碳纖維復(fù)合材料cfrp的研究

碳纖維復(fù)合材料cfrp的研究

0碳纖維復(fù)合材料在溫室氣體排放中的應(yīng)用2009年11月26日，中國政府宣布了控制溫室氣體排放的目標(biāo)。到2020年，單位總增加值（gdp）的二氧化碳排放量比2005年減少了40%45%。同時各國在哥本哈根氣候?qū)υ挄h前夕提出,到2020年,相比1990年的水平,歐盟將減排20%,日本和俄羅斯將減排25%。而美國公布的2020年溫室氣體排放量是在2005年的基礎(chǔ)上減少17%,只相當(dāng)于1990年的4%。溫室氣體排放與能耗密切相關(guān),70%的二氧化碳排放都來自能源消耗。近年來,我國對可再生能源、新能源等低碳能源的發(fā)展非常重視,據(jù)國家發(fā)改委統(tǒng)計,2008年中國可再生能源利用量達(dá)到2.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤,約占一次能源消費總量的9%,按照上述規(guī)模和速度推算到2020年,我國非化石能源占一次能源消費的比例可達(dá)到15%左右。碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高剛度、優(yōu)良的減振性、耐疲勞和耐腐蝕等優(yōu)異性能。以高性能碳纖維復(fù)合材料為典型代表的先進(jìn)復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)、功能或結(jié)構(gòu)/功能一體化材料,在如導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星、軍機(jī)等航天航空,以及如大型飛機(jī)、風(fēng)力發(fā)電葉片、石油開采、核電、汽車等民用領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。如果認(rèn)為先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用水平和規(guī)模關(guān)系著國家安全的戰(zhàn)略層面,那么為了解決全球氣候變暖、溫室氣體排放的環(huán)境問題,碳纖維復(fù)合材料在大型飛機(jī)、風(fēng)力發(fā)電葉片、汽車部件、石油開采抽油桿、電力輸送電纜等領(lǐng)域的應(yīng)用將增長迅速。隨著國產(chǎn)化碳纖維制造關(guān)鍵技術(shù)的突破,中國目前在投和計劃投資的碳纖維產(chǎn)能超過了60000t/年。本文就如何結(jié)合節(jié)能減排的國家目標(biāo),突破碳纖維復(fù)合材料的低成本制造與應(yīng)用技術(shù),實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料在節(jié)能減排領(lǐng)域的實際應(yīng)用,從大型飛機(jī)、汽車、風(fēng)電葉片、電力輸送等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了介紹。1碳纖維復(fù)合材料將成為空間基礎(chǔ)在飛機(jī)上大量應(yīng)用碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料能夠減輕質(zhì)量、節(jié)省燃油、降低排放,從而增大航程。波音787中結(jié)構(gòu)材料有近50%使用碳纖維復(fù)合材料,包括主機(jī)翼和機(jī)身。采用碳纖維復(fù)合材料替代金屬結(jié)構(gòu)材料后不僅可以減輕機(jī)身質(zhì)量,而且還可以保證不損失強(qiáng)度或剛度,大大提高了燃油經(jīng)濟(jì)性,能夠比它的上一代機(jī)型(金屬材質(zhì)的B767)降低17%的油耗。另外,采用碳纖維復(fù)合材料可以制成更堅固的壓力艙,使得B787機(jī)艙內(nèi)的壓力保持在1828.8m(6000英尺)高度時的氣壓,而不是通常的2133.6～2743.2m(7000～9000英尺),機(jī)艙內(nèi)濕度可以恒定在10%～15%(而金屬機(jī)身內(nèi)只能保持在5%～10%),乘客會感覺更加舒適。