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纳米膜复合铝合金带的研制可行性研究报告

2017/5/15

  一、 目的和意义
1.1项目背景
  据中国有色金属网统计,世界铜矿已探明的仅有6.5亿吨,占地壳中的0.01%,中国铜资源储量约6250万吨,在全世界的占有量不到1%。中国每年工业实际用铜量约500万吨,也就意味着,中国如果不依赖进口铜,那么中国十年以后将无铜矿可采。但中国是一个富铝国家,据统计,中国铝资源储量约27亿吨,且中国还是一个产铝大国。因此在这样的背景下,以铝代节铜就成为了可持续发展的必须途径。
  国内电线电缆行业是仅次于汽车行业的第二大产业,近年来电线电缆对铜的消费占国内铜消费总量的52%以上,而我国又是一个贫铜的国家,每年有70%的铜产品依靠进口来满足国内需求。
  业内人士认为,中国城市目前已进入高速发展的时期,电缆入地也成为新世纪现代化城市的一种潮流。它对美化城市环境和提升城市功能,已经和必定起到有益的作用,并产生崭新的现实效应。欧美国家很重视对矿藏储量较大的铝材使用,铝合金材料的中低压电缆已在国外大量使用,我国的电缆金属材料还主要局限与铜,但我国铜资源紧缺,每年国家用铜量还在逐步加大,若我们对金属材料不加控制的使用,若干年后,国外对中国进行战略封锁,中国将无铜可用,本着社会以可持续的发展的战略的理念,居安思危,我们必须选取新的材料来解决原有稀缺铜材日益减少的情况
  而且国内铜进口占70%以上,铜价较高且经常不稳定波动,不利于电缆企业控制生产成本。

