电力工程中的碳纤维增强树脂基复合材料应用研究

晏剑明

（云南银塔电力建设有限公司，云南昆明650000）

复合材料一般由两种及以上不同性质的材料以特定方式与加工方法结合而成,属于新型高性能组合材料[1]。在微观层面,复合材料的各组分材料以某种特定方式实现融合,融合中存在着显著的界面,且于界面处相互发生作用力,属于不均匀材料,其特性主要由基体、增强体以及两者间的复合方式决定。其中,基体主要表现为连续相,如树脂、水泥等,具备连接增强体和传力的功能；增强体是复合材料的受力主体,如颗粒、纤维等。其中,聚合物纤维、陶瓷纤维、金属纤维等均可作为增强体,目前应用最为广泛的增强体当属碳纤维[2]。

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）是以树脂作为基体,以碳纤维为增强体,经特殊工艺复合形成,其凭借优异的强度、抗腐蚀、耐热烧蚀以及轻质高强等特性,在航空航天、军工、医疗、建筑及体育器材等领域应用非常普遍[3]。例如,张雪才等[4]利用CFRP材料对水工钢闸门进行修复,避免了传统粘钢加固技术存在的易锈蚀、应力较为集中等弊端；欧阳宏志等[5]基于民航客机案例,探析了航空碳纤维材料的雷电效应,为飞机防护提供了参考；袁代标[6]对比分析了CFRP材料与钢材、铝合金等材料在车辆转换架结构中应用的特性,指出CFRP材料在各种力学特性方面具有更好的优势。综上可知,CFRP材料虽然应用广泛,但关于其在电力工程方面的研究报道仍较少,本文主要总结介绍碳纤维增强树脂基复合材料在电力工程土建中的应用现状,指出其在电力工程领域的存在问题与发展前景,以期促进CFRP这一先进复合材料的进一步推广与应用。

1 碳纤维增强树脂基复合材料及其特性

碳纤维增强复合材料（CFRP）作为一种高性能复合材料,相较于芳纶纤维（AFRP）或玻璃纤维（GFRP）等其他类型纤维的复合材料,具备更加优异的综合特性。具体而言,CFRP的特性主要表现在以下几个方面：

（1）比强度大。在密度方面,CFRP仅约为钢材的0.2,钛合金的0.3,这使得CFRP材料的比强度显著优于常用的传统建材,如玻璃钢、超硬铝、高强钢等,且比模量均超过传统建材至少3倍[7]。凭借轻质高强的特性,其非常契合航空航天领域的材料性能要求。

（2）耐疲劳。在荷载工况下,CFRP材料表现为黏弹性特点,能抑制裂缝扩张,抗疲劳特性佳。处于静态时,CFRP材料的破坏条件为极限强度应力的0.9倍,可循环作用逾百次,而相同工况下钢材的破坏极限仅为强度应力的50%左右[8]。受组份材料碳纤维较大的刚性影响,CFRP材料的抗蠕变性能显著。

（3）耐腐蚀、抗磨损。CFRP材料抵抗摩擦磨损的能力较强,具有自润滑性。同时,CFRP材料在各种恶劣的环境条件下均具备良好的适应性,得益于组份材料树脂的抗腐蚀能力,其能长期接触酸、碱、盐等极端环境条件而不致于变形受损,维持自身性能不下降。

（4）耐水、导电性优良。CFRP材料的基体树脂不易被水润湿,具有疏水性,而碳纤维则导电性良好,这使得CFRP复合材料能在潮湿条件下长期服役,表现出优良的耐水性,且具备导电性能。

2 碳纤维增强树脂基复合材料在电力工 程中的应用

鉴于碳纤维增强复合材料碳纤维所具备的一系列优异特性,如耐腐蚀、耐磨损以及轻质高强等,这些都非常契合于电力工程的土建应用环境与应用需求,例如结构加固等。同时,CFRP材料较低的传热性能、较小的热膨胀系数以及自身的导电性等,使其在电线电缆等材料应用中也占据一席之地。

