一分钟丨看懂石墨烯是如何用在电缆中.docx

在石墨烯的众多应用中，电缆是重要的一部分。今年年初，常州中超石墨烯电力科技有限公司投建的“35KV及以下交联电缆用过氧化物交联型低电阻热稳定石墨烯复合半导电屏蔽料”项目在常州武进区西太湖科技产业园正式投产。3月24日，“石墨烯在输变电行业的应用”研讨会在常州举行。国内石墨烯与电缆的结合正热，那我们就来了解一下，石墨烯是如何用在电缆中的。电力电缆（powercable）是用于传输和分配电能的电缆，是在电力系统的主干线路中用以传输和分配大功率电能的电缆产品。常用于城市地下电网、发电站的引出线路、工矿企业的内部供电及过江、过海的水下输电线。一般电缆内部材料结构如下图所示：目前，内、外半导电屏蔽层使用的是添加导电炭黑的复合高分子材料(如聚乙烯等)。这种半导电屏蔽层可以改善电场分布。由于电缆导体由多股导线绞合而成，它与绝缘层之间易形成气隙，导体表面不光滑，会造成电场集中。我们知道等量同种电荷的电场如下图所示：那么，由多股导线绞合而成的中心的电缆导体，会形成不均匀电场，如下图所示：电缆处于不均匀电场中时，会感应出噪声电压，对电路形成干扰，增加电缆内部传输电量的损失，产生对外的电磁辐射污染。因此，使用半导电屏蔽材料，可以改善电量损失和电磁辐射污染，另一方面也可以有效地防止外部电磁环境对电缆内信号产生干扰，保证传输的质量。增加半导电屏蔽材料后的电缆电场示意图如下：中间黑的那圈代表石墨烯在导体表面加一层半导电材料的屏蔽层，它与被屏蔽的导体等电位，并与绝缘层良好接触，从而避免在导体与绝缘层之间发生局部放电。这一层屏蔽，又称为内屏蔽层。在绝缘层表面加一层半导电材料的屏蔽层，它与被屏蔽的绝缘层有良好接触，与金属护套等电位，从而避免在绝缘层与护套之间发生局部放电。这种半导电屏蔽无死角，材料生产速度快。目前使用的导电炭黑作为导电填料添加在高分子材料中，提高了材料的导电率。但是由于导电炭黑的导电率有限，需要大量添加，使得这种添加了大量炭黑的复合材料韧性降低，在制作成包覆在导体表面的半导电层后容易开裂，材料表面也不均匀。石墨烯具有导电性极强的优良特性，是能隙为零的半导体，电子的运动速度能达到光速的1/300，远超其他金属导体或半导体的运动速度。常温下其载流子迁移率最高，它的电阻率比铜(中国目前生产电线电缆导体用首选原材料)或银更低，为目前世界上电阻率最小的材料。正是因为石墨烯具有导电性优异等特点，故被应用于电缆导体中能够增加相同导体的导电量。添加了石墨烯在半导电材料后，大大降低炭黑的使用量，解决了材料本身韧性低和表明不平滑的问题。石墨烯复合高半导电导体屏蔽材料利用石墨烯良好的导电性、导热性和高的比表面积。采用石墨烯最佳添加比例、解决了石墨烯均匀分散的技术问题、研究了其导电机理、改善了原有电缆用半导电材料的加工成型技术难题。它大大降低了电缆内外半导电屏蔽层的体积电阻率，改善了屏蔽层的热稳定性，提高了屏蔽层对电场的均化效果，减少了电缆运行中可能出现的局部放电现象，并且提高了电缆的使用寿命。