基于碳纖維導(dǎo)線壓接特性與金具選型的研究

姜廣東，嚴(yán)行建，宋丹，仝娜，嚴(yán)曉威

(1.南京電力金具設(shè)計(jì)研究院，江蘇南京210037；2.江蘇省宏源電力建設(shè)監(jiān)理有限公司，江蘇南京210024；3.江蘇易鼎電力科技有限公司，江蘇宿遷223800；4.遠(yuǎn)東復(fù)合技術(shù)有限公司，江蘇宜興214257)

近年來(lái)，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在國(guó)內(nèi)外輸電工程中廣泛使用，國(guó)內(nèi)近200多個(gè)改造增容工程采用該導(dǎo)線，可降低成本，降低線損，提高輸電容量，節(jié)省通道資源，有助于構(gòu)造安全、環(huán)保、高效節(jié)能型輸電網(wǎng)絡(luò)，具有較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，其配套電力金具同樣具有良好的前景[1]。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，常用的耐張線夾和接續(xù)管不宜使用，而是采用一種利用楔型自鎖原理的耐張線夾和接續(xù)管，其結(jié)構(gòu)是將常規(guī)壓接鋼管改為楔型自鎖式新型耐張線夾和接續(xù)管[2]。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和正在研制上述2種金具的有不少?gòu)S家，其中江蘇宇飛電力科技有限公司對(duì)金具進(jìn)行了獨(dú)特的改進(jìn)，有效縮短了金具尺寸，形成自有專利，并通過(guò)中電聯(lián)的鑒定，已在多條線路工程中成功應(yīng)用[3]。

1 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝

1.1 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線結(jié)構(gòu)

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線結(jié)構(gòu)如圖1所示，其芯線是由碳纖維為中心層，高模量高強(qiáng)度S型玻璃纖維外包浸漬高溫度模量樹脂固化制成的單根芯棒或多根絞合復(fù)合芯棒，鋁線股為T型截面[4]。

1.2 碳纖維復(fù)合芯生產(chǎn)工藝

1.2.1 主要原材料

碳纖維復(fù)合芯是由碳纖維和玻璃纖維或其他纖維通過(guò)拉擠成型的方式制成的單根芯棒，碳纖維通過(guò)耐火處理、碳化而成；高強(qiáng)度、高韌性配方的環(huán)氧樹脂具有很強(qiáng)耐沖擊性、耐抗拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。將碳纖維與玻璃纖維進(jìn)行預(yù)拉伸后，用環(huán)氧樹脂浸漬，然后在模具中高溫固化成型為復(fù)合材料芯線[5]。其主要原材料如表1所示。

表1 主要原材料

1.2.2 復(fù)合芯生產(chǎn)工藝流程及存在缺陷

復(fù)合芯采用拉擠工藝如圖2所示，將樹脂、固化劑、促進(jìn)劑、填料等按一定比例混合，用攪拌機(jī)攪拌均勻后，注入樹脂浸槽，纖維浸漬樹脂后進(jìn)入模具連續(xù)固化成型。一般來(lái)說(shuō)，碳纖維占35%，玻璃纖維占35%，增韌環(huán)氧樹脂占30%。將碳纖維整經(jīng)，單向（0°）集束，在線浸漬韌性環(huán)氧樹脂溶液，然后包覆玻璃纖維，通過(guò)鋼制?？?，控制其直徑，然后在260℃固化成型，整個(gè)工藝為連續(xù)制造。這種拉擠工藝使纖維產(chǎn)生拉伸微型裂紋，樹脂固化過(guò)程因攪拌時(shí)灰塵、水氣等雜物的侵入，固化層內(nèi)易產(chǎn)生夾雜、氣泡和孔洞等宏觀缺陷。一旦受力超過(guò)極限應(yīng)力，如壓縮應(yīng)力等作用，這些缺陷因復(fù)合材料徐變特性，缺陷隨時(shí)擴(kuò)大而至破斷，故壓縮型電力金具不能應(yīng)用于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線。