在20世紀(jì)70年代的空客A300機(jī)身上,復(fù)合材料質(zhì)量只占整架飛機(jī)的5%,同樣20世紀(jì)90年代量產(chǎn)的B777上復(fù)合材料的質(zhì)量也只占到20%,尤其是B777水平尾翼就是大型的復(fù)合材料構(gòu)件。雖然使用了35t(占A380飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料中的23%)碳纖維復(fù)合材料,但中央翼盒、機(jī)尾組件以及壓艙壁等一次結(jié)構(gòu)件均采用碳纖維復(fù)合材料;預(yù)計將于2010年問世的A350超寬客機(jī),其使用的碳纖維復(fù)合材料達(dá)62%,將成為空客公司第一架全復(fù)合材料機(jī)翼飛機(jī)。從節(jié)能效果看,以A380為例,其首架飛機(jī)每位乘客的百km能耗不到3L,比競爭機(jī)型的能耗低12%;而A350的百km能耗預(yù)計只有2.5L/人,幾乎可以與現(xiàn)在的迷你小汽車媲美。東京大學(xué)、神戶大學(xué)、波音公司、全日空合作的研究報告顯示,與中型客機(jī)(波音767)相比,波音787使用50%碳纖維復(fù)合材料時在全日空10年飛行周期內(nèi)可航行2000次/年。以日本國內(nèi)航線(500英里)計算,每一架飛機(jī)在全生命周期內(nèi)的減排效果如下:飛機(jī)的原材料采用碳纖維復(fù)合材料時制造過程中增加200tCO2排放(未使用時為700t);使用碳纖維復(fù)合材料在組裝制造過程中排放量為3000t(未使用時為3800t),減排800t;而在10年飛行周期內(nèi),采用碳纖維復(fù)合材料排放CO2為368000t(未使用時為395000t),折合總量減排為27000t/10年,合計2700t/年,再折合使用1t碳纖維的C02排放量為140t/年。由此可見,采用碳纖維復(fù)合材料將顯著降低CO2的排放。據(jù)《空客全球市場預(yù)測》估計,2006-2025年間,飛機(jī)運(yùn)營商將需要22700架客機(jī)和貨機(jī)。這些需求正引領(lǐng)著碳纖維結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料用量的巨大增長,未來幾年航空中碳纖維復(fù)合材料的使用量將以年均12%的速度繼續(xù)增長,估計將從2007年的6820t增加至2010年的10000t以上,2012年可達(dá)13000t,由此可以設(shè)想,大量使用碳纖維復(fù)合材料后對于節(jié)能減排貢獻(xiàn)巨大。2風(fēng)力發(fā)電材料在葉片的應(yīng)用風(fēng)能是一種清潔可再生能源,取之不盡,用之不竭。按80m高度處風(fēng)速為6.9m/s計算得出全球風(fēng)能可利用資源量為7.2PW(1PW=1000GW)。預(yù)計2015年全球用電量將達(dá)到2.2PW,到2030年將達(dá)到3.0PW。如果全球風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和規(guī)模能達(dá)到利用10%的風(fēng)能資源的水平,那就足以承載全球1/4的電力需求量。中國風(fēng)能資源總儲量約32.3億kW,可開發(fā)和利用的陸地風(fēng)能儲量有2.53億kW。按照規(guī)劃到2010年,每年新增機(jī)組約800MW,相當(dāng)于533臺1.5MW機(jī)組;到2020年,每年新增機(jī)組1933MW,相當(dāng)于1667臺1.5MW機(jī)組,到2020年中國市場將需要超過2.5萬臺的大容量風(fēng)機(jī)。風(fēng)力發(fā)電裝備的關(guān)鍵部件葉片,現(xiàn)多使用玻璃纖維增強(qiáng)材料(GFRP)制造,難于滿足葉片尺寸加大對剛性的要求。CFRP材料在葉片上的應(yīng)用無疑將促進(jìn)風(fēng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。