基于碳纤维导线压接特性与金具选型的研究

2012-04-13姜广东严行建宋丹仝娜严晓威

电力工程技术 2012年3期

姜广东，严行建，宋丹，仝娜，严晓威

(1.南京电力金具设计研究院，江苏南京210037；2.江苏省宏源电力建设监理有限公司，江苏南京210024；3.江苏易鼎电力科技有限公司，江苏宿迁223800；4.远东复合技术有限公司，江苏宜兴214257)

近年来，碳纤维复合芯导线在国内外输电工程中广泛使用，国内近200多个改造增容工程采用该导线，可降低成本，降低线损，提高输电容量，节省通道资源，有助于构造安全、环保、高效节能型输电网络，具有较好的社会效益和经济效益，其配套电力金具同样具有良好的前景[1]。碳纤维复合芯导线由于其结构的特殊性，常用的耐张线夹和接续管不宜使用，而是采用一种利用楔型自锁原理的耐张线夹和接续管，其结构是将常规压接钢管改为楔型自锁式新型耐张线夹和接续管[2]。目前国内生产和正在研制上述2种金具的有不少厂家，其中江苏宇飞电力科技有限公司对金具进行了独特的改进，有效缩短了金具尺寸，形成自有专利，并通过中电联的鉴定，已在多条线路工程中成功应用[3]。

1 碳纤维复合芯导线结构及生产工艺

1.1 碳纤维复合芯导线结构

碳纤维复合芯导线结构如图1所示，其芯线是由碳纤维为中心层，高模量高强度S型玻璃纤维外包浸渍高温度模量树脂固化制成的单根芯棒或多根绞合复合芯棒，铝线股为T型截面[4]。

1.2 碳纤维复合芯生产工艺

1.2.1 主要原材料

碳纤维复合芯是由碳纤维和玻璃纤维或其他纤维通过拉挤成型的方式制成的单根芯棒，碳纤维通过耐火处理、碳化而成；高强度、高韧性配方的环氧树脂具有很强耐冲击性、耐抗拉应力和弯曲应力。将碳纤维与玻璃纤维进行预拉伸后，用环氧树脂浸渍，然后在模具中高温固化成型为复合材料芯线[5]。其主要原材料如表1所示。

表1 主要原材料

1.2.2 复合芯生产工艺流程及存在缺陷

复合芯采用拉挤工艺如图2所示，将树脂、固化剂、促进剂、填料等按一定比例混合，用搅拌机搅拌均匀后，注入树脂浸槽，纤维浸渍树脂后进入模具连续固化成型。一般来说，碳纤维占35%，玻璃纤维占35%，增韧环氧树脂占30%。将碳纤维整经，单向（0°）集束，在线浸渍韧性环氧树脂溶液，然后包覆玻璃纤维，通过钢制模口，控制其直径，然后在260℃固化成型，整个工艺为连续制造。这种拉挤工艺使纤维产生拉伸微型裂纹，树脂固化过程因搅拌时灰尘、水气等杂物的侵入，固化层内易产生夹杂、气泡和孔洞等宏观缺陷。一旦受力超过极限应力，如压缩应力等作用，这些缺陷因复合材料徐变特性，缺陷随时扩大而至破断，故压缩型电力金具不能应用于碳纤维复合芯导线。

2 复合芯的压缩性能

应用压缩性能的力学原理分析，当复合芯受压时，纤维片和树脂片都将受到压力，纤维片可能出现失稳现象，受着树脂的横向支撑，相当于在弹性基础上的杆件失稳问题。失稳的基本形式有2种，一是相邻两纤维片反向屈曲，此时树脂承受横向拉压应力，称为拉伸型失稳；二是相邻两纤维片同向屈曲，此时树脂受着剪应力，称为剪切型失稳[6]。

由于压缩的不确定性，再采用较大压缩外力，构件受力更为复杂，其后果难以预测，故不宜采用压缩型电力金具。

3 碳纤维、玻璃纤维和环氧树脂共性及性能

3.1 强度和弹性性能的可设计性

碳纤维复合芯是由树脂、玻璃纤维和碳纤维组成，玻璃纤维和碳纤维的强度或弹性模量比树脂的强度或弹性模量高几十倍，而玻璃纤维和碳纤维在宏观范围内是单向强度的材料，所以玻璃钢和碳纤维的强度或弹性模量在相当程度上取决于所含的玻璃纤维量和碳纤维分布的方向，可在一定程度上设计出各种强度和弹性性能的产品。一般来说，可以设计成3种类型：一是准各向同性材料，二是2个垂直方向上有较高强度或弹性模量的正交各向异性材料，三是在一个方向上有特高强度的单向性材料。单向性材料主要可用作拉力构件如电线芯等，但其共性是受剪应力较低，故受到压缩突变剪应力时，构件随时会损坏。