2 復(fù)合芯的壓縮性能

應(yīng)用壓縮性能的力學(xué)原理分析，當(dāng)復(fù)合芯受壓時(shí)，纖維片和樹脂片都將受到壓力，纖維片可能出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，受著樹脂的橫向支撐，相當(dāng)于在彈性基礎(chǔ)上的桿件失穩(wěn)問(wèn)題。失穩(wěn)的基本形式有2種，一是相鄰兩纖維片反向屈曲，此時(shí)樹脂承受橫向拉壓應(yīng)力，稱為拉伸型失穩(wěn)；二是相鄰兩纖維片同向屈曲，此時(shí)樹脂受著剪應(yīng)力，稱為剪切型失穩(wěn)[6]。

由于壓縮的不確定性，再采用較大壓縮外力，構(gòu)件受力更為復(fù)雜，其后果難以預(yù)測(cè)，故不宜采用壓縮型電力金具。

3 碳纖維、玻璃纖維和環(huán)氧樹脂共性及性能

3.1 強(qiáng)度和彈性性能的可設(shè)計(jì)性

碳纖維復(fù)合芯是由樹脂、玻璃纖維和碳纖維組成，玻璃纖維和碳纖維的強(qiáng)度或彈性模量比樹脂的強(qiáng)度或彈性模量高幾十倍，而玻璃纖維和碳纖維在宏觀范圍內(nèi)是單向強(qiáng)度的材料，所以玻璃鋼和碳纖維的強(qiáng)度或彈性模量在相當(dāng)程度上取決于所含的玻璃纖維量和碳纖維分布的方向，可在一定程度上設(shè)計(jì)出各種強(qiáng)度和彈性性能的產(chǎn)品。一般來(lái)說(shuō)，可以設(shè)計(jì)成3種類型：一是準(zhǔn)各向同性材料，二是2個(gè)垂直方向上有較高強(qiáng)度或彈性模量的正交各向異性材料，三是在一個(gè)方向上有特高強(qiáng)度的單向性材料。單向性材料主要可用作拉力構(gòu)件如電線芯等，但其共性是受剪應(yīng)力較低，故受到壓縮突變剪應(yīng)力時(shí)，構(gòu)件隨時(shí)會(huì)損壞。

3.2 主要缺陷

碳纖維復(fù)合芯具有復(fù)合材料共同優(yōu)勢(shì)之外，和所有復(fù)合材料一樣也存在一些嚴(yán)重影響使用性能的缺陷。

（1）復(fù)合芯的應(yīng)力應(yīng)變是線性的，破壞的概率單調(diào)遞增[6]。復(fù)合芯的缺陷是有一定的脆性，Griffith破壞理論認(rèn)為：它的應(yīng)力應(yīng)變曲線直到破壞是線性的。股紗的應(yīng)力應(yīng)變曲線，則由于單纖維受力的不一致以及單纖維強(qiáng)度的不一致，呈現(xiàn)了一個(gè)逐步斷裂的過(guò)程，直到殘留的纖維不能承擔(dān)最大的荷載時(shí)全部破壞。而這種破壞的概率，Weiball認(rèn)為：隨著應(yīng)力的增加，破壞的概率是單調(diào)遞增的，其概率集度函數(shù)為：

式中：σ≥0，β＞0，為形狀函數(shù)；α＞0，為特性函數(shù)。在強(qiáng)度＜σ時(shí)破壞概率為：

兩位專家共同認(rèn)為，這是由于材料中自身存在著微裂縫或缺陷而產(chǎn)生高度集中應(yīng)力使材料的宏觀強(qiáng)度不斷降低，最終導(dǎo)致材料破壞[6]。

強(qiáng)度試驗(yàn)也證明，復(fù)合芯的破壞常常先是樹脂開裂，然后再是纖維的斷裂。壓縮型電力金具在壓縮時(shí)產(chǎn)生的集中應(yīng)力，使復(fù)合芯產(chǎn)生微裂，該產(chǎn)品設(shè)計(jì)是不合理的。