研究表明葉片質(zhì)量W隨葉片長度L的三次方增加,即W=AL。當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量增加到一定程度時,葉片質(zhì)量的增加幅度將大于風(fēng)機(jī)能量輸出的增加,這就需要使葉片盡可能地輕量化。在兆瓦級風(fēng)電機(jī)組中,如1MW的葉片長31m,每片約4.5t;1.5MW主力機(jī)型葉片長34～37m,每片約6t。目前國內(nèi)商業(yè)化風(fēng)力發(fā)電所用的電機(jī)容量一般為1.5～2.0MW,與之配套的復(fù)合材料葉片長度為32～40m,質(zhì)量為6.8t;5MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片長61.5m,單片葉片的質(zhì)量接近18t,旋轉(zhuǎn)直徑可達(dá)126.3m。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片長度增加時,對其剛度也有一定的要求,為了保證在極端風(fēng)載下葉尖不碰塔架,葉片必須具有足夠的剛度。既要減輕葉片的質(zhì)量,又要滿足強(qiáng)度與剛度要求,有效的辦法就是采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。風(fēng)力發(fā)電機(jī)超過3MW、葉片長度超過40m時,在葉片制造時采用碳纖維已成為必要的選擇(不一定全是碳纖維,主要受力部分可能是碳纖維的復(fù)合材料)。事實上,當(dāng)葉片超過一定尺寸后,CFRP葉片反而比GFRP葉片便宜,因為材料用量、勞動力、運(yùn)輸和安裝成本等都下降了。另外,利用碳纖維的導(dǎo)電性能,通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計,可有效避免雷擊對葉片造成的損傷。就GFRP葉片的模量和強(qiáng)度來說,目前的臨界長度大約是60m,而CFRP的比強(qiáng)度約是GFRP的2倍,CFRP的比模量約是GFRP的3倍。由于CFRP輕而剛又強(qiáng),決定了采用CFRP葉片能夠增加葉片的臨界長度。LM公司開發(fā)61.5m大型復(fù)合材料葉片時,為了保證葉片能夠安全承擔(dān)風(fēng)力、溫度等外界載荷,采用了玻纖/碳纖維混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu),在橫梁和翼緣等要求較高的部位使用碳纖維作為增強(qiáng)材料,單片葉片質(zhì)量達(dá)15t。CFRP材料在葉片上的應(yīng)用無疑將促進(jìn)風(fēng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。丹麥風(fēng)機(jī)生產(chǎn)商維斯塔斯(Vestas)公司在風(fēng)機(jī)葉片的載荷加強(qiáng)桿中使用碳纖維,目前為止已經(jīng)安裝了近3.4萬套風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。西班牙Gamesa公司宣稱2008年1月在全球已收到超過8000MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)訂單,其中3000MW已經(jīng)安裝完畢。風(fēng)電葉片應(yīng)用將推動大絲束(24K以上)碳纖維產(chǎn)量的增長。若1kW風(fēng)機(jī)每片葉片以6t計,需要纖維4t,如果碳纖維占10%,則每片葉片的碳纖維用量為0.4t,每座風(fēng)機(jī)為1.2t,到2020年中國市場將需要超過2.5萬臺的大容量風(fēng)機(jī),合計年需求碳纖維30000t。碳纖維在風(fēng)機(jī)葉片中的應(yīng)用將成為繼航空航天后的另一大應(yīng)用領(lǐng)域,歐洲和亞洲在這一領(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于美國。