架空電力線路用導(dǎo)體材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向

摘要：

降低架空輸電線路的損耗，導(dǎo)體材料是關(guān)鍵之一。綜合介紹為滿足架空輸電線路目前和將來的需要，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)和正在進(jìn)行的研究開發(fā)工作，以資探討。

關(guān)鍵詞：

架空導(dǎo)線; 導(dǎo)體材料; 研究現(xiàn)狀; 發(fā)展方向

中圖分類號(hào)： TD 952 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Current Research and Further Development of Conductor

Material for Overhead Transmission Line

HUANG Chongqi

（Shanghai Electric Cable Research Institute， Shanghai 200093， China）

Abstract：

One of the key points for conductor material is reducing the electrical loss of overhead transmission line.In this paper，domestic and foreign，complete and ongoing research works on meeting the current and future needs of overhead transmission line are general introduced for discussion.

Keywords：

overhead transmission line; conductor material; research status; developing direction

架空導(dǎo)線是架空輸電線路中重要的電工產(chǎn)品。從歷史發(fā)展來看，架空導(dǎo)線的發(fā)展已經(jīng)歷了6代[1]。

第1～3代：銅、鋁、鋼鋁絞線，均已發(fā)展成熟。

第4代：鋁鎂硅合金絞線，自1927年在瑞士開發(fā)以來，尚在應(yīng)用中發(fā)展。

第5代：鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線（HTLS），1974年在美國(guó)和日本開發(fā)，尚在應(yīng)用中發(fā)展。

第6代：低損耗導(dǎo)線（ACCA），2010年在波蘭開發(fā)，正在創(chuàng)新發(fā)展之中。

第5代架空導(dǎo)線的出現(xiàn)，是為了增加載流量，從而出現(xiàn)了耐熱性較高的Al-Zr合金。近些年來，為了降低架空線路的輸電損耗，使輸電線路損耗最小化，需要開發(fā)低損耗導(dǎo)線。輸電線路引起的能耗是由于Joule-Lenz熱和電磁場(chǎng)，其能耗高達(dá)10%。對(duì)低損耗導(dǎo)線的設(shè)想是消除不導(dǎo)電的有磁性的鋼芯，可能的選擇是用高強(qiáng)度和高導(dǎo)電的Ag-Cu合金線做芯材來代替低熱膨脹系數(shù)的芯材。Ag-Cu合金在固態(tài)下，隨著溫度變化，Cu和Ag具有有限的互溶性，從而可借助合適的化學(xué)成分，采用過飽和型的熱處理——時(shí)效和拉制，在銅基體中獲得具有Ag的納米纖維銅線，這種銅線具有淬火鋼的強(qiáng)度和與Cu相近的導(dǎo)電率，傳輸損耗可減少40%。

石墨烯的試驗(yàn)性生產(chǎn)，也有機(jī)會(huì)獲得新的導(dǎo)電材料，其導(dǎo)電率或許能超過100%IACS。目前，在這個(gè)研究領(lǐng)域，已有越來越多的實(shí)驗(yàn)室正在開展研究工作，從事不同形式的Cu/Al與石墨烯（或碳的其他同素異形體）的合成，亦可能具有超標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)電率。

當(dāng)前，中國(guó)是架空導(dǎo)線全世界用量最多的國(guó)家[2]，就生產(chǎn)的架空導(dǎo)線的品種[3-4]及生產(chǎn)裝備而言，應(yīng)有盡有，能滿足（包括特高壓和超高壓）各電壓等級(jí)輸電線路的需要。但科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是永遠(yuǎn)在路上的，架空導(dǎo)線材料（包括導(dǎo)電材料和機(jī)械加強(qiáng)材料）的發(fā)展，其理想的目標(biāo)是要向“高導(dǎo)、高強(qiáng)和輕量”的三化方向發(fā)展，使線路設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果更優(yōu)，線路運(yùn)行節(jié)能效果更好。

