fā)射成本

        總結(jié)碳纖維復(fù)合材料的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用有以下幾個(gè)方面:
        (1)宇航工業(yè)用作導(dǎo)彈防熱及結(jié)構(gòu)材料如火箭噴管、鼻錐
      、大面積防熱層
      ;衛(wèi)星構(gòu)架、天線
      、太陽(yáng)能翼片底板
      、衛(wèi)星—火箭結(jié)合部件;航天飛機(jī)機(jī)頭
      ,機(jī)翼前緣和艙門等制件
      ;哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量構(gòu)架,太陽(yáng)能電池板和 無(wú)線電天線

        (2)航空工業(yè)用作主承力結(jié)構(gòu)材料
      ,如主翼、尾翼和機(jī)體
      ;次承力構(gòu)件
      ,如方向舵、起落架
      、副翼
      、擾流板、 發(fā)動(dòng)機(jī)艙
      、整流罩及座板等
      ,此外還有C/C剎車片。
        (3)交通運(yùn)輸用作汽車傳動(dòng)軸
      、板簧
      、構(gòu)架和剎車片等制件;船舶和海洋工程用作制造漁船、魚(yú)雷快艇
      、快艇 和巡邏艇
      ,以及賽艇的桅桿、航桿
      、殼體及劃水漿
      ;海底電纜、潛水艇
      、雷達(dá)罩、深海油田的升降器和管道

        (4)運(yùn)動(dòng)器材用作網(wǎng)球
      、羽毛球、和壁球拍及桿
      、棒球
      、曲棍球和高爾夫球桿、自行車
      、賽艇
      、釣桿、滑雪板
      、雪車等

        (5)土木建筑幕墻、嵌板
      、間隔壁板
      、橋梁、架設(shè)跨度大的管線
      、海水和水輪結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)筋
      、地板、窗框
      、管 道
      、海洋浮桿、面狀發(fā)熱嵌板
      、抗震救災(zāi)用補(bǔ)強(qiáng)材料

        (6)其它工業(yè)化工用的防腐泵、閥
      、槽
      、罐;催化劑
      ,吸附劑和密封制品等
      。生體和醫(yī)療器材如人造骨骼、牙 齒
      、韌帶
      、X光機(jī)的床板和膠卷盒
      。編織機(jī)用的劍竿頭和劍竿防靜電刷。其它還有電磁屏蔽
      、電極度
      、音響、減磨
      、儲(chǔ)能及防靜電等材料也已獲得廣泛應(yīng)用

        三、碳纖維復(fù)合材料在電線電纜中的應(yīng)用
        碳纖維以其固有的特性賦予了其復(fù)合材料優(yōu)異的性能
      ,它具有高比強(qiáng)度
      、高比模量、耐高溫
      、耐腐蝕
      、耐疲 勞、抗蠕變
      、導(dǎo)電
      、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能,從而為其在電線電纜行業(yè)中的應(yīng)用提供了可能和必 然

        (一)碳纖維加熱電纜的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用
        人們?cè)缇椭?div id="d48novz" class="flower left">
      ,以金屬材料為發(fā)熱體的電加熱技術(shù)已在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是金屬絲在高溫狀態(tài) 下表面易氧化
      ,由于氧化層不斷的增厚
      ,造成了有效通過(guò)電流的面積減小,增大了電流的負(fù)荷
      ,因此易燒斷
      。在 相同的允許的電流負(fù)荷面積下,金屬絲的強(qiáng)度比碳纖維低6—10倍
      ,在使用過(guò)程中易折斷

        碳纖維是一種石墨的六方晶格層狀結(jié)構(gòu)組成,是一種全黑體材料
      ,因此在電熱應(yīng)用中
      ,表現(xiàn)出來(lái)的電熱轉(zhuǎn)換 效率高。在特定的條件下
      ,高溫不氧化
      ,單位面積的電流的負(fù)荷強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度不發(fā)生改變。
        目前碳纖維加熱電纜的應(yīng)用如下:
        低溫輻射發(fā)熱電纜地板采暖系統(tǒng)