全球風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量的增長速度正在加快,由增加碳纖維復(fù)合材料用量的長葉片制成大容量風(fēng)機(jī)將成為主要趨勢。3碳纖維復(fù)合材料在燃油汽車上的應(yīng)用國際上對于汽車的CO2排放政策是:歐洲在2010年度的指標(biāo)是140g-CO2/km,2015年要求下降到120g-CO2/km;日本2010年度的指標(biāo)是170g-CO2/km,2015年則要求下降到135g-CO2/km。為了進(jìn)一步加大節(jié)能減排力度,2009年5月19日奧巴馬在白宮宣布了限制汽車溫室氣體排放和耗油的新法規(guī),要求在2016年新車平均燃油經(jīng)濟(jì)性(CAFE)達(dá)到35.5英里/加侖,即在2007年水平的基礎(chǔ)上提高42%。汽車工業(yè)為了應(yīng)對國際上對于汽車CO2的排放政策,必須提高燃油效率、降低汽車自身質(zhì)量以及同時保證在安全與乘用舒適等方面研發(fā)革新技術(shù)。如日本豐田(TOYOTA)力爭在2011年實現(xiàn)中小轎車輕量化10%,尼桑轎車在2015年實現(xiàn)輕量化15%,三菱2010年在概念車上實現(xiàn)30%輕量化。輕量化材料在新能源汽車和現(xiàn)有燃油汽車領(lǐng)域的應(yīng)用都可降低油耗和減少排放,是國外汽車材料發(fā)展的重點。碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用方面,美國福特公司早已采用制造汽車傳動軸、發(fā)動機(jī)罩、上下懸架臂等零部件,主要應(yīng)用在結(jié)構(gòu)件和受力件上。SMC的碳纖維復(fù)合材料首先成功批量應(yīng)用于2003款的DodgeViper車型和MercedesMaybach車型的系列化生產(chǎn)中。據(jù)報道,梅賽德斯-奔馳推出的SLR邁凱倫超級跑車使用了高性能碳纖維復(fù)合材料,時速可達(dá)334km/h,0～100km的加速時間僅為3.8s。這款車能夠具有如此超高的時速,除了采用強(qiáng)悍的動力系統(tǒng)和借鑒F1賽車設(shè)計理念外,其車身幾乎全部采用碳纖維復(fù)合材料制成,在碰撞中對能量的吸收能力比鋼材或鋁材高出4～5倍。寶馬公司開發(fā)和試驗高強(qiáng)、輕量碳纖維復(fù)合材料車體板和其他部件時采用碳纖維是Zoltok公司生產(chǎn)的大絲束產(chǎn)品,如BMW3系列Touring和X5的后擾流板,BMWZ4硬頂、后保險桿支架等。GKN公司在1988年開始研究碳纖維復(fù)合材料傳動軸,給出了大量相關(guān)的專利文獻(xiàn)報道。以碳纖維汽車傳動軸為例,采用鋼鐵材料的傳動軸一般為15kg,鋁合金材料為12kg,而采用碳纖維復(fù)合材料傳動軸則可下降為7.8kg。傳動軸在RenaultEspaceQuadra上的使用開創(chuàng)了碳纖維復(fù)合材料汽車傳動軸的先驅(qū)。Audi80/90Quattro在1989年首次使用碳纖維傳動軸,并且使用車型一直延續(xù)到了1998年的AudiA4/A8Quattro,此種型號的傳動軸年產(chǎn)已達(dá)30000套。日本東麗公司在2008年度發(fā)布的碳纖維發(fā)展戰(zhàn)略報告中統(tǒng)計表明:2007年度在尼桑GTR車型上使用碳纖維傳動軸5000只;阿斯頓·馬丁V8VantageCoupe車型上使用1萬只;MazdaRX-8型車上使用了13萬只;尼桑Fairladyz2002型上使用了25萬只,最大的應(yīng)用量在MMCPajero上,使用了50萬只,總計達(dá)到了90萬只?