中國(guó)自主創(chuàng)新開發(fā)的獨(dú)樹一幟的“稀土優(yōu)化綜合處理技術(shù)”[5-6]，在電工鋁合金中的應(yīng)用的理論基礎(chǔ)和提高導(dǎo)電率的機(jī)理是，凈化晶格中對(duì)導(dǎo)電率有明顯影響的有害雜質(zhì)元素Si。事至今日，這種技術(shù)對(duì)提高導(dǎo)體導(dǎo)電率似乎已到了盡頭，而且高導(dǎo)電率與高抗拉強(qiáng)度這對(duì)矛盾也已明顯地暴露出來，兩者不可兼得。如果想有實(shí)質(zhì)性的開創(chuàng)性突破，那就必須另創(chuàng)新法。

為了架空導(dǎo)線材料，特別是導(dǎo)體材料的再發(fā)展，國(guó)內(nèi)外有哪些新的動(dòng)向，是本文需要討論的主要內(nèi)容，以資有關(guān)科技人員和企業(yè)家共同研討。

1 Al-Mg-Si合金線的開發(fā)

改進(jìn)Al-Mg-Si合金制造工藝，采用低溫時(shí)效工藝開發(fā)高導(dǎo)電（HC）、超高導(dǎo)電（EHC）和超超高導(dǎo)電（EEHC）三種型號(hào)的Al-Mg-Si合金線，充分利用合金線的抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率，便于用戶有較多或更多的選擇余地。

目前，Al-Mg-Si合金線的生產(chǎn)主要采用連鑄連軋生產(chǎn)線，但我國(guó)同類老舊的生產(chǎn)線，難于穩(wěn)定生產(chǎn)出符合技術(shù)要求的Al-Mg-Si合金線。不同Al-Mg-Si合金線的生產(chǎn)工藝如圖1所示。這種合金在正確執(zhí)行工藝技術(shù)時(shí)，在澆鑄輪上處于過飽和狀態(tài)，而后鑄條經(jīng)加熱升溫在直線式機(jī)架上進(jìn)行連軋，那時(shí)，動(dòng)態(tài)時(shí)效就發(fā)生了，其獲得的產(chǎn)品的質(zhì)量取決于澆鑄和軋制的工藝過程以及變形速度的熱動(dòng)態(tài)條件。這樣會(huì)形成偽一、二元Al-Mg2Si狀態(tài)（圖2）和可能的相轉(zhuǎn)變，這種相轉(zhuǎn)變從過飽和的固溶體中開始，直到如圖3所示的平衡相為止。

圖1 不同Al-Mg-Si合金線的生產(chǎn)工藝流程

Fig.1 Production process for different Al-Mg-Si alloy wires

圖2 偽二元Al-Mg2Si狀態(tài)圖

Fig.2 State diagram of pseudo binary Al-Mg2Si

圖4（a）示出在連鑄連軋鑄輪上取得的ENAW 6101合金鑄條的顯微組織。圖4（b）和（c）示出了由這種鑄條制造的桿的顯微組織，從鑄條和桿上都可以看到AlFeSi析出相（明亮處）和最初的AlMgSi析出相（位于AlFeSi析出相旁邊，呈黑色），并且不均勻的析出相在不同的組織缺陷上都可看到，見圖4（c）。

圖3 6×××系鋁合金中的析出順序圖

Fig.3 Precipitation sequence diagram of 6××× Al alloys

圖5（a）和（b）示出了ENAW 6101鋁合金從鑄條到在連鑄連軋各機(jī)架上軋件發(fā)生力學(xué)和電氣性能的變化。為了比較起見，圖5（c）和（d）示出了ENAW 1370鋁合金從鑄條到在連鑄連軋各機(jī)架上軋件發(fā)生力學(xué)和電氣性能的變化，對(duì)應(yīng)圖5（a）和（b），它們具有類似的關(guān)系。值得注意的是，熱變形不會(huì)使ENAW 6101和ENAW 1370鋁合金發(fā)生再結(jié)晶，但沿著連軋生產(chǎn)線，材料的力學(xué)性能提高，導(dǎo)電率下降。這是帶有高堆垛層錯(cuò)（層積缺陷）能的材料所具有的一個(gè)典型特征。具有高堆垛層錯(cuò)能的材料，組織會(huì)發(fā)生快速回復(fù)，而對(duì)再結(jié)晶而言，位錯(cuò)能不足。

