南方電網(wǎng)保山供電局 段新杏 施宏寶 蔣正虎 李延龍 宮 賀 費(fèi) 亮 朱 江

電鍍銅的歷史可以追溯到1840年、兩項(xiàng)專利；1843年硫酸銅被用于工業(yè)生產(chǎn)。但這些只是裝飾和保護(hù)表面的基板。它們在石墨/銅復(fù)合材料制備中的實(shí)際應(yīng)用還是近幾年的事。已知的硫酸鹽鍍銅工藝具有組成簡單、溶液穩(wěn)定、操作無刺激性氣體溢出、電流效率高、沉積速度快、廢水處理簡單等優(yōu)點(diǎn)。在該方法制備的石墨/銅復(fù)合材料中銅與石墨均勻分散，形成良好的連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

石墨/銅復(fù)合材料因其良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、潤滑性和較高的力學(xué)性能而得到廣泛的應(yīng)用，化學(xué)鍍銅和粉末冶金是制備復(fù)合材料的傳統(tǒng)方法，但由于銅與石墨的潤濕性較差，石墨/銅復(fù)合材料的界面只能通過機(jī)械聯(lián)鎖進(jìn)行連接，界面間的結(jié)合強(qiáng)度較低。當(dāng)材料加載時，往往會導(dǎo)致石墨的退縮、剝落或脫落。因此，要得到良好的石墨/銅復(fù)合材料，關(guān)鍵是要解決銅與石墨結(jié)合的問題，提高石墨與銅的潤濕性，在石墨粉上鍍銅是一種有效的方法。

化學(xué)鍍銅的主要原理是用銅離子在鍍銅液中作為銅源，用石墨粉進(jìn)行鍍銅。鍍銅技術(shù)相對成熟，但石墨預(yù)處理工藝復(fù)雜，廢液難處理，制備成本高。目前國內(nèi)外相關(guān)報道較多，但沒有實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用。粉末冶金是先將銅粉和石墨粉混合，然后再混合、壓制、燒結(jié)。雖然已在工業(yè)上應(yīng)用，但其缺點(diǎn)是銅與石墨混合不均勻，結(jié)合強(qiáng)度低。

1 柔性石墨復(fù)合接地材料結(jié)構(gòu)特性

1.1 柔性石墨復(fù)合接地材料的結(jié)構(gòu)與成分

本文研制的柔性石墨復(fù)合接地材料由高純膨脹石墨、有機(jī)或無機(jī)纖維、膠粘劑等原料組成。柔性石墨復(fù)合接地材料以增強(qiáng)纖維為骨架，以高純膨脹石墨為主體，以膠粘劑為涂層，再進(jìn)行壓制。最后通過多次編織得到了高密度、高導(dǎo)電性的柔性石墨復(fù)合接地材料。將柔性石墨復(fù)合接地體的圖像與人體結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比：增強(qiáng)纖維形成人體骨架，起到支撐接地體的作用，提高接地體的力學(xué)性能；膨脹石墨形成人體肌肉組織，是整個復(fù)合接地體的主要結(jié)構(gòu)，起主要導(dǎo)電作用；粘接劑起到“血液”的作用，將纖維與膨脹石墨連接起來，加強(qiáng)兩者之間的連接，提高纖維的密度和機(jī)械結(jié)構(gòu)性能。

本文在對石墨復(fù)合接地材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，參考了Litz線（德文Litzendraht，意為“編織成型的線”）的結(jié)構(gòu)原理。Liz線由多個導(dǎo)體組成，使得Liz線的電磁場分布更加均勻，使得各導(dǎo)體上的電流分布更加均勻。由于這種特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，當(dāng)高頻電流流過時集膚效應(yīng)的頻率可以從幾kHz增加到幾MHz。石墨復(fù)合接地材料的內(nèi)層采用多條石墨線均勻排列成直線，外層由石墨線編織而成。一方面固定成形起到了一定的作用，另一方面進(jìn)一步使石墨絲的電流分布更加均勻（圖1）。通過這種結(jié)構(gòu)設(shè)計可有效地降低接地材料的集膚效應(yīng)和電感效應(yīng)，降低高頻雷擊電流或短路故障電流，提高導(dǎo)電材料的利用率。