，F(xiàn)在,制約碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)使用的最大障礙是碳纖維的成本,如果碳纖維原材料的價格下降到15～20美元/kg的水平,采用碳纖維復(fù)合材料可使大眾型轎車從1340kg輕量化為970kg,從轎車等級來講,全球現(xiàn)在小汽車的銷量為6400萬輛,頂級轎車為4萬輛,按照每輛使用100kg碳纖維計,將消耗碳纖維0.4萬t;豪華轎車50萬輛,將消耗5萬t碳纖維;而大眾型轎車6000萬輛,將消耗600萬t碳纖維,2008年度世界碳纖維的消耗量才3.5萬t左右,因此,碳纖維在汽車上的應(yīng)用也像碳纖維在大飛機(jī)(A380,B787)上一樣成功的話,將帶動碳纖維產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。4碳纖維連續(xù)抽油桿現(xiàn)場應(yīng)用效果有桿泵采油是當(dāng)前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的機(jī)械采油技術(shù)。目前世界上機(jī)械采油井?dāng)?shù)已超過總生產(chǎn)井?dāng)?shù)的90%以上,80%左右的機(jī)械采油井都采用有桿泵抽油模式。我國共有油井8萬多口,其中95%是用機(jī)械采油方式進(jìn)行原油開采,約2萬口是屬于采油成本高和難的腐蝕性油井、深井和超深井,其抽油桿就成為了國內(nèi)石油開采的關(guān)鍵新材料。由于井深和鋼質(zhì)抽油桿的自身質(zhì)量等因素的影響,使機(jī)械采油效率大大降低,因抽油桿自身不足而造成的事故次數(shù)占抽油井事故的60%～70%。傳統(tǒng)金屬抽油桿由于自身質(zhì)量大、易腐蝕、疲勞性能較差等缺點,已成為制約這種采油方式發(fā)展和壯大的“瓶頸”。碳纖維連續(xù)抽油桿具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損及結(jié)構(gòu)功能一體化的特點,使采油效率大為提高,事故發(fā)生率也比用傳統(tǒng)抽油桿大為減少。碳纖維抽油桿用于有桿泵系統(tǒng)采油的應(yīng)用研究起源于美國。美國利用其獨特的航空航天技術(shù)和材料技術(shù),于20世紀(jì)90年代初成功研制出碳纖維桿、專用的油井作業(yè)設(shè)備和碳纖維抽油桿-鋼抽油桿的混合抽油桿柱設(shè)計軟件,并進(jìn)行了礦場試驗。1991年5月至1995年11月美國在33口抽油井中使用了碳纖維桿,平均泵掛深度為1444m,平均泵徑為50.5mm,7口井的平均沖數(shù)為10.5min-,平均地面沖程為3.94m,碳纖維桿的長度占整個抽油桿柱長度的平均比例為56.8%,井液平均含水88.8%,平均日產(chǎn)液91.7t。其中有一口井正常運(yùn)行了4年,另一口含H2S的井正常運(yùn)行了3年,還有幾口井也連續(xù)運(yùn)行了3年多。這33口井在4年半的礦場試驗中共作業(yè)45井次,最主要的失效形式是鋼接頭疲勞斷裂和碳纖維桿端部連接部位失效,其次是由于碳纖維桿受壓應(yīng)力引起失效。試驗結(jié)果表明,碳纖維桿是一種很有發(fā)展前途的特種抽油桿。在2000年前后,北京化工大學(xué)、山東大學(xué)和勝利油田等開展了碳纖維連續(xù)抽油桿的制造技術(shù)和工程應(yīng)用技術(shù)研發(fā),研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的拉擠成型碳纖維復(fù)合材料抽油桿,分別為耐溫90℃、120℃和150℃的碳纖維連續(xù)抽油桿;建造了多條碳纖維拉擠生產(chǎn)線;進(jìn)行了碳纖維連續(xù)抽油桿和金屬接頭的電化學(xué)腐蝕等服役行為及其可靠性研究;進(jìn)行了碳纖維連續(xù)抽油桿采油系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和理論研究;建立了碳纖維連續(xù)抽油桿應(yīng)用的桿柱設(shè)計和故障診斷的計算機(jī)軟件;實施了碳纖維連續(xù)抽油桿應(yīng)用的關(guān)鍵配套裝備,如碳纖維連續(xù)抽油桿的專用下井作業(yè)車、碳纖維桿專用超長沖程抽油機(jī)、專用超長沖程抽油泵、碳纖維桿采油工藝配套輔助設(shè)備與工具開發(fā);建立了以碳纖維連續(xù)抽油桿為核心的新型采油裝備及系統(tǒng)。