圖4 從連鑄連軋的鑄輪上取得的ENAW 6101鋁合金鑄條和桿的顯微組織

Fig.4 Microstructures of cast bar and rod of ENAW 6101 Al alloy obtained from casting

wheel prepared by continuous casting and rolling

圖5 在連鑄連軋生產(chǎn)線上ENAW 6101和ENAW1370鋁合金的電阻率和硬度的變化

Fig.5 Change in resistivity and hardness of ENAW 6101 and ENAW1370 Al alloys in continuous casting and rolling production line

連鑄連軋生產(chǎn)線生產(chǎn)的桿通過熱處理而獲得不同狀態(tài)的桿，不同狀態(tài)的桿經(jīng)過拉線可獲得滿足抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率要求的線材（見表1）。

在德國(guó)DIN EN 50183—2002和歐洲EN 5018—2000中，早已規(guī)定了AL2～AL8等7個(gè)型號(hào)的Al-Mg-Si合金線，其熱處理的成品線性能如表1和圖6所示。美國(guó)ASTM B398中Al-Mg-Si合金線的型號(hào)見表2。

表1 熱處理成品線的性能

Tab.1 Properties of the finished wire after heat treatment

圖6 德國(guó)DINEN 50183—2002標(biāo)準(zhǔn)中Al-Mg-Si 合金線強(qiáng)度和電性能之間的關(guān)系

Fig.6 Relationship between strength and electrical properties of Al-Mg-Si alloy wire in German DINEN 50183-2002 standard

表2 架空導(dǎo)線用美國(guó)ASTM B398標(biāo)準(zhǔn)中 Al-Mg-Si合金線的性能

Tab.2 Properties of Al-Mg-Si alloy wire in American

ASTM B398 standard for overhead conductors

由于改變了Al-Mg-Si合金線的制造工藝和分級(jí)，增加了線的型號(hào)（高導(dǎo)電、超高導(dǎo)電和超超高導(dǎo)電），線的導(dǎo)電率可從52.5%IACS升高到57.5%IACS，這是極大的進(jìn)步，而抗拉強(qiáng)度稍有降低，使用戶有了較多或更多的選擇余地。從制造角度看，由于需要控制桿

的狀態(tài)和拉后的低溫時(shí)效工藝，所以工業(yè)爐領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和提供裝備也功不可沒。

2 耐熱鋁合金線的耐熱性

耐熱鋁合金線的耐熱性隨含Zr量的增加而提高，但生產(chǎn)難度增加（特別是合金的澆鑄和熱處理），從而技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果也下降。因此，標(biāo)準(zhǔn)化的型號(hào)（IEC62004，4個(gè);ASTM B941-05，1個(gè)）是多好還是少好，是值得在修訂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)深入研究的。

隨著架空輸電線路載流量的明顯增加，耐高溫的Al-Zr合金線出現(xiàn)了。假定在導(dǎo)線的生命周期內(nèi)導(dǎo)線的性能退化≤10%，這似乎是可以接受的。但將Zr、鈧（Sc）、釤（Sm）等元素加入Al中，則會(huì)增加導(dǎo)體的高溫電阻，這從降低架空線路的能耗而言，似乎又是矛盾的。

Al-Zr合金線中由于高熔點(diǎn)Al3Zr析出相的存在，而具有較高的耐熱性。Al-Zr合金相圖如圖7所示，在Al的一角，當(dāng)Zr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.11%～0.28%的Al-Zr合金結(jié)晶時(shí)，由于含0.11%Zr的液體金屬與Al3Zr析出相反應(yīng)具有包晶轉(zhuǎn)變的特征，形成了固溶相α。這樣可建立起一個(gè)過飽和型—熱處理—時(shí)效機(jī)制，以分散Al3Zr析出相到晶粒邊界上去，并阻礙它們的熱遷移。其一，從生產(chǎn)技術(shù)上看，由于不均勻的液體L+Al3Zr析出相的存在，合金的澆鑄是非常困難的;

其二，如需工藝不當(dāng)，析出物成塊，不彌散，當(dāng)要求合

金有更高的耐熱溫度時(shí)，則必須提高合金中的Zr含

量，此時(shí)，析出物成塊和不彌散的情況將更加嚴(yán)重;其三，如時(shí)效時(shí)間長(zhǎng)，尚可力爭(zhēng)性能達(dá)到指標(biāo)的要求，但整個(gè)生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果就難以提高，除非用戶特殊需要，可高價(jià)出售。

