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    2018年7月，由國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“武漢南瑞”）承擔(dān)的《環(huán)保型輕量化線路用的高強(qiáng)碳納米管/鋁合金及應(yīng)用》項(xiàng)目獲得國家電網(wǎng)公司科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，該新材料產(chǎn)品的應(yīng)用將有助于提升電網(wǎng)技術(shù)裝備水平。

    為強(qiáng)化電力新材料在電網(wǎng)建設(shè)中的基礎(chǔ)和先導(dǎo)作用，國家電網(wǎng)公司2015年正式命名“輸變電用碳納米管改性鋁合金及應(yīng)用技術(shù)科技攻關(guān)團(tuán)隊(duì)”。經(jīng)過持續(xù)的經(jīng)費(fèi)投入和技術(shù)攻關(guān)，該團(tuán)隊(duì)依托武漢南瑞的資源和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在納米改性鋁合金材料及其產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)方面取得突破，形成規(guī)模化生產(chǎn)能力：首次實(shí)現(xiàn)納米改性鋁合金產(chǎn)品在電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用，推出了納米碳合金金具產(chǎn)品。該項(xiàng)技術(shù)經(jīng)過中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)的技術(shù)鑒定，項(xiàng)目成果整體達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

    創(chuàng)“新材”才有競(jìng)爭(zhēng)力，武漢南瑞推出納米改性鋁合金產(chǎn)品！

    2017年12月，武漢南瑞納米碳合金團(tuán)隊(duì)骨干及其研發(fā)成果在武漢陽邏基地合影。何衛(wèi) 攝

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    “以鋁代鐵”——

    納米改性鋁合金順應(yīng)電網(wǎng)建設(shè)需求

    采用新材料、新工藝和新技術(shù)，探索提質(zhì)增效與綠色發(fā)展的道路，是電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展方向。武漢南瑞大膽引進(jìn)材料專業(yè)人才，組建陽邏新材料產(chǎn)業(yè)基地，形成湖北省電力新材料工程技術(shù)中心和國家電網(wǎng)公司電工新材料實(shí)驗(yàn)室雙重平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，蓄力電力新材料開發(fā)與創(chuàng)新應(yīng)用。

    鐵和鋁是電網(wǎng)中除銅之外，使用量最大的兩類金屬。與鐵材料相比，鋁材料比重輕，僅為鋼鐵材料的三分之一；耐腐蝕，其表面形成一層薄的鈍化膜阻止材料進(jìn)一步氧化；弱磁性，降低了交變磁場(chǎng)下材料內(nèi)部磁籌反復(fù)變化所帶來的能量損耗。

    因此，在一些節(jié)能或輕量化的應(yīng)用場(chǎng)合（如輸電線路），具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)，但傳統(tǒng)工藝通過合金化手段提升鋁材強(qiáng)度，大量合金元素的加入會(huì)導(dǎo)致綜合性能下降，機(jī)械性能普遍較低，無法滿足高強(qiáng)度應(yīng)用場(chǎng)合（如金具）。為了發(fā)展高性能鋁合金，促進(jìn)其對(duì)鋼鐵材料的替代，團(tuán)隊(duì)決定將目標(biāo)定位于碳納米管改性鋁合金。

    碳納米管

    是一種由石墨片卷繞而成的一維管狀材料，直徑僅有納米級(jí)別，在其微小的“身體”里蘊(yùn)藏的可是大能量，將這些“小東西”融入電網(wǎng)常用的鋁合金材料中，如同混凝土中的鋼筋一般，使鋁合金的強(qiáng)度顯著提升，可在電力及相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮大作用。正可謂是小身材、大作用。但是，納米材料的一大應(yīng)用弊端是容易發(fā)生團(tuán)聚，如何實(shí)現(xiàn)碳納米管在鋁基體中彌散分布是鋁合金材料成功開發(fā)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)主要采用粉末冶金工藝，通過機(jī)械球磨的方式將納米相和金屬粉末進(jìn)行固—固混合，之后燒結(jié)成型，但這種方法無法實(shí)現(xiàn)大尺寸，且材料的塑性較差。

    為解決這一問題，武漢南瑞科技攻關(guān)團(tuán)隊(duì)開展了大量研究工作。歷經(jīng)4年的時(shí)間，數(shù)百次的試驗(yàn)，通過不斷優(yōu)化成分配方、調(diào)整工藝參數(shù)，提出了碳納米管改性鋁合金熔煉制備工藝，攻克了碳納米管的分散、碳管表面包覆、碳管與鋁液的浸潤、碳管在熔融合金中的懸浮等技術(shù)難題。鍥而不舍，金石可鏤。正是團(tuán)隊(duì)成員們堅(jiān)持不懈的努力，及面對(duì)挫折與失敗時(shí)的恒心和毅力，才獲得了電工新材料、新工藝的技術(shù)突破，為實(shí)現(xiàn)碳納米管改性鋁合金的批量生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

