碳纤维导线性能的初步研究

【摘 要】 碳纤维材料因其较好的物理、化学性能而广泛应用于航空航天、土木建筑、电子电器、电缆等领域。目前，国内碳纤维导体的研究主要集中于碳纤维复合芯铝绞线，而在中低压电缆方面的研究较少。本研究选用不同石墨化温度处理后的聚丙烯腈（PAN）基碳纤维经过编织形成碳纤维导线，对其质量、电气性能（导体直流电阻）和断裂强度进行研究，发现该碳纤维导线较普通电缆具有更好的电气性能和断裂强度及更轻的质量。

【关键词】 碳纤维 直流电阻 断裂强度

碳纤维是一种耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、高比强度的新型材料，且因其较小的导电、传热和热膨胀系数使之在航空航天、土木建筑、电子电器、医疗、电缆等领域被广泛应用[1]。目前，碳纤维在电缆领域中开发的主要产品为于碳纤维复合芯铝绞线（简称ACCC）。ACCC最早由美国、日本等国家开发，我国国内直至2006才开始真正投入使用，它具有普通钢芯铝绞线（简称ACSR）无法比拟的优点[2]：（1）ACCC的比重约为钢的1/4，在相同的外径下，ACCC的铝截面积为ACSR的1.29倍；（2）强度为ACSR的2倍；（3）ACCC导电率较高，同样条件下使用较ACSR节能6%；（4）ACCC较ACSR降低了2倍以上垂度；（5）耐腐蚀，使用寿命是普通导线的2倍。

目前，碳纤维复合电缆的研究主要集中在ACCC导线上，而在中低压电缆方面的研究较少。本文用聚丙烯腈（PAN）基碳纤维经过编织形成碳纤维导线，通过对该碳纤维导线及其经过石墨化处理后试样的质量、电气性能（导体直流电阻）和断裂强度进行研究，发现该碳纤维导线较普通电缆具有更好的电气性能和断裂强度及更轻的质量。基于这些突出的性能，此种碳纤维电缆有广阔的开发前景。

1 实验步骤

1.1 实验材料

本研究使用了3种经高温石墨化处理的（PAN）基碳纤维导线，并选用了原（PAN）基碳纤维导线作为对比参照样，如下表所示：

表1 4种（PAN）基碳纤维导线试样

1.2 实验方法及设备

外径测量：使用纸带法对电缆外径进行测量。在长为1m的试样中，取靠近两端和中间分别取3个点作为测量点，取平均值作为电缆外径。

导体直流电阻试验：本试验根据GB/T3048.4-2007电线电缆电性能试验方法第4部分的导体直流电阻试验，使用直流双臂电桥对电缆进行检测，试验精度为0.0001Ω。将试样截成1.3m长的样段，在环境温度20℃下放置3小时使导线温度达到平衡，将试样用双臂电桥的四端夹具连接被测导线并拉直后进行直流电阻检测。

断裂强度试验：根据GB/T 8358-2006《钢丝绳破断拉伸试验方法》（试验结论与钢丝绳强度做对比故采用此标准进行试验），截取600mm长的试样，在环境温度23℃下放置3小时，使用直接夹持法将试样夹于拉力机两端夹头至试样断裂后继续相应数据。

质量称重：使用精度为0.0001g的分析天平。将试样截成1m长后称重。

2 结果与讨论

简汇宏等人[3]的研究表明：碳纤维的石墨化程度越高，纤维越取近于完美石墨结构，导电性越好。

由于2#、3#、4#试样均为1#试样在不同温度下进行石墨化处理后的样品，而石墨化过程对试样外径的影响可忽略不计。故将1#试样测得外径同时作为其余3个试样的外径。经测量，1#试样外径为5.23mm，计算得该试样截面积为21.472 mm2。通过直流电阻试验和断裂强度试验，得到不同温度石墨化处理后试样的直流电阻和断裂强度，详见表2。

由于本研究所用编织碳纤维试样的结构类似于软铜导体，因此根据GB/T 3956-2008《电缆的导体》中关于单芯和多芯电缆用第5种软铜导体的规定，20℃下不同标称截面积电缆导体应满足的直流电阻值如表3所示。

由表2和表3对比可得出，1#试样可以达到标称截面积10mm2～16mm2之间软铜导体在20℃时对直流电阻的的要求。同时，可以看出随着石墨化温度的升高，直流电阻明显下降，经过2100℃石墨化处理的4#试样可以达到25mm2～35mm2软铜导体电缆在20℃时对直流电阻的的要求，即说明了经过石墨化处理的碳纤维导体的直流电阻值比同等横截面积传统软铜导体小，相应地载流量更大。

虽然随着石墨化温度的升高，可得到直流电阻值较小的碳纤维导体，但是有研究表明：高温对碳纤维的抗拉强度的影响较大，如图1所示，碳纤维的抗拉强度在l500℃左右时达到最大值4.2GPa，之后随着碳化温度的升高又逐步下降。而碳化温度在1800℃以上后，由于无定型炭在高温下转化和消失，并且碳纤维中的杂质在高于1800℃时会急剧反应或逃逸从而产生空洞造成碳纤维缺陷从而导致强度的下降。本研究所采用的石墨化温度均高于1800℃，且随着温度的升高断裂强度随之下降。这与Ball J.R.等人的研究结果正好相符。

图1 温度对碳纤维抗强度的影响

目前，国内对于电缆用铜导体的断裂强度并没有一个明确的规定。一般钢丝绳的抗拉强度为1240Mpa，高强钢丝为1410Mpa[4]。本研究所用试样未经石墨化可以达到钢丝一半的强度，而经过2100℃处理后最低值也能达到钢丝1/3的强度，已经足以满足普通民用电缆的使用了。

铜的密度为8.5g/cm3～8.9g/cm3之间，以全实心铜为例，于本研究所用样品同等截面积长度为1m的电缆质量经过换算为182g～191g。而本研究对象质量在20.1325g～21.2561g之间，仅为铜导体的1/9左右。这可以大大减轻今后运输和施工过程中的劳动强度，从而降低成本。

3 研究展望

铜作为一种贵金属材料为不可再生资源。近年来，铜的市场价格也在不断上涨，而碳纤维导体随着工艺和生产能力的提高价格不断下降，在不久的将来碳纤维成本将远低于铜的成本，市场前景不可估量，最终将可取代其他金属导体成为电缆电线材料的主流趋势。

本研究因条件所限，主要集中于3种不同石墨化温度处理后的聚丙烯腈基碳纤维导体的直流电阻值和断裂强度的研究。后续的研究将拓宽不同碳纤维导体的选择，及细化对不同石墨化温度下碳纤维性能的研究，以此得出直流电阻值较小而断裂强度能与常规铜导体相近的碳纤维导体。

参考文献：

[1]李昌华.碳纤维的性能与用途.广西化纤通讯，2002.2：23-24.

[2]谢云飞.碳纤维复合芯导线综合性能的试验研究.华北电力大学[硕士论文].

[3]JACOBSEN G.The Chelstry of Conversio[JI.FromPAN to Carbon Fiber，1981，7（3）：32―34.

[4]杨宁.ACCC碳纤维复合芯导线技术在我国的应用前景分析.《电气应用》，2008（5）：50-52.