（2）復(fù)雜的疲勞損壞，破壞過(guò)程較長(zhǎng)。疲勞破壞可以認(rèn)為是材料內(nèi)的裂縫形成和擴(kuò)展的過(guò)程。對(duì)復(fù)合芯這類復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，問(wèn)題更為復(fù)雜，一般說(shuō)來(lái)，破壞首先開始于樹脂和纖維界面的個(gè)別點(diǎn)上，這時(shí)在材料內(nèi)已形成了微裂縫，這些微裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，將使部分纖維斷裂，裂紋擴(kuò)展到相鄰的纖維和樹脂的界面上，或者出現(xiàn)較大區(qū)域的分層脫膠，這時(shí)試件的承載能力下降，阻尼增高，振幅減小，頻率降低，最后導(dǎo)致大量纖維斷裂或大區(qū)域的分層而破壞。整個(gè)疲勞損壞的過(guò)程是較長(zhǎng)的，裂縫發(fā)展速度較慢。這就是壓縮型電力金具在壓縮后產(chǎn)生微裂而試驗(yàn)時(shí)力學(xué)性能合格原因所在。

（3）復(fù)合材料的徐變性能。當(dāng)材料受到一恒定載荷的作用時(shí)，除了初始的瞬時(shí)變形外，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，變形也隨著增加，這種現(xiàn)象稱為徐變[6]。影響徐變性能的因素較多，主要有受力形式（拉、壓、彎扭）、載荷方向、應(yīng)力大小和溫度等[6]。復(fù)合材料的徐變有如下規(guī)律。

①當(dāng)主應(yīng)力方向平行于徑向或緯向纖維時(shí)，無(wú)論是拉伸還是彎曲徐變，其徐變量都較小，初始應(yīng)變與徐變?cè)囼?yàn)結(jié)束時(shí)的最終應(yīng)變的比值都在0.7以上（復(fù)合材料）。

②當(dāng)主應(yīng)力方向與經(jīng)緯向成一定角度時(shí)，隨著角度的增加而增大，當(dāng)成45°時(shí)，徐變較激劇，拉伸徐變總應(yīng)變約為初始應(yīng)變的3倍。徐變不僅與時(shí)間有關(guān)，而且與應(yīng)力的大小有關(guān)，在30%靜強(qiáng)度的應(yīng)力作用下，徐變總撓度約為初始撓度的5倍半。

③當(dāng)應(yīng)力大于靜強(qiáng)度的50%時(shí)，試件相繼發(fā)生徐變破壞，隨著應(yīng)力的增大，徐變時(shí)間相應(yīng)縮短，即材料的持久強(qiáng)度隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而降低。對(duì)同一種復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，盡管所受的應(yīng)力不一樣，但徐變破壞時(shí)的總應(yīng)變值基本相同，隨時(shí)間延長(zhǎng)而變大。

當(dāng)壓縮型電力金具應(yīng)用于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，復(fù)合芯徐變特征完全相同。故壓縮型電力金具在復(fù)合芯導(dǎo)線試驗(yàn)時(shí)，雖然復(fù)合芯受到破壞，產(chǎn)生微裂紋，但力學(xué)性能仍為合格。當(dāng)?shù)谝荒和旰?，發(fā)生單向突變（如圖3所示），應(yīng)力也產(chǎn)生了一定的角度。隨著時(shí)間推移，很難不出現(xiàn)斷裂安全事故。故壓縮型電力金具不能應(yīng)用于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線。

4 碳纖維復(fù)合芯壓縮后微觀變化

根據(jù)文獻(xiàn)，鋼壓接管壓接后，伸長(zhǎng)率為12%～15%，內(nèi)徑縮小10%～15%[7]，大于碳纖維復(fù)合芯3.5%綜合延伸率，故碳纖維復(fù)合芯的玻璃纖維、碳纖維和樹脂壓縮后將產(chǎn)生各種數(shù)量不同和形狀各異的微裂。

4.1 復(fù)合芯中纖維微裂機(jī)理

通常采用透射電鍍（TEM）和掃描電鍍（SEM）研究碳纖維復(fù)合芯中碳纖維的微裂機(jī)理、缺陷類型和強(qiáng)度分散性。

復(fù)合芯中碳纖維在壓縮后，單根碳纖維產(chǎn)生突變牽伸點(diǎn)或細(xì)頸點(diǎn)，急劇變形，微裂劇增，如圖3所示，這種急劇變形嚴(yán)重影響復(fù)合芯力學(xué)特性。