2.1 电力工程结构加固

在电力工程中,土建相关设施的服役环境往往较差,混凝土结构在长期的露天野外、酸碱盐环境或年久失修等工况下,混凝土开裂或钢筋锈蚀等老化或劣化现象不可避免,需要对其进行加固维修。传统的植筋法、截面扩大法等加固手段存在工艺复杂、实施效果不佳等弊端,而采用CFRP材料（主要包括纤维布或纤维板等成品）开展结构加固施工,则具备操作便捷、成本可控以及加固效果显著等优势,近些年来应用较为普遍。

在混凝土构件加固过程中,CFRP材料一般包括碳纤维材料与配套树脂这两类。其中,碳纤维表现出强度大、弹模高以及自重小等应用特性。配套树脂可分为三类,如黏结型、找平型或者底层型,对于黏结型树脂而言,其主要功能在于将混凝土与碳纤维体连接凝固为整体,使之形成协同受力体系；而找平型树脂和底层型树脂则主要起到提高构件与CFRP材料黏结效果的作用。通过CFRP材料的加固,混凝土构件能借助碳纤维增强体和树脂基体的抗弯能力,实现结构补强[9]。

在电力工程混凝土结构加固中,大多应用碳纤维布进行补强。加固用的胶黏材料包括底涂胶、浸渍树脂以及修补胶。底涂胶用于增强构件与碳纤维间的黏结性,浸渍树脂能将碳纤维片材凝结成为整体的板状受力体,而修补胶可对构件表面进行整平,以更好地与CFRP材料实现结合。

碳纤维布加固完成后,应按一定的标准对其电力工程的结构施工质量进行检验,具体标准要求如下：粘结胶与碳纤维充分浸润,胶水深入碳纤维布的每一个细小结构之中,将纤维丝粘合在一起,达到共同承载外力的目的；碳纤维布与构件的混凝土基层粘结牢固,粘结强度达到预期要求；碳纤维布外观上没有偏移、起鼓、褶皱、松脱等不良现象,搭接处的长度符合设计要求；加固位置处的碳纤维布施工方向、位置、层数及尺寸等与设计和方案要求的一致。

2.2 碳纤维加热电缆

在电加热领域,当前应用较为普遍的发热体主要是将金属材料作为基体,如金属丝等,相关的金属发热机具拥有非常大的应用场景。然而在实际应用中,处于高热条件下的金属丝材质有较大概率会发生氧化,且随着使用时间的推移,氧化层得以累积变厚,导致能有效通过的电流截面积被不断压缩,电流负荷增大,最终导致金属丝被烧断。而利用碳纤维增强树脂基复合材料而制成的碳纤维加热电缆时,其在电流负荷值相等的工况条件下,强度能达到金属丝的8倍以上,能有效预防烧断现象。

碳纤维宏观上表现为全黑的色泽,其在电力工程的电热领域拥有较高的电热转换效率。在常见的应用场合下,碳纤维电缆高温不氧化,且在高热环境下服役时,能维持电流负荷强度的稳定性,并表现出较大的机械强度。

当前,碳纤维加热电缆凭借上述特性逐渐得到了推广应用,如铺设于地砖或木地板之下的辐射发热地板采暖系统以及蔬菜大棚、花圃的发热保温等。另外,碳纤维加热电缆还具有化雪、防冻以及土壤保温等作用,主要的应用点如下：

(1)在北方多雪等极端环境条件下,应用碳纤维加热电缆能快速融化道路积雪,保证机场跑道的正常功能[10]；冬季施工时,可作为混凝土结构保温养护的加热产品；可以灵活设置于屋面雨水管道或排水管道中,防止管道结霜。

(2)碳纤维加热电缆作为一种绿色环保的电力产品,可以生产出各种综合性能优良的电伴热器具,借助电能的清洁与无二次污染等天然优势,其在电力工程以及民用或商业建筑中具有广阔的应用前景。

