基本信息
- 项目名称：
- 架空导线用高性能复合材料电缆芯的研制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 传统的架空导线是用钢芯作为导线的承重部分，现在的趋势是采用复合材料电缆芯代替传统的钢芯，复合芯导线具有强度大、载流量大、耐热性好、线膨胀系数小、重量轻、耐腐蚀性能好等特点，是一种全新概念的架空输电导线。截止目前，复合芯的国内外市场主要被美国CTC公司占据。我们采用自制的高性能环氧树脂为基体，并以碳纤维和玻璃纤维增强此基体，通过拉挤成型工艺制备了可在野外恶劣环境下长期运行的高性能复合材料电缆芯。
- 详细介绍：
- 传统的架空导线是用钢芯作为导线的承重部分，现在发展的趋势是采用高性能复合材料电缆芯代替传统的钢芯作为导线的承重部分，复合材料合成芯导线具有强度大、载流量大、耐热性好、线膨胀系数小、重量轻、耐腐蚀性能好等特点，是一种全新概念的架空输电导线，它的诞生是架空输电导线的一场革命（国电电力建设研究所总工程师尤传永语）。截止目前，复合材料电缆芯的国内外市场主要被美国CTC公司占据。 我们采用自制的有机硅环氧树脂、固化剂与目前已经商业化生产的环氧树脂组成了一个高性能环氧树脂复合体系，并用碳纤维和玻璃纤维增强这个环氧树脂体系，制备出可以在高温高湿环境中长期运行的复合材料电缆芯。我们在复合芯的研制过程中创造性地引入了自制有机硅环氧树脂并成功地改进了拉挤成型工艺。我们研制的树脂基体价格低（仅为95元/kg左右），自制树脂基体的热变形温度可以达到195℃，能够耐受复合材料电缆芯在180℃下长期运行。力学性能测试结果表明，树脂基体的拉伸强度可以达到68.08MPa，弯曲强度为118.83MPa，更具有实际使用价值的是自制树脂基体经过高温高湿环境老化50h后，力学性能变化很小，这表明该树脂基体可以耐受湿热老化环境的影响；自制复合芯的表观剪切强度值比CTC公司复合芯更大，且经过60小时的湿热老化后，自制复合芯的表观剪切强度值损失量小；在最大弯曲程度时，自制复合芯不折断，对现场施工无严格限制，同时具有巨大的价格竞争优势；DMA测试结果表明，湿热老化前，自制复合材料电缆芯的耐热性可以达到CTC公司复合芯的水平，经过50h湿热老化后，自制复合芯Tg的损失量相对较小，这表明自制的复合材料电缆芯具有更佳的耐湿热老化性能。目前已经完成实验室阶段的研制工作，将于近期进行中试生产，进一步验证产品性能的稳定性和产业化的可行性。 我们制备的高性能复合材料电缆芯所使用的有机硅环氧树脂和固化剂为自制，合成条件温和，占地面积不大；所使用的其它环氧树脂是已经商业化生产的国产环氧树脂，能够方便的购买到；所使用拉挤生产设备也为国产设备商提供；经过初步的推算，预计200万元左右的投资就可以进行商业化生产（不含厂房的建设和土地的费用，仅包含生产设备和原材料的采购）。据报道，高性能复合材料电缆芯具有广阔的市场空间，仅在中国就将有超过100亿美元的市场。未来10年在北美洲按现今水平对电力基础设施进行维护也需要560亿美元的投资。因此，本项目所研制的高性能复合材料电缆芯对国内电线电缆行业的产业升级具有重要的意义。此外，从国家安全的角度看，电力行业为国民经济的关键行业之一，因此也应该逐步实现高性能复合材料电缆芯的国产化目标。本项目所研制的高性能复合材料电缆芯的商业生产及技术推广将有助于加快这一目标的实现。