電力工程中的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用研究

晏劍明

（云南銀塔電力建設(shè)有限公司，云南昆明650000）

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。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,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,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二次污染等天然優(yōu)勢,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。作為較為缺電的國家之一, 我國在輸電領(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,我國較多的電力研究院或電網(wǎng)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(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)?；?、節(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,我國便逐步對碳纖維增強(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。對于我國電力工程領(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(jié)語

復(fù)合材料能夠取長補(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。