圖7 Al-Zr合金相圖（Al的一角）

Fig.7 Phase diagram of aluminum-zirconium alloy（on the side of Al）

IEC 62004標(biāo)準(zhǔn)中有AT1～AT4 4個(gè)型號(hào)的合金線，據(jù)合金分類，歸屬8000系鋁合金，允許運(yùn)行溫度為150～230 ℃。美國(guó)ASTM B941-05標(biāo)準(zhǔn)中只有1個(gè)型號(hào)的Al-Zr合金線，其允許運(yùn)行溫度為210 ℃，見表3。

表3 在鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線結(jié)構(gòu)中使用的Al-Zr合金線的性能

Tab.3 Properties of Al-Zr alloy wires used in steel-core heat resistant aluminum alloy conductor

圖8示出了ENAW 1370鋁合金和0.22Zr-Zr（含Zr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.22%）合金線典型的Arrhenius圖，橫坐標(biāo)T為熱力學(xué)溫度。圖8中的桿均由連鑄連軋工藝制造，這種桿已經(jīng)受到了預(yù)熱處理。圖8選取了鋁合金線抗拉強(qiáng)度降低5%，10%和15%的數(shù)值進(jìn)行了曲線的繪制。通過分析和引用表4和表5中的數(shù)據(jù)，可以看出：鋁合金線抗拉強(qiáng)度降低10%時(shí)，在30 a后連續(xù)暴露在空氣中的溫度僅為79 ℃，而Al-0.22Zr合金，在30 a后達(dá)到抗拉強(qiáng)度下降同樣的數(shù)值，其連續(xù)暴露在空氣中的溫度為164 ℃。

綜上所述，對(duì)耐熱鋁合金線的長(zhǎng)期使用溫度要求越高，則Zr的加入量就要求越高，高溫電阻也會(huì)越高。從降低線路能耗的角度看，沒有好處，只是特殊需

要。從導(dǎo)線的生產(chǎn)角度看，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果下降，如GB/T 30551—2014和IEC 62004—2007中的型號(hào)NRLH4和AT4就是這樣。表5中，Al-0.22Zr合金和H23鋁合金桿制造的鋁合金線的長(zhǎng)期耐熱性能顯示，在允許連續(xù)運(yùn)行40 a和按允許強(qiáng)度下降10%的條件下，長(zhǎng)期耐熱性的允許運(yùn)行溫度只有162 ℃，達(dá)不到現(xiàn)行國(guó)標(biāo)和IEC標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的型號(hào)為NRLH3/IEC AT3鋁合金線的要求（210 ℃），從而只能在含Zr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.22%的基礎(chǔ)上再提高。從目前中國(guó)電纜工業(yè)的訂貨狀況看，可歸納為3類導(dǎo)線：（1） 既要耐熱（150 ℃），又強(qiáng)調(diào)高強(qiáng)度，但導(dǎo)電率可稍低（55%IACS），如大跨越導(dǎo)線，電站內(nèi)部用導(dǎo)線等;（2） 既要耐熱（150 ℃），又要高導(dǎo)電率（60 %IACS），如增容導(dǎo)線等;（3） 強(qiáng)調(diào)高耐熱（210 和230 ℃），又要較高的導(dǎo)電率（58和60 %IACS），強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率要求幾乎一樣，如特殊需要的導(dǎo)線。由此，建議在今后修訂GB/ 30551—2014和IEC 62004—2007標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刪除型號(hào)NRLH4和AT4。

表4 ENAW 1370鋁合金線耐熱性的結(jié)果

Tab.4 Heat resistance of ENAW 1370 alloy wire

表5 Al-0.22Zr合金和H23鋁合金桿制造的 鋁合金線的長(zhǎng)期耐熱性

Tab.5 Long-term heat resistance of aluminum alloy

wires made of Al-0.22Zr alloy and H23 Al alloy rod

圖8 由ENAW 1370和Al-0.22Zr鋁合金桿制造的線的Arrhenius圖的強(qiáng)度等同線

Fig.8 Strength equivalent line in Arrhenius chart of the wires made of ENAW 1370 and Al-0.22Zr aluminum alloy rods

