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碳纖維的十六個主要應用領域及近期技術進展(五)

來源:江蘇優培德復合材料有限公司 發布時間:2017-09-06 14:54:08 瀏覽人次:2305

9 CFRP作為電力電纜的芯材

電能是生產生活必需的一種常備能源。電能在從發電廠輸送至用電場所的過程中,存在著嚴重的線損問題。線損即指輸電、變電、配電等電力輸送環節產生的電能耗損。

增大架空線中傳輸的電流會造成電纜發熱。若此時電纜材質耐熱性能差,則電纜的承載力會下降,進而產生弧垂。而弧垂既是一個重要的線損源,也是限制架空線提高傳輸容量的主要因素。

鋼芯鋁導線中的增強鋼芯受熱即產生弧垂,超過70℃時弧垂會使電纜嚴重下垂,更有可能與鄰近物體接觸導致短路,甚至落至地面危及人員生命于安全。由弧垂引發的短路會使鄰近的架空線和變壓器瞬間過載,引起災難性故障。自承式鋁絞線雖能允許短暫的、較高的運行溫度(150℃),但也無法避免弧垂的產生。

復合材料芯材鋁導線(ACCC)以復合材料芯材替代金屬芯材,為解決架空線弧垂問題開辟了更有效的技術途徑。2002年,基于ACCC專利技術,全球供配電設備企業——美國CTC公司(CTC Global)展開了產品的研發,以期將其投入使用。當時的開發目標是,在不對現有架空線承載塔架做任何變動且不增加現行導線質量或直徑的前提下,開發CFRP芯材來承載鋁導線,以降低熱弧垂、增大塔架距離、承載更大電流、減少線損、提高供電網絡可靠性等。2005年,該公司推出商業化的ACCC導線產品,其研制生產的CFRP芯鋁導線的強度是同等質量鋼芯鋁導線的2倍、傳輸的電流容量是其他芯材鋁導線的2倍、線損較其他芯材鋁導線降低了25%~40%,其高容、高效和低弧垂等性能遠遠超越了其他材質芯材鋁導線。

10 CFRP作為壓力容器的纏繞增強材料

高壓容器主要用于航空航天器、艦船、車輛等運載工具所需氣態或液態燃料的儲存,以及消防員、潛水員用正壓式空氣呼吸器的儲氣。為了能在有限空間內盡可能多地存儲氣體,需對氣體進行加壓,因此,需提高容器的承壓能力,對容器進行增強,以確保安全。

20世紀40年代,美國開始系統用復合材料增強高壓容器的研究。1946年,美國研制出纖維纏繞壓力容器;20世紀60年代,又在北極星和土星等型號的固體火箭發動機殼體上采用纖維纏繞技術,實現了結構的輕質高強。1975年,美國開始研制輕質復合材料高壓氣瓶,采用S-玻纖/環氧、對位芳綸/環氧纏繞技術,制造復合材料增強壓力容器。

后來,科學家們紛紛研制出由玻纖、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、碳纖維、芳綸和PBO纖維等增強的多種先進復合材料。其中,對位芳綸曾大量用于各種航空航天器用壓力容器的纏繞增強,后逐漸被碳纖維所取代。20世紀70年代,纖維纏繞金屬內襯輕質壓力容器被大量用于航天器的動力系統中;20世紀80年代,碳纖維增強無縫鋁合金內襯復合壓力容器出現,其使壓力容器的制造費用更低、質量更輕、可靠性更高。復合材料增強壓力容器具有破裂前先泄漏的疲勞失效模式,提高了安全性。因此,全纏繞復合材料高壓容器已在運載火箭等航天器中廣泛使用。

高性能纖維是全纏繞纖維增強復合壓力容器的主要增強體。通過對高性能纖維的含量、張力、纏繞軌跡等進行設計和控制,可充分發揮高性能纖維的性能,確保復合壓力容器性能均一、穩定,壓力離散差小。車用高壓Ш型氫氣瓶(金屬內膽全纏繞)的材料成本中,近70%為增強纖維,其余約30%為內膽和其他材料。

20世紀30年代,意大利率先將天然氣用做汽車燃料。早期車用氣均使用鋼質氣瓶,其厚重問題始終限制著鋼質氣瓶的擴大應用。20世紀80年代初,玻璃纖維環向增強鋁(或鋼)內膽的復合氣瓶誕生。由于環向增強復合氣瓶的軸向強度欠佳,故其金屬內膽依然較厚。為解決此問題,同時對環向和軸向進行增強的全纏繞纖維增強復合氣瓶應運而生,其金屬內膽的厚度大幅減薄,質量顯著減小。20世紀90年代,以塑料作為內膽的復合氣瓶出現。新能源汽車領域,高壓氣瓶的應用主要是燃料電池動力汽車用高壓儲氫氣瓶,其壓力已到達70 MPa。

(后續請見碳纖維的十六個主要應用領域及近期技術進展(六))

江蘇優培德復合材料有限公司致力于碳纖維等復合材料汽車及工業領域的高性能零件開發、試制、及生產,配備有復合材料不同生產工藝如模壓、RTM、真空導入、纏繞等,根據不同的產品需求及量綱要求提供整體解決方案。

公司與所從事的專業領域在國內外的模具及原材料供應商建立緊密合作關系,使我們的產品在選材、品質、工藝及成本上均能提供客戶更優的方案。通過公司的專業管理機理念成為客戶在中國及全球工業設備領域輕量化零部件開發及生產的伙伴。


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