3.2 主要缺陷

碳纤维复合芯具有复合材料共同优势之外，和所有复合材料一样也存在一些严重影响使用性能的缺陷。

（1）复合芯的应力应变是线性的，破坏的概率单调递增[6]。复合芯的缺陷是有一定的脆性，Griffith破坏理论认为：它的应力应变曲线直到破坏是线性的。股纱的应力应变曲线，则由于单纤维受力的不一致以及单纤维强度的不一致，呈现了一个逐步断裂的过程，直到残留的纤维不能承担最大的荷载时全部破坏。而这种破坏的概率，Weiball认为：随着应力的增加，破坏的概率是单调递增的，其概率集度函数为：

式中：σ≥0，β＞0，为形状函数；α＞0，为特性函数。在强度＜σ时破坏概率为：

两位专家共同认为，这是由于材料中自身存在着微裂缝或缺陷而产生高度集中应力使材料的宏观强度不断降低，最终导致材料破坏[6]。

强度试验也证明，复合芯的破坏常常先是树脂开裂，然后再是纤维的断裂。压缩型电力金具在压缩时产生的集中应力，使复合芯产生微裂，该产品设计是不合理的。

（2）复杂的疲劳损坏，破坏过程较长。疲劳破坏可以认为是材料内的裂缝形成和扩展的过程。对复合芯这类复合材料来说，问题更为复杂，一般说来，破坏首先开始于树脂和纤维界面的个别点上，这时在材料内已形成了微裂缝，这些微裂缝的进一步扩展，将使部分纤维断裂，裂纹扩展到相邻的纤维和树脂的界面上，或者出现较大区域的分层脱胶，这时试件的承载能力下降，阻尼增高，振幅减小，频率降低，最后导致大量纤维断裂或大区域的分层而破坏。整个疲劳损坏的过程是较长的，裂缝发展速度较慢。这就是压缩型电力金具在压缩后产生微裂而试验时力学性能合格原因所在。

（3）复合材料的徐变性能。当材料受到一恒定载荷的作用时，除了初始的瞬时变形外，随着时间的增长，变形也随着增加，这种现象称为徐变[6]。影响徐变性能的因素较多，主要有受力形式（拉、压、弯扭）、载荷方向、应力大小和温度等[6]。复合材料的徐变有如下规律。

①当主应力方向平行于径向或纬向纤维时，无论是拉伸还是弯曲徐变，其徐变量都较小，初始应变与徐变试验结束时的最终应变的比值都在0.7以上（复合材料）。

②当主应力方向与经纬向成一定角度时，随着角度的增加而增大，当成45°时，徐变较激剧，拉伸徐变总应变约为初始应变的3倍。徐变不仅与时间有关，而且与应力的大小有关，在30%静强度的应力作用下，徐变总挠度约为初始挠度的5倍半。

③当应力大于静强度的50%时，试件相继发生徐变破坏，随着应力的增大，徐变时间相应缩短，即材料的持久强度随着时间的增长而降低。对同一种复合材料来说，尽管所受的应力不一样，但徐变破坏时的总应变值基本相同，随时间延长而变大。

当压缩型电力金具应用于碳纤维复合芯导线，复合芯徐变特征完全相同。故压缩型电力金具在复合芯导线试验时，虽然复合芯受到破坏，产生微裂纹，但力学性能仍为合格。当第一模压完后，发生单向突变（如图3所示），应力也产生了一定的角度。随着时间推移，很难不出现断裂安全事故。故压缩型电力金具不能应用于碳纤维复合芯导线。

4 碳纤维复合芯压缩后微观变化

根据文献，钢压接管压接后，伸长率为12%～15%，内径缩小10%～15%[7]，大于碳纤维复合芯3.5%综合延伸率，故碳纤维复合芯的玻璃纤维、碳纤维和树脂压缩后将产生各种数量不同和形状各异的微裂。

4.1 复合芯中纤维微裂机理

通常采用透射电镀（TEM）和扫描电镀（SEM）研究碳纤维复合芯中碳纤维的微裂机理、缺陷类型和强度分散性。

复合芯中碳纤维在压缩后，单根碳纤维产生突变牵伸点或细颈点，急剧变形，微裂剧增，如图3所示，这种急剧变形严重影响复合芯力学特性。

其最典型的是拉伸断裂，拉伸断裂与错排晶体有关[8]。错排晶体是指晶体取向不是平行纤维轴，而是偏离纤维轴。一是受到剪切应力难以释放出来，形成了垂直于纤维轴方向的应力集中点，其方向上增值发展，也可能穿过相邻层面转移和释放剪切应力，最终导致纤维断裂。二是随着应力继续增加，当裂纹尺寸超过临界值时发生破坏性断裂。