3 Cu-Ag合金導(dǎo)線

上述的導(dǎo)體材料都是對(duì)鋁基材料而言的，所以它們的強(qiáng)度特別是電氣性能都具有鋁的特征。但近年來，希望新一代的架空導(dǎo)線兼有鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線和低損耗導(dǎo)線的性能，從而人們的目光就轉(zhuǎn)向了銅基材料。在此，首感興趣的材料之一可能是Cu-Ag合金。從Cu-Ag合金相圖（圖9）可以看出，Cu和Ag在固態(tài)下，具有有限互溶特

征。從使用的角度出發(fā)，有可能創(chuàng)造一種新工藝—通過結(jié)合強(qiáng)變形，在不同的溫度下對(duì)材料進(jìn)行反復(fù)的時(shí)效處理獲得優(yōu)秀的性能。此種工藝技術(shù)允許在β相（Cu在Ag中固溶）中形成α相（Ag在Cu中固溶）的納米纖維組織，在α相中形成β相的納米纖維組織。強(qiáng)烈的冷變形加工—拉線，可使α相和β相成為橫向納米尺寸的纖維。由此，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)可獲得非常高的強(qiáng)度，而且可維持與純銅相近的導(dǎo)電率。

圖9 Cu-Ag合金相圖和在強(qiáng)烈冷變形后鑄件和線的微觀組織

Fig.9 Cu-Ag alloy phase diagram and the microstructures of castings and wires after large-force cold deformation

圖10示出了Cu-5Ag和Cu-15Ag合金線的高強(qiáng)度和高導(dǎo)電率的區(qū)域。可以填補(bǔ)導(dǎo)體材料有關(guān)“高抗拉強(qiáng)度—高導(dǎo)電率關(guān)系”的空缺（見圖10右上角的區(qū)域）。圖11示出了Cu-5Ag合金抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率的關(guān)系，為用于制造架空導(dǎo)線的芯線以代替鋼芯的舉例，這樣的組合允許輸電損耗減少，甚至可減少40%（這取決于線路的載流量）。圖12（a）示出了Cu-12Ag合金線原位復(fù)合強(qiáng)化組織縱向TEM圖，圖12（b）示出了Cu-12Ag合金線原位復(fù)合組織橫截面SEM圖，可以看出Cu-12Ag合金線中Cu已被腐蝕掉呈黑色，暴露的為Ag，呈明亮色。圖13示出了用于制造架空導(dǎo)線的線芯以代替鋼芯的舉例——新一代低損耗混合式導(dǎo)線使用Cu-Ag合金作為芯線，既能承載重負(fù)荷，又有高導(dǎo)電率的效果。

圖10 Cu-5Ag和Cu-15Ag合金線的高強(qiáng)度和高導(dǎo)電率的關(guān)系

Fig.10 Relationship between high strength and high conductivity of Cu-5Ag and Cu-15Ag alloy wires

Cu-Ag合金在電工材料中的應(yīng)用已有很長(zhǎng)的歷史。現(xiàn)在在新的理論指引下，又在高性能電子材料中研發(fā)，其原因是這種合金具有強(qiáng)度、導(dǎo)電率和耐熱性皆優(yōu)的特點(diǎn)。當(dāng)前，為了實(shí)現(xiàn)降低架空輸電線路的輸電損耗，架空導(dǎo)線及其材料是關(guān)鍵之一。在架空導(dǎo)線上應(yīng)用Cu-Ag合金以代替鋼材是一個(gè)新想法和新嘗試，值得關(guān)注，見圖13。Cu-Ag合金的新應(yīng)用，我國(guó)在科技部材料專項(xiàng)的支持下，研究和

產(chǎn)業(yè)化工作也已經(jīng)起步，正在進(jìn)行中。

圖13中，低損耗導(dǎo)線（ACCA）使用承力和導(dǎo)電為一體的Cu-5Ag芯線，Cu-5Ag合金具有高強(qiáng)度和高導(dǎo)電率（抗拉強(qiáng)度>1 000 MPa，導(dǎo)電率>75 %IACS），導(dǎo)線的外層使用軟鋁線。這種新方案的特點(diǎn)和主要性能：鋼芯換為高強(qiáng)高導(dǎo)的Ag-Cu合金;Cu-Ag合金線涂（包）上特殊的耐腐蝕層;硬鋁線用軟鋁線代替;在用型線