從2001年6月第一口油井礦場試驗開始,碳纖維抽油桿已在勝利油田的勝利采油廠、東幸采油廠、河口采油廠、純梁采油廠、孤島采油廠等5家采油廠進(jìn)行了前后4年、總共50口油井(井次)的碳纖維連續(xù)抽油桿的現(xiàn)場應(yīng)用試驗結(jié)果統(tǒng)計表明,碳纖維連續(xù)抽油桿和鋼制抽油桿相比,具有耐疲勞、節(jié)能、耐腐蝕、作業(yè)速度快、增加產(chǎn)液量等多項優(yōu)點;經(jīng)統(tǒng)計,平均節(jié)能50%以上;到目前為止,還沒有一口井因腐蝕或疲勞斷裂失效。碳纖維連續(xù)抽油桿的單井產(chǎn)液量平均提高4～8t/d,泵效平均提高約24%,另外光桿懸點載荷降低了45%以上,電流降低了50%以上。在提高抽油效率、減少抽油桿偏磨、降低結(jié)蠟等方面具有明顯的效果,最長的抽油桿已連續(xù)使用了3年多,最大下井深度已達(dá)到2800m。目前,我國的油田不像中東的油田那樣有很強(qiáng)的自噴能力,多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田,大部分油田要靠注水壓油入井,再用抽油機(jī)把油從地層中提升上來。以水換油或者以電換油是我國油田的現(xiàn)實,因而,電費在我國石油開采成本中占了相當(dāng)大的比例,節(jié)能具有現(xiàn)實意義。我國油藏開發(fā)的類型日趨復(fù)雜、地域更為廣闊,油井遍布陸上、海域,伴隨著深層油藏的開發(fā),涌現(xiàn)出大量深井、超深井。據(jù)統(tǒng)計,我國各大油田,如勝利油田、中原油田井深在2500m以上的油井約占總井?dāng)?shù)的10%,特別是新近開放的新疆塔里木油田、大慶海拉爾油田,井深都在2500～3000m;井礦環(huán)境除水、鹽外,還出現(xiàn)了CO2、HCl和H2S等腐蝕性氣體。全國油田的抽油桿年需求量約在2600萬m。按照20%使用碳纖維抽油桿的預(yù)期用量計算,預(yù)計可使用碳纖維抽油桿560萬m,按照每米150g碳纖維拉擠復(fù)合材料計算,需要消耗碳纖維600t/年。目前,我國抽油機(jī)的保有量在10萬臺以上,電動機(jī)裝機(jī)總?cè)萘繛?500MW,每年耗電量逾百億kW·h。按照使用碳纖維抽油桿平均節(jié)能50%以上,以20%油井采用碳纖維抽油桿計算,每年可以節(jié)能10億kW·h。5面為硬脆材料的大厚度導(dǎo)電線路電力是國家能源的重中之重,我國電力工業(yè)每年以13%的速度發(fā)展,使許多輸送線路呈現(xiàn)過負(fù)荷現(xiàn)象,輸電電網(wǎng)已成為輸電的瓶頸問題,而新建電網(wǎng)又受到土地供應(yīng)和線路走廊工程造價高等諸多因素限制。國內(nèi)電網(wǎng)建設(shè)每年需要的架空導(dǎo)線約80萬km以上,加上現(xiàn)有輸電線路的改造,也要40萬km左右。目前國內(nèi)110kV以上的輸電線路均為裸導(dǎo)線,導(dǎo)體為鋼芯鋁絞線、鋁合金絞線、鋁包鋼絞線。提高導(dǎo)線運(yùn)行溫度是在不增加導(dǎo)線截面積情況下有效提高輸電能力的一種方法。有關(guān)研究表明,400/50鋼芯鋁絞線使用溫度為70℃時,載流為583A,升高至80℃后,載流可達(dá)835A,可節(jié)約10%～25%線材,綜合造價可節(jié)省10%左右。國外CTC(Compositetechnologycorporation)公司研究表明,導(dǎo)線溫度升高到140℃左右,同樣外徑的電線截流量可以提高1倍以上。然而,架空導(dǎo)線的載流量受導(dǎo)線載流發(fā)熱后的機(jī)械強(qiáng)度損失制約。國內(nèi)外的研究表明,導(dǎo)線超過一定溫度長時間運(yùn)行后,其彈性變形將轉(zhuǎn)變成永久變形,使機(jī)械強(qiáng)度損失無法在線溫恢復(fù)至常溫后得以同步恢復(fù)。若設(shè)計載流量太高,就會引起導(dǎo)線溫度較高而使機(jī)械強(qiáng)度損失超過允許量值,造成導(dǎo)線弧垂增大、舞動半徑變大、抗振能力下降從而縮短線路使用壽命和降低運(yùn)行的安全性。