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 复合芯导线具有强度大、载流量大、耐热性好、线膨胀系数小、重量轻、耐腐蚀性能好等特点，是一种全新概念的架空输电线路用导线，它的诞生是架空输电导线的一场革命（国电电力建设研究所总工程师尤传永语），截止目前，复合芯的国内外市场主要被美国CTC公司占据。复合芯的核心技术是其树脂基体的研制，我们采用自制的有机硅环氧树脂、固化剂与目前已经商业化生产的环氧树脂组成了一个高性能环氧树脂复合体系，并用碳纤维和玻璃纤维增强这个环氧树脂体系，制备出能在高温高湿环境中长期运行的复合材料电缆芯。我们在复合芯的研制过程中创造性地引入了自制有机硅环氧树脂并改进了拉挤成型工艺。我们研制的树脂基体价格低（仅为95元/kg左右），树脂基体的热变形温度可以达到195℃，能够耐受复合材料电缆芯在180℃下长期运行。力学性能测试结果表明，树脂基体的拉伸强度可以达到68.08MPa，弯曲强度为118.83Mpa；最具有价值的是树脂基体经过高温高湿环境老化50h后，力学性能变化很小，这表明该树脂基体可以耐受湿热老化环境的影响；自制复合芯的表观剪切强度值比CTC公司复合芯更大，且经过60h的湿热老化后，表观剪切强度值损失量小；DMA测试结果表明，湿热老化前，我们制备的复合材料电缆芯的耐热性可以达到CTC公司复合芯的水平，经过50h湿热老化后，自制复合芯Tg的损失量更小，这进一步表明自制的复合材料电缆芯具有更佳的耐湿热老化性能。
科学性、先进性
- 复合材料电缆芯长期在野外环境中使用，对树脂基体要求非常苛刻：要同时具有高强高韧性、耐湿热老化性，还要具有良好的加工工艺性能和具有竞争力的价格优势。我们制备高性能复合芯过程中使用了具有优异耐湿热性能与高韧性的自制有机硅环氧树脂，同时由于在树脂基体中加入了自制的固化剂，成功的解决了复合材料电缆芯高韧性与耐热性之间的矛盾，使树脂基体具有高强高韧耐高温高湿的性能，并具有良好的工艺性能，加工成型时不粘模具，并在180℃的温度时，能够在1分钟内迅速固化，实现了80cm/min高速生产。截止目前，复合材料电缆芯的国内外市场主要被美国CTC公司占据。我们测试比较了自制的高性能复合芯和CTC公司复合芯的力学性能，测试结果表明，自制复合芯具有更佳的力学性能和耐湿热老化性能；DMA测试结果表明，湿热老化前，自制的复合芯的Tg和CTC公司复合芯相同，经50h湿热老化后，自制复合芯Tg大于CTC公司复合芯；在最大弯曲程度时，自制复合芯不折断，对现场施工无严格限制；同时自制复合芯具有巨大的价格竞争优势。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年5月获得第十二届全国“挑战杯”竞赛XX大学校级选拔赛唯一的特等奖； 2011年6月获得第十二届全国“挑战杯”竞赛XX省（直辖市、自治区）选拔赛特等奖； 2011年5月获得远东电缆有限公司对该项目的鉴定报告（见研究报告附录一）。鉴定报告认为：该项目所研制的复合材料电缆芯性能优异，耐热性可以达到国外同类产品（CTC公司复合芯）的水平，力学性能和耐湿热老化性优于CTC公司复合芯，可以满足架空导线的要求；该产品具有自主核心技术，生产成本低，发展了复合材料新的应用领域，对国内电线电缆行业的产业升级具有重要的意义，具有广阔的市场前景；目前同类产品的国内外市场主要由美国CTC公司占据，该产品可以有效地解决国内架空输电导线对进口复合芯的依赖，具有重要的社会价值和经济效益。
作品所处阶段
- 已在江苏远东控股集团进行小规模试生产，产品各项性能达到或优于CTC产品，近期将进行中试生产。
技术转让方式
- 以技术入股或者直接转让技术。
作品可展示的形式
