石墨烯在电缆上的技术及应用现状

宁洋

新一代汽车,能源,新材料,互联网

  • 2019-07-09
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石墨烯凭借其优异的热稳定性、导电性和力学性能,近年来在各个领域得到了快速发展,目前广泛的应用在金属、航空、电池等领域。传统电线电缆行业发展处于低价竞争的瓶颈期中,亟需新技术、新材料的切入,石墨烯复合材料具有优异的导电性和力学性能,是发展高端电线电缆的绝佳材料。本文主要阐述了石墨烯在电线电缆上应用的现状,提出了目前存在的问题,并简述了该产业的未来发展趋势。

摘要:石墨烯凭借其优异的热稳定性、导电性和力学性能,近年来在各个领域得到了快速发展,目前广泛的应用在金属、航空、电池等领域。传统电线电缆行业发展处于低价竞争的瓶颈期中,亟需新技术、新材料的切入,石墨烯复合材料具有优异的导电性和力学性能,是发展高端电线电缆的绝佳材料。本文主要阐述了石墨烯在电线电缆上应用的现状,提出了目前存在的问题,并简述了该产业的未来发展趋势。

近年来,石墨烯材料凭借其优异的特性吸引了众多产业领域的青睐,石墨烯在电线电缆行业的应用可以减少传统电缆传输电量的损耗,增加其抗拉强度,也获得了资本的追逐。但目前该产业大都在研发阶段,仅有部分企业开始小批量生产,同时业内还有一些问题制约着产业的规模化发展。

石墨烯电缆可有效避免传输损耗,增加电线抗拉强度

电力行业电线电缆主要用于电力系统的主干线路,用在连接传输大功率电能的电缆产品。传统电缆有着屏蔽材料强度不够的缺点,使电缆常处于不均匀电场的中(图1),电芯相互感应会产生噪声电压,对内会造成电缆内部传输电量的损失,对外会产生电磁辐射污染。而加入石墨烯复合高半导电导体屏蔽材料及绝缘屏蔽材料后,屏蔽层与电芯等电位,可以有效避免导体和绝缘层之间的局部放电,避免内部传输电量的损失。

  图1 一般电缆与石墨烯中间层电缆电厂均匀对比

由于在电缆中加入了两个石墨烯层(图2),根据石墨烯自身的力学特性,在减少电缆电量损耗的同时,也增加了其抗拉强度,如应用于冬天电缆易结冰产生悬挂冰凌的环境,会较大改善工作环境,减少故障率。

  图2 石墨烯电缆内部材料结构截面图

资本纷纷进入石墨烯电缆领域,产业整体处于研发阶段

近年来,我国电线电缆行业对铜、铝电缆较为依赖,造成上游铜铝的需求量激增,进而导致铜铝资源短缺、价格飞涨,众多企业低价竞争、利润较低,行业出现瓶颈期。目前已有一些行业巨头公司如杭州电缆股份有限公司等,开始从新材料、新技术方面切入,针对电线电缆材料已有的问题,研究开发新的、具备产业化的材料,企图寻找企业的新的利润点。石墨烯凭借其优异的导电及力学性能,可以有效解决电量传输损失和抗拉强度不足的问题,是众多电线电缆企业寻求突破的关键点。

目前国内该产业处于资本追逐的研发阶段,部分企业尚处于资本投入研发未发布成果阶段,部分企业已取得实际突破,正在为产业化做研究,其中,江苏的中超控股股份有限公司已进入小批量生产阶段。

江苏中天科技股份有限公司与中国科学院过程工程研究所合作,共同研究了铝基石墨烯复合材料,其研发的产品,在抗拉强度方面,比传统电缆提升25%~50%;在浸润方面,解决了石墨烯与铝难浸润的问题,为石墨烯在架空导线用铝材领域奠定了基石,使电缆更加轻量化。

杭州电缆股份有限公司与新南威尔士大学于2016年4月开展合作,共同成立了杭电石墨烯科技有限公司,并设立了石墨烯专项实验室,开展“石墨烯导线及其制备技术”专项研究。

江苏中超控股股份有限公司已实现石墨烯复合材料电线电缆的小批量生产,并采用客户体验的方式投入市场。其旗下子公司常州中超石墨烯电力科技有限公司也已完成了《生产过氧化物交联型低电阻热稳定石墨烯复合半导电屏蔽材料》的研发,并投入石墨烯电线电缆产品中,目前该产品已投入市场销售。

人才匮乏、标准缺失,实现技术的产业化还需时日

业内企业盲目照搬生产技术,忽视人才的培养与引进。电线电缆行业传统产品较为成熟,产品更替较慢,研发人员匮乏。目前,业内较多企业照搬传统电线电缆的生产方法及工艺,忽视了人才培养,导致市场中产品集中度过高,引发产能过剩,企业盈利能力大幅下降。加强研发人员的引进和培养,加强与科研院所及高校合作,是当前电线电缆行业产业升级亟需解决的关键问题。

石墨烯行业本身标准已颁布,但在电线电缆行业的应用标准尚未发布。中国石墨烯标准委员会于2016年在国家标准网公布了《石墨烯材料的术语、定义及代号》,涉及石墨烯生产及检验等方面,为石墨烯的行业发展奠定了标准基础。但石墨烯在电线电缆的相关产品标准还未出台,产品的研发方向及类型较为混乱。

专利多,但实际工业化应用少。国内石墨烯在电线电缆的应用专利已有规模,但研发及小批量生产的产品还未形成完整的产业链闭环,且研究主要由高校及研究所开展,企业要实现规模化生产尚需时日。

未来继续以电缆抗拉、减损方向为主,降低成本推进产业化

相比传统电线电缆,石墨烯电线电缆产品具有更加优异的性能,目前技术已在铜、铝电缆,煤改电散热,电缆抗冰凌、抗污等方面有了多项应用,但产业化成本较高,未来相关产业产品短期内主要用于示范应用及特殊电器电缆,长期则以技术优化等方式来降低生产成本,推进产品规模化应用。

小结

石墨烯复合材料具有优异的导电性和力学性能,是发展高端电线电缆的绝佳材料。资本纷纷进入石墨烯电缆领域,产业整体处于研发阶段,但人才匮乏、标准缺失,实现技术的产业化还需时日,未来产业继续以电缆抗拉、减损方向为主,降低成本推进产业化。


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