1.2 石墨復(fù)合接地材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高頻電流作用下接地體的集膚效應(yīng)明顯，導(dǎo)體芯的耗散效應(yīng)不明顯。為進(jìn)一步降低接地體的集膚效應(yīng)，提高接地材料的利用率，提出了一種膨脹石墨復(fù)合接地材料。從圖2可看出，膨脹石墨復(fù)合接地材料采用三層結(jié)構(gòu)：最外層為石墨絲，第二外層石墨絲沿直線呈環(huán)狀排列，內(nèi)芯填充材料為柔性可彎曲的絕緣材料。

除固體石墨復(fù)合接地材料的特性外，層狀膨脹石墨復(fù)合接地材料還具有以下技術(shù)特性：與固體石墨復(fù)合接地體相比，石墨導(dǎo)電材料具有相同截面的膨脹石墨復(fù)合材料(石墨線基本執(zhí)行單位)是一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，可有效減少皮膚的效果，改善石墨導(dǎo)電材料的利用率；填芯材料使接地體直徑明顯增大，有效接地體與土壤的接觸面積增大，接地體與土壤的接觸面積增大，接觸電阻減小，然后接地電阻減??；以膨脹石墨復(fù)合接地材料內(nèi)芯填充的保溫材料一般具有一定的抗拉強(qiáng)度、柔性和可彎曲性。與固體石墨復(fù)合接地材料相比力學(xué)性能得到了改善；內(nèi)芯填充材料是一種低成本的絕緣材料，與金屬材料相比具有良好的耐腐蝕性，滿足接地材料的耐腐蝕性要求。

2 銅離子接地極及鋅鎂合金銅接地棒

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋅鎂合金銅離子接地極及接地棒結(jié)構(gòu)示意見圖3，其中a為離子接地極，b為接地棒。

2.2 鋅鎂合金鋼離子接地極及接地棒性能

防腐性能。鋅鎂合金銅采用高效熱鑄工藝生產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)合金層與銅層的冶金復(fù)合，實(shí)現(xiàn)原子間的相互滲透。外層由98%的鋅和2%的鎂合金制成。在外環(huán)境腐蝕下，鋅在鎂的參與下形成了ZnCl2·4Zn（OH）2和Zn4Co3（OH）6的致密涂層，阻礙了外電解質(zhì)溶液的進(jìn)一步接觸和滲透。同時由于鎂的加入，鋅基合金的腐蝕電位前移，腐蝕電流明顯減小，在很大程度上延緩了鋅的腐蝕過程。同時，銅也為復(fù)合接地材料的超耐蝕性奠定了基礎(chǔ)。在電化學(xué)序列中，銅具有比氫更高的正電位（+0.35V），因此銅具有更高的熱力學(xué)穩(wěn)定性，不發(fā)生氫去極化。因此，在鋅合金和銅的雙重保護(hù)下，復(fù)合接地材料具有超強(qiáng)的耐腐蝕性，能夠滿足當(dāng)前各種接地安全設(shè)計的要求。

導(dǎo)電性能。由于高純無氧銅的介入，該接地復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性，其電阻遠(yuǎn)低于普通鍍鋅鋼。特別是復(fù)合接地材料中的銅層厚度遠(yuǎn)大于0.25mm。當(dāng)傳輸頻率大于1.67mHz時，其電導(dǎo)率完全等于實(shí)心銅線的電導(dǎo)率（此試驗(yàn)由波蘭伽爾瑪公司證實(shí)，并得到IEC認(rèn)證），因此該復(fù)合接地材料優(yōu)異的導(dǎo)電性能顯而易見。

高效的陰極保護(hù)性能。犧牲陽極是目前國際上控制腐蝕的有效方法之一。鋅鎂合金銅是一種優(yōu)良的防腐材料，在接地方案設(shè)計中采用鋅鎂作為接地設(shè)備的表面改性材料。因?yàn)殇\的標(biāo)準(zhǔn)電極電位返回(-0.7630V)低于鐵(-0.0360V)，與此同時標(biāo)準(zhǔn)的潛在減少鋅的金屬活動(-0.7630V)低于鐵(-0.0360V)，這表明鎂的活性低于鋅，也就是說相對于減少標(biāo)準(zhǔn)電極電位的鐵、鎂的標(biāo)準(zhǔn)還原電位較低，這更有利于提高金屬活性較弱的金屬的耐腐蝕性。在通信行業(yè)、電力系統(tǒng)、建筑系統(tǒng)、軍事設(shè)施、鐵路系統(tǒng)、廣播電視系統(tǒng)、設(shè)備地面、交直流工作地面、安全防護(hù)地面等領(lǐng)域，大量鐵制設(shè)備埋在地下，因此該接地產(chǎn)品以犧牲陽極鋅、鎂為代價，有效地保護(hù)了地電網(wǎng)，大大延長了地下設(shè)備的使用壽命。