    “碳納米管改性鋁合金實(shí)現(xiàn)單產(chǎn)30噸”，武漢南瑞已成功將碳納米管改性鋁合金技術(shù)用于工業(yè)生產(chǎn)，這其中經(jīng)歷了配方設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究到中試放大的工藝過渡等方方面面。通紅的熔煉爐中翻騰著鋁液，“成分檢驗(yàn)合格，可以澆鑄”，流槽中的鋁液緩慢流入了結(jié)晶器中，澆鑄好的碳納米管改性鋁合金坯錠等待下一步的成品加工。

    創(chuàng)“新材”才有競(jìng)爭(zhēng)力，武漢南瑞推出納米改性鋁合金產(chǎn)品！

    創(chuàng)“新材”才有競(jìng)爭(zhēng)力，武漢南瑞推出納米改性鋁合金產(chǎn)品！

    2018年7月，武漢南瑞技術(shù)人員夏兆輝正在操作真空熔煉爐，進(jìn)行納米碳合金材料的熔煉。 

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    “落地應(yīng)用”——

    新型鋁合金助力高性能電工裝備制造

    多年來的研發(fā)投入終于結(jié)出了果實(shí)，武漢南瑞率先推出了基于納米改性技術(shù)的第一代產(chǎn)品——納米碳合金金具，并通過了國家電網(wǎng)公司新技術(shù)新產(chǎn)品成果評(píng)估。

    創(chuàng)“新材”才有競(jìng)爭(zhēng)力，武漢南瑞推出納米改性鋁合金產(chǎn)品！

    線路節(jié)能環(huán)?；请娋W(wǎng)建設(shè)響應(yīng)低碳經(jīng)濟(jì)、美麗中國的一大舉措，其不僅涵蓋了運(yùn)行線路的環(huán)保設(shè)計(jì)和長效節(jié)能，也體現(xiàn)在電力裝備的環(huán)保制造和新技術(shù)應(yīng)用水平等方面。

    “我們按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)納米碳合金金具進(jìn)行了能耗測(cè)試，以NW-07115型納米碳合金碗頭掛板為例，在經(jīng)濟(jì)電流240安培下能耗降低3瓦左右，相當(dāng)于線路上日夜亮著的無數(shù)個(gè)3瓦燈泡，被熄滅了。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人在介紹納米碳合金金具的節(jié)能優(yōu)勢(shì)時(shí)形象地說道。

    根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，納米碳合金碗頭掛板在與耐張線夾配合使用時(shí)，相對(duì)鑄鐵金具該單元能耗降低了22%~24%。通過統(tǒng)計(jì)歷年來配網(wǎng)用鑄鐵金具的招標(biāo)數(shù)據(jù)（僅含協(xié)議庫存），配網(wǎng)金具的年需求量超過4億元，若采用節(jié)能型納米碳合金金具替代，以經(jīng)濟(jì)電流密度185安培計(jì)算，每年節(jié)約電能超過16萬兆瓦時(shí)。

    此外，綠色環(huán)保、輕量、美觀也是該系列金具的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。隨著國家環(huán)保政策的加強(qiáng)，鑄造行業(yè)的準(zhǔn)入條件不斷提高，原先小型的、低產(chǎn)能的鑄鐵廠被迫關(guān)停，導(dǎo)致鑄鐵原材料的價(jià)格上漲。同時(shí)，熱鍍鋅工藝對(duì)環(huán)境污染巨大，簡(jiǎn)陋的鍍鋅工藝廠房和肆意排放的污水，對(duì)操作工人和自然環(huán)境造成極大的危害。相比之下，納米碳合金金具無須進(jìn)行熱鍍鋅處理，避免了對(duì)環(huán)境的污染，以實(shí)際效用踐行國家電網(wǎng)公司“建設(shè)綠色電網(wǎng)、奉獻(xiàn)清潔能源”的企業(yè)使命。且其本體重量僅為同規(guī)格鑄鐵金具的30%~50%，標(biāo)準(zhǔn)破壞載荷提高30%以上，可為線路運(yùn)行提供更穩(wěn)定、長效的安全保障。

    未來，武漢南瑞將始終堅(jiān)持創(chuàng)“新材”才有競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)展理念，深入開展新材料產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)，深耕碳納米管改性鋁合金材料產(chǎn)品多元化應(yīng)用市場(chǎng)，為國家建設(shè)綠色、環(huán)保、節(jié)能、高效的清潔能源電網(wǎng)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

    作者：何衛(wèi) 張露心