复合材料在线缆工业中的应用

       在进入主题之前，我们首先了解一下复合材料：

         这是广义的复合材料。

         我们日常说的复合材料，通常指纤维基复合材料。这是狭义的复合材料。

         广义的复合材料比较多，所以我们引用狭义的复合材料，以便更好说明问题。

         复合材料有以下的几个特点：

         1、多相，2、各向异性，3、可设计性，可以产生1+1>2的效果。

         本文对复合材料在线缆工业中的应用做一个小结，以便给复合材料行业和线缆行业的技术人员有个了解。

一、GFRP/KFRP在光缆中的应用

     GFRP是玻纤复合材料，KFRP是芳纶复合材料，两种材料都是通过典型的复合材料工艺——拉挤工作制成连续的圆柱状复合材料，基体树脂多采用热固性树脂如不饱和树脂、环氧树脂等，有报道研究有热塑性材料做基体树脂但应用不多。

         GFRP/KFRP在光缆中经常作为加强芯使用。加强芯经历了钢丝加强芯、GFRP、KFRP三个阶段。

        GFRP/KFRP加强芯具有以下的优点：

        1、非金属材料 对电击不敏感，适用于多雷电、多雨等气候环境地区； 

       2、使用FRP加强芯的光缆可紧挨着电源线和电源装置安装，不会受电源线或电源装置产生的感应电流干扰； 

      3、与金属芯相比，GFRP/KFRP不会产生因金属与油膏化学反应产生的气体而影响光纤传输指标； 

      4、与金属芯想比，FRP具有拉伸强度高、重量轻的特点； 5、FRP加强芯光缆防弹、防齿咬、防蚁。

       而GFRP/KFRP两者比较：

       1、GFRP价格便宜，应用性广。

        2、KFRP柔韧性好，具有超小的弯曲半径。特别适合在墙角、踢脚线处安装。

        3、KFRP密度更轻，比强度和比模量更高。

         4、KFRP在安装使用时折断的话，因为芳纶的柔韧性，不会刺破护套和光纤。

         随着宽带中国工程和4G网络的普及，光纤到户已经基本实现，GFRP/KFRP的应用也越来越普及。

二、碳纤维复合芯电缆

       利用架空导线输送电能是电力输送的主要手段，传统的输电架空导线的主要类型就是钢芯铝绞线(ACSRW)。但钢芯铝绞线的重量大，特别在一些偏远、高山地区，运输、安装都比较困难。

       上世纪70世纪末外国材料公司对有机复合材料代替金属材料制作导线芯材进行了研发和实验，其中美国CTC公司生产的碳纤维复合芯导线(ACCC)最为典型，目前己投入商业应用。我国也引入该技术，并生产和推广碳芯电缆。

         碳纤维复合芯电缆的结构如上图，中间是碳纤维复合材料芯棒，边上是铝绞导线。碳纤维复合芯导线的技术关键是碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆形成的单根芯棒，利用碳纤维、环氧树脂耐冲击性强、拉伸应力和弯曲应力承受能力大的特点，将碳纤维与玻璃纤维进行拉伸后，浸渍在环氧树脂中，然后经高温固化形成复合材料芯线，芯线外层与临外层为梯形截面铝线股。与钢芯铝绞线相同，碳纤维复合芯导线主要靠铝单线部分完成电能传输，导线木身重力、风力、导线应力等机械力主要由碳纤维复合芯承受。但于钢芯铝绞线相比较，碳纤维复合芯电缆具有以下的优点。

（1）强度高，膨胀系数小，特殊环境适应性强：碳纤维复合芯导线的抗拉强度为普通导线的2倍。通过对比实验，碳纤维复合芯导线的破断力是常规钢芯铝绞线的1.3倍。该特性使得架设碳纤维复合芯导线时可以适当增加杆、塔间的档距，减少杆塔数量，降低工程成木；碳纤维复合芯导线与钢芯铝绞线相比弛度特性显著降低，高温下弧垂较钢芯铝绞线减少90%，能有效节省架空线路通道的绝缘空间，提高导线运行的安全性和可靠性。在相同跨度下可有效减少导线长度，节省线材，同时在大跨越工程中使用的杆塔高度较传统线材要低，并可有效减小风偏，保证特殊气候条件下的通流能力。

（2）重量轻、载流能力大：碳纤维复合芯导线的比重约为钢芯铝绞线的1/4；在相同的外径下，碳纤维复合芯导线的铝材截面积比常规钢芯铝绞线截面积大29%，在相同运行条件下，其理论通流能力为常规钢芯铝绞线的两倍。