如允許溫度從70℃升高到80℃,相應(yīng)弧垂的差額為1～3m,這樣的弧垂差額僅會影響部分桿塔,不會引起普遍加高桿塔的后果,但若要繼續(xù)升高運(yùn)行溫度,由于弧垂增大和鋼芯的蠕變引起永久變形,將嚴(yán)重影響現(xiàn)有桿塔基礎(chǔ)和架線規(guī)程。如果更大幅度地升高導(dǎo)線的工作溫度,必須相應(yīng)解決3個問題:提高高溫下線芯強(qiáng)度、減小高溫下導(dǎo)線弧垂和高溫下鋁導(dǎo)體的電阻。日本于20世紀(jì)90年代后期相繼開發(fā)出碳纖維芯鋁絞線(ACFR)和耐熱型的耐熱碳纖維芯耐熱鋁合金絞線(TAC-FR)。從2000年開始,作為現(xiàn)場試驗,日本在氣象條件較為嚴(yán)酷的青森縣下北郡橫濱町架設(shè)了應(yīng)用ACFR160mm和TACFR160mm導(dǎo)線的試驗線路,對自然環(huán)境下的張力變動、覆雪狀況及金具的適應(yīng)性等做了約4年的驗證試驗。現(xiàn)場試驗中未觀察到異常的覆冰、振動和過大的蠕變伸長。試驗結(jié)束后的特性調(diào)查結(jié)果也未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線性能的劣化。美國3M公司于2001年開發(fā)出鋁基陶瓷纖維芯鋁絞線(ACCR),2001年以來,鋁基陶瓷纖維芯鋁絞線ACCR已在若干不同電壓等級的輸電線路上試運(yùn)行或?qū)嶋H應(yīng)用。2003年美國CTC公司開發(fā)了復(fù)合材料芯線鋁導(dǎo)線(AC-CC),其技術(shù)關(guān)鍵是采用纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料作為低膨脹、高強(qiáng)耐熱線芯代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼芯,線芯是由以碳纖維復(fù)合材料為中心的玻璃纖維復(fù)合材料包覆制成,外層鋁導(dǎo)體則采用梯形截面鋁代替?zhèn)鹘y(tǒng)圓截面鋁線絞合而成。這種復(fù)合材料電纜具有以下特點:載流量是ACSR(鋼芯鋁絞線)的2倍,同樣外徑的導(dǎo)線包含更多Al,消除了弧垂造成的不良后果,可在200℃下使用,實現(xiàn)大跨度架線,減少了20%甚至更多的塔架。2004年10月CTC第一條長約3.2km的ACCC線路在德克薩斯州安裝完成,此后,CTC公司的ACCC導(dǎo)線先后在美國的霍蘭(美國密西根州西南部一城市)、德克薩斯州金曼市安裝了試驗線路,并與美國最大的大眾導(dǎo)線公司簽定了生產(chǎn)和銷售協(xié)議。據(jù)了解,近期美國將有10多條改造或新建線路計劃使用CTC公司生產(chǎn)的ACCC導(dǎo)線,其中有若干條230kV的線路。2005年江蘇遠(yuǎn)東電纜有限公司成立了遠(yuǎn)東復(fù)合技術(shù)有限公司,引進(jìn)美國CTC公司技術(shù)合作生產(chǎn)ACCC導(dǎo)線,其關(guān)鍵部分碳纖維復(fù)合材料加強(qiáng)芯全部從美國CTC公司進(jìn)口。目前其產(chǎn)品已在福建、遼寧、江蘇、天津等多個省、直轄市的50余條線路電網(wǎng)掛網(wǎng)送電,運(yùn)行良好;由于采用國外碳纖維復(fù)合材料加強(qiáng)芯,造價是我國普通導(dǎo)線的5倍,已成為大量應(yīng)用的瓶頸。碳纖維復(fù)合導(dǎo)線在輸電領(lǐng)域的應(yīng)用被認(rèn)為是電力工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一次革命,它具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、線損低、弛度低、絕緣性好等優(yōu)點,可以減小新建線路土地占用面積,節(jié)約運(yùn)輸、安裝與維護(hù)費用,減少工程造價,節(jié)能、增容、改善環(huán)境等,具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會效益以及廣闊