其最典型的是拉伸斷裂，拉伸斷裂與錯(cuò)排晶體有關(guān)[8]。錯(cuò)排晶體是指晶體取向不是平行纖維軸，而是偏離纖維軸。一是受到剪切應(yīng)力難以釋放出來(lái)，形成了垂直于纖維軸方向的應(yīng)力集中點(diǎn)，其方向上增值發(fā)展，也可能穿過(guò)相鄰層面轉(zhuǎn)移和釋放剪切應(yīng)力，最終導(dǎo)致纖維斷裂。二是隨著應(yīng)力繼續(xù)增加，當(dāng)裂紋尺寸超過(guò)臨界值時(shí)發(fā)生破壞性斷裂。

4.2 碳纖維微觀的缺陷類型

碳纖維微觀缺陷大體可分為表面缺陷和內(nèi)部缺陷兩大類。同樣大小的缺陷，表面缺陷對(duì)其拉伸強(qiáng)度的影響要大于內(nèi)部缺陷[8]。

（1）碳纖維表面缺陷。表面缺陷主要有微圓斑沉和物、微劃傷和劃痕以及微外裂紋。

（2）碳纖維內(nèi)部缺陷。內(nèi)部缺陷主要有，一是內(nèi)微裂紋，如晶間裂紋；二是纖維徑向和軸向微裂紋，這些微裂紋和缺陷形成是制造時(shí)壓伸過(guò)頭和刺傷所致，其形狀各異。犬牙交錯(cuò)的徑向裂紋，三重徑向裂紋；上下已錯(cuò)位裂紋等。

4.3 格拉菲斯微裂紋理論

纖維和固化劑等屬于脆性材料，其拉伸強(qiáng)度受控于各類缺陷，缺陷愈大，強(qiáng)度愈低，服從于Griffith微裂紋理論，即：

式中：C為基平面裂紋的尺寸（半徑）；γ為表面自由能（4.2 J/m2）；E為楊式模量。

式（3）是脆性材料斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)。此式把脆性材料中存在的裂紋等缺陷與拉伸強(qiáng)度關(guān)聯(lián)在一起，拉伸強(qiáng)度隨著裂紋尺寸的增加而降低，符合實(shí)際情況。因此，在生產(chǎn)碳纖維復(fù)合芯的過(guò)程中，采取各種技術(shù)措施降低和消除各種缺陷，以提高碳纖維復(fù)合芯的拉伸強(qiáng)度[8]。

用電子顯微鏡從微觀來(lái)研究復(fù)合芯中碳纖維微裂機(jī)理，缺陷類型和強(qiáng)度分散性等以及格拉菲斯微裂紋理理論，都證明碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線不宜使用壓縮型電力金具。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線應(yīng)用于輸電線路工程時(shí)，不宜采用壓縮型接續(xù)管和耐張線夾，只能使用楔型結(jié)構(gòu)的接續(xù)管和耐張線夾。輸電線路上已經(jīng)采用碳纖維導(dǎo)線壓縮型電力金具的，理應(yīng)全部更換為楔型電力金具，以免造成輸電線路安全事故。

[1] 嚴(yán)行建，王澄.ACCC導(dǎo)線的應(yīng)用和金具的研制[J].電網(wǎng)與水利發(fā)電進(jìn)展，2008（06）：06-11.

[2] 葉鴻聲，黃偉中，王彬.碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在跨越增容改造工程中應(yīng)用探討[C].新型架空輸電線技術(shù)與應(yīng)用研討會(huì)論文集，2010.

[3] 何州文，陳新，王秋玲，等.國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的研究和應(yīng)用綜述[J].電力建設(shè)，2010，31（4）：90-93.

[4] 尤傳永.架空輸電線新型復(fù)合材料合成導(dǎo)線的開發(fā)和研究[J].電力建設(shè)，2004，25（11）：1-6.

[5] 王新營(yíng)，嚴(yán)波，等.架空導(dǎo)線用50kV碳纖維增強(qiáng)復(fù)合芯的性能研究[C].新型架空輸電線技術(shù)與應(yīng)用研討會(huì)論文集，2010.

[6] 上海玻璃結(jié)構(gòu)研究所.玻璃鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1980.

[7] 程應(yīng)鏜.送電線路金具的設(shè)計(jì)安裝試驗(yàn)和應(yīng)用[M].北京：水利電力出版社，1989.

[8] 賀福.碳纖維及石墨纖維[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.