        恒溫育雛箱
      、花房、苗圃、蔬菜大棚等保溫采暖

        道路化雪
      、機(jī)場(chǎng)跑道化雪:用于混凝土結(jié)構(gòu)中樓面加熱的理想產(chǎn)品,也可以用在融雪裝置中
      ,對(duì)屋面雨水和 排水管進(jìn)行防霜
      ,還可以用于土壤加熱。
        管道
      、罐體保溫防凍:電伴熱產(chǎn)品近幾年在中國(guó)得到了大力的推廣和廣泛的應(yīng)用
      。其應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在石 油、化工
      、電力
      、鐵路和民用或商業(yè)建筑等。隨著中國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展
      ,以清潔、無(wú)二次污染的電能為主要能源 的電伴熱產(chǎn)品市場(chǎng)前景非常廣闊
      ,同時(shí)
      ,也為電伴熱產(chǎn)品的性能提出了更高的要求。
        足球場(chǎng)草坪
      、公共綠地土壤保溫:太陽(yáng)能熱水器電能補(bǔ)充加熱器
      ,主要用于在長(zhǎng)期陰雨天或寒冬季節(jié),因光 照不足而導(dǎo)致太陽(yáng)能熱水器水溫不能滿足生活
      、工程需要時(shí)
      ,為補(bǔ)充熱能而設(shè)計(jì)的。它具有較強(qiáng)的耐酷暑
      、嚴(yán)寒 和高溫潮濕環(huán)境的性能
      ,并具有防干燒的功能。即使偶爾水箱缺水誤通電
      ,也不至于燒壞電加熱器和水箱
      ,故能 確保安全使用。
        (二)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用
        我國(guó)是個(gè)缺電的國(guó)家
      ,不僅發(fā)電業(yè)的發(fā)展滯后
      ,輸電業(yè)的弊端也凸現(xiàn)出來(lái),輸電線路已不堪承受傳輸容量快 速擴(kuò)容的需求
      ,由于過(guò)負(fù)荷造成的停電
      、斷電故障頻頻發(fā)生,電力傳輸成為電力工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”
      ,各國(guó)均在 研究新型架空輸電路用導(dǎo)線
      ,以取代傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線,碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線由此應(yīng)運(yùn)而生。與鋼芯鋁絞線相比
      , 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有以下優(yōu)點(diǎn):
        1
      、和同樣直徑的ACSR電纜相比,可以提供雙倍的載流容量

        2
      、有效解決電纜下垂問(wèn)題。
        3
      、可以在更高的溫度下工作
      ,最高可達(dá)200攝氏度。
        4
      、線芯可以抗腐蝕
      ,而且沒(méi)有雙金屬間腐蝕問(wèn)題。
        5
      、因?yàn)榭梢蕴峁└叩妮d流容量
      ,所以同時(shí)也有效的降低了工程成本。
        6
      、與相同直徑傳統(tǒng)電纜相比可以多容納28的導(dǎo)體

        7、高強(qiáng)度線芯可以有效減少電纜架的數(shù)量
      ,或降低電纜架的高度

        8、有效減少電纜下垂
      ,使地面生物更加安全
      。除了上述提及的優(yōu)點(diǎn)外,還可減少傳輸中電力的損耗
      ,減少20 的塔桿
      ,節(jié)省用地,減少有色金屬資源消耗
      ,有助于構(gòu)造安全
      、環(huán)保、高效節(jié)約型輸電網(wǎng)絡(luò)

        目前世界上只有美國(guó)和日本開(kāi)發(fā)出這種新型導(dǎo)線
      ,他們還達(dá)成默契:不向第三國(guó)輸出,日本一家碳纖維導(dǎo)線 企業(yè)的產(chǎn)量就占到世界40左右

        目前我國(guó)電線電纜研究所
      、電力建筑研究院以及國(guó)家電網(wǎng)有限公司都已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)ACCC導(dǎo)線的試驗(yàn)研究工作 。國(guó)內(nèi)電纜廠家也加大與外方合作
      ,將這種新型電纜引進(jìn)到中國(guó)生產(chǎn)
      ,積極推動(dòng)我國(guó)架空輸電線路的技術(shù)革命
      。 最近福建電網(wǎng)已經(jīng)將該新型導(dǎo)線架設(shè)運(yùn)行。
        (三)在高低溫
      、腐蝕等苛刻環(huán)境應(yīng)用的可能
        碳纖維細(xì)如蛛絲
      ,三型碳纖維比強(qiáng)度是鋼的62倍以上,成形工藝性好
      ,是一代新型工程材料
      ,其彈性量高, 抗變性能力比鋼大2倍多
      ,抗拉強(qiáng)度30~40t/cm2pa
      ,而比重還不到鋼的四分之一,是鋁合金的二分之一
      ,高彈模 量比鋼鐵大16倍
      ,比鋁合金大12倍。且碳纖維比鋼等柔軟
      。因此
      ,碳纖維可用于要求能承重、不易損傷內(nèi)部元件 的電纜的加強(qiáng)芯
      ,如海底光纜等