1.2项目目的
  金属屏蔽是中低压电力电缆的必要结构,高压电缆主要以波纹铝护套为主,中低压电缆主要使用铜带,近年来由于铜价连连攀升,铜资源又属于我国的战略资源,本着“以铝节铜”的基本国策,我研究所在原有铝合金型号8系列的材料配比上进行改进,在满足电气性能的条件下,使其机械性能(抗拉强度、屈服强度、伸长率等)有了进一步的提高,达到电缆金属屏蔽绕包拉力和电缆热膨胀等要求。
1.3 成果应用和推广
  本项目成果适用于35kV 及以下所有电缆金属屏蔽层。应先在1~2条配电线路试运行,并逐步推广至其余线路,对于国网公司节约运营成本,实现以铝节铜的国策有着重要的意义。
1.4直接和间接效益
  以2014年为例,我国电线电缆年总产值近1.2万亿,其中电力电缆约4000亿。电力电缆中,中低压电力电缆占总量的70%以上,即2800亿。在中低压电缆制造成本中,在截面较小的电缆中屏蔽带大约能占到生产成本的6%,在截面较大的电缆中屏蔽带大约能占到生产成本的4%,这样保守计算,电缆屏蔽带的市场份额也超过百亿。
  我公司致力于新能源新材料行业,受多家电缆厂委托,提出用新型材料加工的电缆金属屏蔽带得到了众多厂家的广泛认可。利用我国相对较为丰富的铝资源做为基本的原材料,添加合金元素和纳米技术的表面处理,使得电缆金属屏蔽带成本大幅度降低,对比之前铜带可节约40%-60%。而且符合“以铝节铜”的基本国策。
  二、 国内外研究水平综述
  额定电压35kV及以下的电缆应有金属屏蔽层,国内现有金属屏蔽结构基本上都为铜带屏蔽或者铜丝屏蔽,在铜的价格一直居高不下的情况下,先后出现了以深圳泰伦特材料公司生产的铜包锌金属屏蔽结构,以江苏亨通电力电缆有限公司和江苏宏图高科电缆分公司产生得铜包铝金属屏蔽结构的材料,即在铝材表面包铜或镀铜,由于产品表面包覆了一层铜,阻止了活泼的金属铝和空气、酸碱的接触,具备一定的防氧化和防腐蚀能力,但是,该类产品经过一段时间实际应用后,发现防腐蚀性能远未能达到要求,主要原因是铜铝两种金属电极电位相差较大。潮湿环境中,当铝与铜接触时,电极电位负值较大的铝材作为阳极,加速腐蚀,这种双金属的电偶腐蚀现象(原电池效应),妨碍了铝金属在电网系统中的应用。其实,铜与铝均属于容易氧化腐蚀的金属,特别是在电缆实际生产以及安装使用过程中,难免受潮湿或电缆内部进水等恶劣环境的影响,加速屏蔽铜带的氧化腐蚀,严重破坏电缆的使用寿命和安全性,我们曾与多名供电部门的电缆维修技术人员交流,均证实了其普遍性和严重性。
  三、 项目的理论和实践依据
3.1项目研究原理简述
  (1)金属屏蔽材料的选择,由于纯铝的密度小(ρ=2.7g/cm3),大约是铜的30%,熔点低(660℃),铝是面心立方结构,故具有很高的塑性(断裂伸长率δ:32~40%,断面收缩率ψ:70~90%),易于加工,虽然可制成各种型材各种带材,但是纯铝的强度很低,退火状态σb值约为8kgf/mm2,故不宜作绕包金属屏蔽带。所以我们考虑了主要材料用价格和电气性能较好的电工专用铝合金作为主要材料。通过长期的生产实践和科学实验,在原有铝合金型号8系列的材料配比上进行改进,在保持其电气性能基本不变的情况下,使其机械性能如(抗拉强度,伸长率等)有了进一步的提高,与铜带接近,满足电缆金属屏蔽的要求。
  (2)金属导体表面空气和水中容易发生氧化腐蚀,导电截面积减少或沉积在导体表面的化学物都会影响导电能力,甚至造成许多线路发热燃烧引起的火灾事故,因氧化腐蚀(电缆入水)造成电缆屏蔽带腐烂的例子也较普遍。因此,我们采用了纳米复合电沉积和气相沉积技术,此技术就是利用纳米材料的半导体特性,即利用陷阱浓度较大的N型半导体,在一定电场能量的作用才下才会发生隧通电流的导电原理,在未达到一定电场能量情况下,表面不导电时起到防止双金属电偶腐蚀和阻隔大气的氧化作用;当达到一定电场能量时,表面导电。在相同电阻和电流情况下散热性能比纯铝带以及比纯铜带好,高温条件下(160℃)表面不氧化仍保持良好导电性和导热性,铜带表面则会发黑氧化导电不良。
3.2项目研究技术路线
  我公司在原有铝合金型号8系列(电工用铝)的材料配比上进行改进,在满足电气性能的条件下,使其机械性能有了进一步的提高,达到电缆金属屏蔽绕包和热膨胀等要求。
3.3项目研究的关键和难点
  在国际标准IEC60502以及我国国标GB/T12706中对电缆金属屏蔽的要求主要在电气性能、防腐蚀性能和机械性能。
3.3.1机械性能
  铜材和铝材的机械性能如抗拉强度、屈服强度、伸长率、膨胀系数等参数各不相同,因此新型铜铝复合材料的要满足之前铜带具有的机械性能如绕包的最大拉力、电缆的热胀冷缩等是一个关键点。
3.3.2电气性能
  铜材和铝材的电气性能如电阻率、抗热性能、热传导系数等都不相同,因此新型铜铝复合材料的要满足之前铜带具有的电气性能如短路电流、屏蔽效能等是一个关键点。
3.3.3防腐蚀性能
  (1)铜材腐蚀的问题
  在电化学顺序中,铜具有比氢更高的正电位(+0.35VSHE),故铜有较高的热力学稳定性,但是在湿度较高、腐蚀性介质(如含二氧化硫的空气、含氧的水、氧化性酸以及在含有CN-、NH4+等能与铜形成络合离子的液体)中,铜则发生较为严重的腐蚀。
  电力电缆敷设条件恶劣,尤其是很多电缆敷设在盐碱地下或酸性地下,或者在沟道隧道中进行敷设,很多电缆都是常年在含盐分水里泡着,导致金属屏蔽带严重腐蚀。
  (2)铝带腐蚀的问题
  铝是电位非常负的金属,其标准电极电位为-1.67V。虽然如此,由于铝的是俩性金属,因此它和酸碱环境下都会很快反映。空气中的氧或者融入水中的氧,以及水本身对铝来讲都是氧化剂。与纯铝相比,铝合金具有较高的力学性能和工艺性能,但其耐腐蚀较低。
  (3)铜铝复合腐蚀的问题
  铜铝两种金属电极电位相差较大。潮湿环境中,当铝与铜接触时,电极电位负值较大的铝材作为阳极,加速腐蚀,这种双金属的电偶腐蚀现象(原电池效应),妨碍了铜铝复合金属在电网系统中的应用。
  四、 项目研究内容和实施方案
4.1项目研究内容
4.1.1高性能铜铝复合材料制备技术的研究
  (1)基材设计
  向铝中加入适量的硅、铜、镁、锰、铁等合金元素,可制成机械强度较高的铝合金,若在经冷变形强化或热处理,可进一步提高其性能。加入不同的合金元素,对合金的性能有着不同的影响。
  加入Fe→调节抗拉强度、可铸性和耐热性。提高抗蠕变性能。
  加入Cu→调节抗拉强度、耐热性,增加高温时电阻的热稳定性。
  加入Mg→能增加强度和其它合金元素在溶解时的有效接触面积,但随着含硅量的增加,导电率明显下降,为此要加入第三元素进行调节,并在浇铸时:采用低温浇注,合理分配冷却强度梯度;在轧制时:控制好进、出轧温度,再控制好在线固溶处理温度,以满足耐热性和导电率的要求,以上这些因素控制不到位,会给后续加工带来困难,极易产生晶间腐蚀(即脆断现象)。
  加入Si→对电导率有恶劣影响,因此要严格控制,所以进行稀土化处理来贫Si。
  (2)铝合金带厚度设计
2.1根据短路电流容量换算铝合金带与铜带等效截面
  采用纳米铝合金屏蔽带所通过的短路电流容量与铜带所通过的短路电流容量相同,由据IEC 949—1988标准提供的屏蔽层短路电流计算公式:


2.2根据热容量换算纳米铝合金带与铜带截面
  金属屏蔽带材在短路情况下,吸收电阻发出的大量热量,但屏蔽带不发生高温形变或断裂的能力,也是考核金属屏蔽的重要指标,所以说,金属屏蔽带的热容量就成为了热稳定性能的重要指标之一。及研发出来的铝合金和铜的热容量值应相同。
  (3)纳米膜基材的设计选择
  纳米膜是铜铝复合屏蔽带的表层材料组成,表面经过纳米技术处理,满足高硬度,高导热率、耐腐蚀、导电等性能等要求。
4.1.2电缆用纳米膜复合屏蔽层的开发及应用关键技术研究
  (1)满足电缆机械性能要求
  1、纳米膜复合屏蔽层抗拉强度是否满足电缆绕包需求
  2、纳米膜复合屏蔽层伸长率是否能满足电缆的热胀冷缩的需求
  3、纳米膜复合屏蔽层在电缆生产以及安装时的连接
  4、纳米膜复合屏蔽层米带的铜铝界面的结合强度是否可以达到
  (2)满足电缆电气性能要求
  1、纳米膜复合屏蔽层电气性能是否满足电缆短路电流热容量的需求
  2、纳米膜复合屏蔽层屏蔽效能是否能满足电缆的金属屏蔽的需求
  3、纳米膜复合屏蔽层的表面接触电阻在室外环境下是否可以达到需求
  4、纳米膜复合屏蔽层的发热情况以及散热情况是否达到电缆的需求
  (3)满足电缆防腐蚀性能要求
  1、纳米膜复合屏蔽层的铜铝界面微电池腐蚀如何避免
  2、表面膜层的防腐蚀性能如何提高
  3、在盐雾、酸雨、碱性土壤中的抗腐蚀等级
  五、 预期目标和成果形式
5.1预期目标
5.1.1高性能铜铝复合材料制备技术研究
  掌握铜铝界面中间相控制技术和界面强化技术,完成高性能铜铝复合材料的成型、稳定化、均匀化工艺研究,获得最优铜铝配比复合材料。
5.1.2电缆用铜铝复合屏蔽层的开发及应用关键技术研究
  开发铜铝复合屏蔽层成型、缠腰、后处理等加工工艺、完成铜铝复合屏蔽层型式试验,建立完善的铜铝复合屏蔽层应用方案及标准,实现铜铝复合屏蔽层在中压电缆工程中的应用。
5.2成果形式
  1、公司在原有铝合金型号8系列和3系列的材料配比上进行改进,在保持电气性能基本不变的情况下,使其机械性能(抗拉强度、屈服强度、伸长率)有了进一步的提高。
  2、采用了纳米复合电沉积和气相沉积技术应用在铝合金屏蔽带上,使其表面形成一个纳米级半导体膜,防止双金属电偶腐蚀和阻隔大气的氧化作用,具有很强的抗腐蚀性能。
  3、在相同电阻和电流情况下纳米铝合金的散热性能比纯铝带以及比纯铜带好,高温条件下(160℃)表面不氧化仍保持良好导电性和导热性。
  4、在中低压电缆中进行应用,形成每年不低于5000万以上的产值。
  5.申请发明专利3项,实用新型专利若干。
  6.发表核心期科技论文若干篇。
  7.发表核心期刊科技论文若干篇
  六、已取得成果
  1 完成《额定额定电压35kV以下电力电缆用纳米铝合金屏蔽带》中电联科技成果鉴定,达到国内领先水平。
  2、参与国家标准GB/T 31840.1-2015 《额定电压1kv(Um=1.2kv)到35kv(Um=40.5kv) 铝合金芯挤包绝缘电力电缆》中的金属屏蔽层部分。
  3、主持完成行业联盟标准TICW 《电缆屏蔽用纳米膜复合铝合金屏蔽带》
  4、在中国电力科学研究院电力设备检测中心完成产品《型式试验》报告。
  5 在广东省质量监督检验研究院产品《型式试验》报告。
  6 在上海电缆研究所国家电缆检测中心完成《屏蔽抑制系数试验》报告
  7 在上海电缆研究所国家电缆检测中心完成《防腐蚀试验》报告
  8 在中国电力科学研究院电力设备检测中心完成产品《热稳定试验》报告
  9 在武汉质量监督检验研究院完成《红外发射率检测试验》报告
  11 在中山大学材料检测中心完成《纳米结构检测》报告
  12 完成相关企业标准
  13 在华南理工大学完成查新报告
  14 实用新型专利以及文章若干

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