的情況下，導(dǎo)線內(nèi)部自由空間可極大地減小;在有效增加載流量的情況下（可達(dá)12%），工作溫度可達(dá)150 ℃;與另外的高溫導(dǎo)線方案相比，能量傳輸損耗可最小化（最大可達(dá)40%）。

圖11 Cu-5Ag合金抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率的關(guān)系

Fig.11 Relationship between tensile strength and conductivity of Cu-5Ag alloy

圖12 Cu-12Ag合金線原位復(fù)合強(qiáng)化組織

Fig.12 In-situ composite strengthened structure of Cu-12Ag alloy wire

圖13 新一代低損耗混合式導(dǎo)線使用Cu-Ag 合金線作為芯線既能承載重負(fù)荷，

又有高導(dǎo)電率的效果舉例

Fig.13 Illustration for large-load carrying and high

conductivity obtained in new generation low-loss

mixed conducting wire using Cu-Ag alloy wire as core

4 高耐腐蝕架空導(dǎo)線

高耐腐蝕架空導(dǎo)線已在日本的輸電線路上試運(yùn)行，力圖提高線路的安全可靠性和延長(zhǎng)導(dǎo)線的使用壽命[7]。

日本是海島國(guó)家，40年前建設(shè)輸電線路用的鋁包鋼芯鋁絞線由于遭受鹽霧腐蝕情況 的逐年擴(kuò)展，致使近年來由導(dǎo)線腐蝕引起的線路故障時(shí)有發(fā)生。對(duì)照我國(guó)的實(shí)情，也有類似之處，值得關(guān)注并研究對(duì)策。

住友電氣與關(guān)西電力公司合作，自2012年以來，研究開發(fā)和正在試用由Al-Mn（0.5%Mn，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）合金包鋼線作為加強(qiáng)芯材和鋁線作為導(dǎo)電材料的新穎導(dǎo)線，該種導(dǎo)線與鋁包鋼芯鋁絞線相比，其耐腐蝕壽命可提高1.6～2.0倍。

開發(fā)新穎導(dǎo)線的研究團(tuán)隊(duì)正繼續(xù)致力于開發(fā)和擴(kuò)大此種導(dǎo)線在耐熱鋁合金導(dǎo)線、高強(qiáng)度鋁合金導(dǎo)線、架空地線和其他導(dǎo)線上的應(yīng)用。對(duì)Al-Mn合金包鋼線的開發(fā)，在技術(shù)上，從合金篩選到在大生產(chǎn)設(shè)備條件下制線、絞制導(dǎo)線、人工濕-干交替循環(huán)加速腐蝕試驗(yàn)和機(jī)電性能測(cè)試驗(yàn)證都認(rèn)為是成功的。

5 銅-碳，鋁-碳合成導(dǎo)線在架空線路上的應(yīng)用將具有重要的意義對(duì)石墨烯（Graphene）進(jìn)行有效的生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)，發(fā)現(xiàn)它的性能，特別是電氣性能將開創(chuàng)“沒有標(biāo)準(zhǔn)”的新材料的到來。表6示出了銅、碳納米管和石墨烯的物理性能。值得注意的是，碳納米管和石墨烯與銅相比具有導(dǎo)電率高、密度低和機(jī)械強(qiáng)度高的特征。近些年來，有關(guān)石墨烯/碳納米管與銅（或其他材料）合成的研究已經(jīng)活躍起來，其目的是為了改變它們的物理性能和改善可用性?，F(xiàn)在主要有3種合成的方法：（1） 石墨烯/碳納米管用電沉積的方法沉積在金屬材料上;（2） 使粉末金屬與石墨烯/碳納米管一起進(jìn)一步加工的粉末冶金法;（3） 石墨烯/碳納米管與液體金屬進(jìn)行非常規(guī)的冶金合成法。方法（1）和（2）都有一個(gè)嚴(yán)重的問題，都和碳與銅的濕潤(rùn)性（Wettability）有關(guān)。