（3）抗腐蚀、使用寿命长：碳纤维复合材料与环境亲和，同时避免了导体在通电时铝芯与镀锌钢线之间的电化腐蚀，有效延缓导线老化，使用寿命通常能能达到普通钢芯铝绞线的2倍。

（4）导电率高，节能效果好。由于碳纤维复合芯导线不存在钢丝材料引起的磁损和热效应，在输送相同负荷的条件下，可减少电能损失6%。

（5）便于导线展放和施工：碳纤维复合芯导线的外层导电线路部分直径和螺旋状结构与常规钢芯铝绞线相同，完全可按常规钢芯铝绞线的施放方法进行安装、施工，原有杆塔、金具等构件不必更换、改造。

（6）同样容量线路投资成木低。由于碳纤维复合芯导线可双倍载流量运行，而且强度高、弛度小，重量轻等特点，可增大杆塔跨距，降低高，同容量线路成木比普通导线低。

（以上参考百度百科https://baike.baidu.com/item/ACCC%E7%A2%B3%E7%BA%A4%E7%BB%B4%E5%A4%8D%E5%90%88%E8%8A%AF%E5%AF%BC%E7%BA%BF/7118626?fr=aladdin）

        目前，我国已经有多条高压线路（含500KV、220KV）应用碳纤维复合芯电缆，特别是中西部地区，需要长距离、大跨度电力输送。但在实际应用的过程中，也发现了一些问题。如碳纤维复合芯电缆价格过高；碳纤维复合芯电缆在生产、运输、安装的过程中，会发生断裂；碳纤维复合芯电缆的连接要求较高，需要特殊的装备。这些都限制了其使用。国家为了推广碳纤维复合芯电缆，在工信部今年推出的新材料应用保险中，专门把碳纤维复合芯电缆列入其中。

三、碳纤维发热电缆

   碳纤维发热电缆的结构如下：

      内芯是由碳纤维组成，外面由绝缘层、外保护套组成。其生产的工艺类似于的电线电缆，不过把内芯的金属丝换成碳纤维丝束。发热电缆通电后发热。碳纤维的特性，使电能主要以热能形式表现出来，其中热效率在99%以上。一部分通过接触传导，加热在其周边的介质，然后通过对流方式加热空气，传导热量占发热电缆发热量的50%。一部分产生人体最为适宜的7-10微米的的远红外线，向人体和空间辐射，这部分热量占发热量的50%。

  碳纤维发热电缆有以下的主要优点

1·节能环保：相比同类型金属发热电缆碳纤维发热电缆节能20%以上。传统的电热材料用金属合金做电热体，通电后容易产生电磁辐射，对老人、小孩、孕妇会产生不良影响，而碳纤维发热电缆由于采用非金属发热体，所以不产生对人体有害的电磁辐射波。

2·保健性好：碳纤维发热电缆产生远红外线，且波长在7-14微米。这个波段的红外线是人体适宜的波段，可促进和改善了人体的血液循环；有利于消除人体疲劳和机体机能恢复，增强新陈代谢，提高人体免疫功能。

3·安全性好：碳纤维发热电缆本身电流非常低，及时人体直接接触也不会有触电感。采用并联铺装，启动时无冲击电流。

4·实用性：由于碳纤维发热电缆采用非金属材料碳为发热体，因而可以保证发热体低温下不氧化，寿命可以保证在50年以上。

5·耐压、抗折性强：碳纤维发热电缆在工作电流50MA通电回路工作状态下，50000次（国家标准为10000次）弯折（30次/分）碳纤维及包覆材料无任何破损。

碳纤维发热电缆广泛应用于地暖●墙暖●道路、房屋融雪化冰● 温室大棚●牲畜屋舍●工业管道保温等领域。

四、其他应用

  1、电缆桥架、沟槽

       电缆桥架是用于电线电缆布线的辅助设备，由槽式、托盘式或梯级式的直线段、弯通、三通、四通组件以及托臂（臂式支架）、吊架等构成具有密接支撑电缆的刚性结构。

  2、支架系统

        支架是电线电缆在铺设时用于托、撑电缆或桥架的固定装置。

五、总结

       复合材料在线缆行业的应用越来越广泛，我们分析发现，其中应用最普及的产品都是复合材料行业典型的拉挤工艺或类似拉挤工艺得到的。这是因为拉挤工艺是复合材料工艺中效率最高、成本最低的工艺。但拉挤工艺只能做等截面的产品，而且结构相对简单。因此研究拉挤工艺生产复杂结构产品是未来重点研究的内容！