3 石墨與石墨烯改性膠黏劑的性能

石墨烯（Graphene）具有很大的長徑比和比表面積（約2675m2/g）、高導(dǎo)電性（約10-6Ω·m）、獨(dú)特的平面結(jié)構(gòu)和較低的制造成本等優(yōu)勢。Ghaleb等人采用簡單的超聲方法分散納米石墨烯粉體（GNP）和MWCNT作為導(dǎo)電填料制備納米環(huán)氧復(fù)合材料。GNP降低了材料的拉伸強(qiáng)度，而MWCNT對材料的拉伸強(qiáng)度影響不大。超聲波時間過長會破壞GNP結(jié)構(gòu)，降低材料的機(jī)械強(qiáng)度，也會縮短導(dǎo)電路徑的距離。關(guān)于石墨烯的化學(xué)改性方法的報道很少，用Chen等C同位素?fù)诫s方法對石墨烯進(jìn)行改性，可以顯著提高單個石墨烯的熱導(dǎo)率。斯坦科維奇等采用苯基異氰酸酯還原氧化石墨制備氧化石墨烯，可顯著提高石墨烯-聚苯乙烯復(fù)合材料的導(dǎo)電性，降低其閾值。

同時，采用離子液體改性石墨烯氧化物還可以增強(qiáng)石墨烯氧化物與基體聚合物之間的界面連接，對提高材料的力學(xué)性能具有重要意義。當(dāng)添加0.19Wt%的導(dǎo)電填料時，導(dǎo)電率提高到1.02×10-3s/m，由于GNP的長徑比大于MWCNT，是一種具有較大比表面積的二維材料，容易在聚合物中形成分布均勻的網(wǎng)絡(luò)。由于銀與石墨烯的接觸面積大，用Ag-graphene代替agwcnt作為導(dǎo)電填料可以有效地減少接觸點(diǎn)的數(shù)量，降低填料的內(nèi)阻，提高導(dǎo)電膠的導(dǎo)電性。

以丙烯酸和環(huán)氧樹脂為主要原料，合成了性能優(yōu)良的聚合物基體。固化后抗沖擊性能提高，可在室溫下使用，加入鍍銀石墨填料后熱穩(wěn)定性更好。加入0.19Wt%導(dǎo)電填料后電導(dǎo)率提高到1.02×10-3S/m，由于GNP的長徑比大于MWCNT，是一種表面積較大的二維材料，在聚合物中均勻分布容易相互連接形成網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)銀含量≥60Wt%時，碳材料本身的導(dǎo)電性不如銀，阻礙了電荷的運(yùn)動；此外，銀含量超過閾值形成導(dǎo)電路徑網(wǎng)絡(luò)，但當(dāng)銀含量較低時，加入N-gnss可起到一定的作用，可使銀含量降低8Wt%～10Wt%。根據(jù)EP聚合物基體，提出了兩種填料的導(dǎo)電機(jī)理：隧道效應(yīng)和直接接觸。當(dāng)銀含量較低時，大部分銀彼此相距較遠(yuǎn)，很難形成互連網(wǎng)絡(luò)。一些導(dǎo)體依靠微弱的隧穿效應(yīng)通過極壓勢壘。當(dāng)添加二維N-gnss時，由于其比表面積和縱橫比較大，可以與銀連接形成導(dǎo)電通路，降低了N-gnss的固有電阻和ECAs電阻。

4 結(jié)語

材料的電磁參數(shù)對接地阻抗有影響。石墨復(fù)合地基材料的相對滲透率較低。高頻電流下的集膚效應(yīng)和電感效應(yīng)小于鋼，沖擊電阻小于鋼。進(jìn)一步優(yōu)化了接地材料的結(jié)構(gòu)，制備了膨脹石墨復(fù)合接地材料，降低了接地體的集膚效應(yīng)和電感效應(yīng)，提高了接地體導(dǎo)電材料的利用率。