表6 銅、碳納米管和石墨烯的性能

Tab.6 Properties of copper，carbon nanotube and grapheme

由于銅原子在（111）面上的排列與碳原子在石墨烯面上的排列具有高度幾何（形狀）相似性（見圖14）。所以，期待用冶金合成的方法來解決問題。此種冶金合成方法在理論上有可能獲得如圖14所示的結(jié)構(gòu)。由于此種結(jié)構(gòu)有一個(gè)合適的取向，利用石墨烯導(dǎo)電率的各向異性，能使電流向一個(gè)方向流動(dòng)，從而獲得具有非常高的導(dǎo)電率的銅-碳合成材料。從技術(shù)上著眼，當(dāng)采用連鑄石墨烯工藝時(shí)，需要使合金有一個(gè)非?？斓慕Y(jié)晶速度，便于碳原子進(jìn)入銅的晶格。

圖14 銅-石墨烯冶金合成概念圖

Fig.14 Concept map for metallurgical synthesis of copper and graphene

6 結(jié)束語

要求金屬導(dǎo)體材料及其架空線既要有高強(qiáng)度又要有高導(dǎo)電率是矛盾的，最多能做到兩者適當(dāng)?shù)钠胶?。?dāng)今為獲得新的導(dǎo)體材料，通常的趨向有三。

（1） 金屬材料高純化，按現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)，銅的純度可達(dá)質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.999 999%（8N銅），由此可獲得高導(dǎo)電率，但由于鑄造工藝參數(shù)對(duì)無氧銅性能造成的影響，也可能會(huì)影響視頻和音頻信號(hào)的衰減問題。至于高純線材強(qiáng)度的提高只能依靠大變形來實(shí)現(xiàn)。

（2） 金屬材料合金化，由圖15可以看出，應(yīng)變和析出強(qiáng)化（圖右上角）的效果最好。

圖15 強(qiáng)化機(jī)制與抗拉強(qiáng)度—導(dǎo)電率的關(guān)系

Fig.15 Relationship between property forming method and tensile strength- conductivity

（3） 開發(fā)新一代的導(dǎo)體材料，如應(yīng)用石墨烯、碳納米管和錫烯等。至少在理論上可超越銅的導(dǎo)電率的極限值。開發(fā)新的合成技術(shù)，對(duì)冶金和金屬導(dǎo)體加工工作者是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，不僅有新理論和新方法的問題，而且為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化亦要解決新工藝和新裝備等系列問題。為此，我們必須本著科學(xué)的精

神，實(shí)事求是，求真務(wù)實(shí)，力排起反作用的炒作行為。

架空電力線路用導(dǎo)體材料及其導(dǎo)線，現(xiàn)在和將來的發(fā)展—選材、加工和開發(fā)新的節(jié)能導(dǎo)線，必然與架空輸電線路的設(shè)計(jì)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果緊密相關(guān)，由此應(yīng)明確方向，現(xiàn)在能做的應(yīng)先做，將來能做的也應(yīng)早作安排，以打開新局面。

致 謝

本國(guó)內(nèi)外綜合性論述文在編寫中應(yīng)用了波蘭科技大學(xué)Tadeusz Knych教授（曾于2002，2004和2009年在國(guó)內(nèi)外獲得有聲譽(yù)的科技獎(jiǎng)項(xiàng)）論文中的有關(guān)觀點(diǎn)和圖表;上海電纜研究所姚大偉博士提供了Cu-Ag合金線原位復(fù)合強(qiáng)化組織的TEM和SEM的圖像;鄭秋工程師提供了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的資料，特此感謝。

參考文獻(xiàn)：

[1] TADEUSZ KNYCH.The development of conductive material technology for current and future needs of overhead power lines[J].Wire journal international. November，2015，48（11）：54-67.

[2] 黃崇祺.中國(guó)架空導(dǎo)線的成就和現(xiàn)狀[C]∥IEC/TC7和IEC/TC11架空導(dǎo)線及輸電線路國(guó)際技術(shù)研討會(huì).上海：[s.n.]，2014.

[3] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).復(fù)合材料芯架空導(dǎo)線：GB/T 32502—2016[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.

[4] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 架空導(dǎo)線用纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料芯棒：GB/T 29324—2012[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

[5] HUANG C Q.Aluminum conductors with RE trement[J].Wire industry，1993（11）：594-600.

[6] CHEN X Q，HUANG C Q.A study on the mechanism of conductivity improvement of aluminum by cerium[J].Wire Asia Seminar，1994：357-362.

[7] WATABE M，ITO H，NAGANO K，et al.High corrosion resistance conductor for overhead transmission lines[J].SEI Technical Review，2017，84：47-52.