        碳纖維可以耐-180℃的低溫,在此條件下
      ,許多材料都變的很脆,連堅(jiān)固的鋼鐵也變的比玻璃還容易碎
      ,而 碳纖維在此條件下依舊很柔軟
      。因此,碳纖維復(fù)合芯可用于極寒(如南極考察研究等)條件下輸電載體的設(shè)計(jì)和制 造

        碳纖維又可以耐3000℃一3500℃的高溫
      ,在此高溫下最好的耐熱鋼也變成鋼水,但在沒(méi)有氧氣的情況下
      ,碳 纖維沒(méi)有變化
      。碳纖維即使從3000℃的高溫快速冷卻到室溫也不會(huì)炸裂,因而可在急冷急熱的環(huán)境中工作
      。這為 鋼鐵
      、冶金、鍋爐等行業(yè)中高溫特高溫場(chǎng)合電纜的設(shè)計(jì)提供了可能
      。此外
      ,碳纖維紗、碳纖維繩
      、碳纖維布都可 用于消防電纜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)選用

        碳纖維有超強(qiáng)的耐腐蝕性
      。金屬中耐腐蝕性最強(qiáng)的是黃金和鉑,在一份硝酸(濃度70%)和三份硫酸(濃度39% )配成的稱“王水”的溶液中黃金
      、鉑會(huì)被腐蝕的千瘡百孔
      ,而“王水”中的碳纖維卻安然無(wú)恙。為各種化學(xué)環(huán)境 下輕型耐化學(xué)腐蝕電纜的設(shè)計(jì)提供了新的思路

        四
      、發(fā)展建議
        碳纖維材料的產(chǎn)業(yè)化是實(shí)現(xiàn)碳纖維導(dǎo)線在國(guó)內(nèi)輸電行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化的前提和保證。碳纖維材料價(jià)格則是制約產(chǎn) 業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵

        我國(guó)從八十年代初期開(kāi)始起步
      ,加大了對(duì)碳纖維材料的研究和開(kāi)發(fā)力度,并也著力于碳纖維材料產(chǎn)業(yè)化基地 的建設(shè)
      ,但由于國(guó)外設(shè)備
      、技術(shù)封鎖,至今未見(jiàn)重大突破
      ,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定性
      ,預(yù)計(jì)今后每年至少一萬(wàn)噸的缺口 。
        2000年前碳纖維材料的價(jià)格水平為5萬(wàn)美圓/噸左右
      ,比鋁的價(jià)格要高20倍多
      。但是近兩年,由于國(guó)際政治形 勢(shì)和軍事格局的變化
      ,碳纖維材料價(jià)格受其影響
      ,大幅度上升。這無(wú)疑都將對(duì)我國(guó)現(xiàn)代化的建設(shè)成本形成巨大的 壓力和負(fù)擔(dān)
      。最近
      ,我國(guó)福建電網(wǎng)從美國(guó)復(fù)合材料工程公司(CTC)購(gòu)置了60公里ACCC導(dǎo)線(鋁導(dǎo)體復(fù)合芯架空導(dǎo)線) 應(yīng)用在福建省廈門和福州電網(wǎng)中,其價(jià)格水平為15萬(wàn)元人民幣/公里
      。這比我們一直使用的鋼芯鋁絞線的價(jià)格要 高幾倍

        各科研院所應(yīng)進(jìn)一步加大碳纖維材料的基礎(chǔ)應(yīng)用研究和開(kāi)發(fā),建立我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)
      ,實(shí)現(xiàn)碳纖維材料的質(zhì) 量穩(wěn)定
      ,降低成本。同時(shí)要采用國(guó)家投入和民間投入相結(jié)合的方式
      ,加大碳纖維在航天和軍工以外的民品應(yīng)用
      , 有助于碳纖維產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。
        本文《碳纖維復(fù)合材料及其在發(fā)熱電纜中的應(yīng)用》來(lái)源于電伴熱(安徽環(huán)瑞電熱器材有限公司)官方網(wǎng)站
      ,其發(fā)熱電纜相關(guān)信息來(lái)源網(wǎng)絡(luò)或者編輯整理原創(chuàng)

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