(3)可铺设于公共草坪或城市绿地的土壤中,实现土壤保温的效果；在光照条件较差的区域,可作为太阳能热水器的补充加热装置,碳纤维加热电缆的耐腐蚀性、耐水性优良,热膨胀系数低,能适用于各种极端天气,且具备防干烧功能,能在保证使用安全的前提下,更好地满足生活或生产需要。

2.3 碳纤维复合芯导线

我国电业发展较为滞后,电荒时有发生。近些年来,受新冠肺炎疫情、煤价上涨以及需电量增加等影响,我国部分省市（东三省、广东以及浙江等）出现拉闸限电,一定程度上影响了人们的日常生活。作为较为缺电的国家之一, 我国在输电领域也存在较多缺陷。当下的电路传输扩容需求进一步加大,导致以往的钢芯铝绞线（ACSR）逐渐难以满足线路输电需求,因为负荷过大而导致的停/断电事故频繁,严重限制了电力工业的健康发展。因此,寻找一种新型的架空输电路用导线成为迫切需求,而碳纤维复合芯导线（ACCC）的众多优异特性[11],正契合了这一需求。目前,我国较多的电力研究院或电网公司均已对该新型电缆开展了分析和研究。

相比以往的ACSR, ACCC导线拥有更加突出的综合特性,具体如下：

（1）在同等截面积（直径）条件下,较之传统ACSR导线,ACCC电缆可达到2倍以上的载流容量,相应可大幅节约项目成本。同时,可比ACSR电缆容纳更多的导体。

（2）碳纤维复合芯导线抗高温性能突出,允许的工作温度可达200℃。

（3）ACCC电缆能克服双金属间腐蚀的缺陷,且不存在电缆下垂现象,可适当降低架设高度。

（4）作为一种高强度的导线,在相同电缆架数量下,ACCC电缆能实现更大的跨距,节约用地。

（5）ACCC电缆可有效降低电力传输耗损和塔杆用量,减少资源消耗,有利于输电网络的环保化、节约化发展。

3 碳纤维增强树脂基复合材料存在的问 题与未来展望

自20世纪80年代起,我国便逐步对碳纤维增强树脂基复合材料进行了应用研究,相关产业化基地得到一定的发展,其在电力工程中具有广阔的应用前景[12],但目前碳纤维材料价格始终居高不下,产品质量无法有效保证,成为实现其进一步产业化应用的瓶颈。对于我国电力工程领域而言,保证电力行业碳纤维导线产业化的基本条件是实现CFRP材料的产业化。为更好地促进CFRP材料在电力工程中的应用,在实际应用中需要重点考虑以下问题：

（1）为更大程度地利用CFRP材料的优异性能,应重视组分原材料的选择控制以及工艺方法的创新研发,保证材料的性能参数。

（2）CFRP材料具备优良的耐腐蚀、耐磨损性,但针对电力工程特殊性,还需考虑耐冲击性的优化。

（3）加大CFRP复合材料与待补强电力工程混凝土结构间的界面性能研究,保证高效的黏结性。

（4）综合考虑实际应用环境,进一步探索研究CFRP材料在湿热、酸碱或冻融等恶劣环境下的蠕变性和伸长率,掌握其长期性能的影响因素,保证材料在电力工程服役过程中的安全性与有效性。

4 结语

复合材料能够取长补短,突破传统单一材料的应用局限,既有各组分原材料的优良性能,也有原材所不具备的特性,在我国各个领域中均占据重要的应用地位,尤其是CFRP材料,其因突出的强度、抗腐蚀、耐热烧蚀以及轻质高强等综合性能,得到了更加广泛的应用。目前,CFRP材料的相关结构种类日趋繁多,加工成型工艺不断发展创新,在节能环保、特殊工程应用以及金属替代等方面表现出独特的应用潜力,未来必将拥有更广泛的发展前景。