- 1.实物、产品；2.现场演示；3.图片；4.录像；5.样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 我们制备的高性能复合材料电缆芯所使用的有机硅环氧树脂和固化剂为自制，合成条件温和，占地面积不大；所使用的其它环氧树脂是已经商业化生产的国产环氧树脂，能够方便地购买到；所使用的拉挤生产设备也为国产设备商提供。经过初步的推算，树脂基体的价格约为95元/kg，非常具有市场竞争力。预计200万元左右的投资就可以进行商业化生产（不含厂房建设和土地费用，仅包含生产设备和原材料的采购）。 复合芯导线可用于电网现代化改造项目。据报道，仅在中国这种改造项目的资金就超过100亿美元，今后10年内在北美洲按现今水平对电力基础设施进行维护也将需要560亿美元的投资。截止目前，复合材料电缆芯的国内外市场主要被美国CTC公司占据。因此，该项目所研制的高性能复合材料电缆芯对国内电线电缆行业的产业升级具有重要的意义。此外，从国家安全的角度看，电力行业为国民经济的关键行业之一，因此也应该逐步实现高性能复合材料电缆芯的国产化目标。本项目所研制的高性能复合材料电缆芯的商业生产及技术推广将有助于加快这一目标的实现。
同类课题研究水平概述
- 复合芯导线具有强度高、载流量大、耐热性好、线膨胀系数小、重量轻、耐腐蚀等特点，是一种全新概念的架空输电导线，它的诞生是架空输电导线的一场革命（国电电力建设研究所总工程师尤传永语）。复合芯导线的关键技术是复合材料电缆芯的制备。截止目前，复合芯的国内外市场主要被美国CTC公司(Composite Technology Corporation)占据。国内的研究与应用还处于起步阶段。 美国复合芯导线的开发。美国在2004年最先实现了复合芯导线的商业应用。其中，复合芯导线研发最成功的是CTC公司，该公司于2001年已研制出型号为CRAC-121、CRAC和CRAC-TelePower的三种样品。CRAC-121结构类似传统的ACSR钢芯铝铰线，规格为美国标准DRAKE，仅中间7根钢芯由复合材料代替，截面为扇形。CRAC为CRAC-121的改进型，是把复合材料线股放在外层，内层为铝线。而两种导线均可携带光缆成为CRAC-TelePower。上述三种导线曾做过常规的型式试验。该公司于2003年又推出了型号为ACCC(Aluminum Conductor Composite Core)的复合芯导线，它的芯线是由碳纤维和玻璃纤维混合制成的单根芯棒，外层与邻外层铝线股为梯形截面。这种导线的结构型式更有利于提高直线管、耐张线夹与导线的压接强度。这种导线已完成常规的型式试验，于2004年8月在德克萨斯州的实际线路上安装了3.22km，并在之后的两年里进行了各种现场试验，目前已经大规模推广使用。 国内复合芯导线的开发。我国虽然是继美国之后第二个开发应用复合芯导线技术的国家，但是复合芯导线最核心的部分——复合材料电缆芯主要进口于美国CTC公司。自2005年起，国内多家单位开始了复合芯导线的研究工作，主要包括：远东电缆有限公司、中国电力科学研究院、常州鸿泽澜线缆有限公司、中国航天工业总公司四院四十三所、华北电科院与河北硅谷（合作开发）、辽宁省电力公司与哈玻院（合作开发），等等。但目前已经商业化的只有美国CTC公司授权远东电缆有限公司开发的复合芯导线，所使用的复合材料电缆芯全部进口于CTC公司。国内挂网运行的碳纤维导线线路有近60条，除2009年上半年建成投运的万泉—顺义Ⅲ线送电线路中的1.2km线路采用了由河北硅谷提供的试用复合芯导线，其余的线路都是由远东电缆公司生产的复合芯导线。
