2018年7月，由國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司（以下簡稱“武漢南瑞”）承擔的《環保型輕量化線路用的高強碳納米管/鋁合金及應用》項目獲得國家電網公司科技進步二等獎，該新材料產品的應用將有助於提升電網技術裝備水平。
爲強化電力新材料在電網建設中的基礎和先導作用，國家電網公司2015年正式命名“輸變電用碳納米管改性鋁合金及應用技術科技攻關團隊”。經過持續的經費投入和技術攻關，該團隊依託武漢南瑞的資源和技術優勢，在納米改性鋁合金材料及其產品研發與生產方面取得突破，形成規模化生產能力：首次實現納米改性鋁合金產品在電網領域的應用，推出了納米碳合金金具產品。該項技術經過中國電機工程學會的技術鑑定，項目成果整體達到國際領先水平。
創“新材”才有競爭力，武漢南瑞推出納米改性鋁合金產品！
2017年12月，武漢南瑞納米碳合金團隊骨幹及其研發成果在武漢陽邏基地合影。何衛 攝
1
“以鋁代鐵”——
納米改性鋁合金順應電網建設需求
採用新材料、新工藝和新技術，探索提質增效與綠色發展的道路，是電網建設的發展方向。武漢南瑞大膽引進材料專業人才，組建陽邏新材料產業基地，形成湖北省電力新材料工程技術中心和國家電網公司電工新材料實驗室雙重平臺優勢，蓄力電力新材料開發與創新應用。
鐵和鋁是電網中除銅之外，使用量最大的兩類金屬。與鐵材料相比，鋁材料比重輕，僅爲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一步氧化；弱磁性，降低了交變磁場下材料內部磁籌反復變化所帶來的能量損耗。
因此，在一些節能或輕量化的應用場合（如輸電線路），具有顯著的性能優勢，但傳統工藝通過合金化手段提升鋁材強度，大量合金元素的加入會導致綜合性能下降，機械性能普遍較低，無法滿足高強度應用場合（如金具）。爲了發展高性能鋁合金，促進其對鋼鐵材料的替代，團隊決定將目標定位於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，直徑僅有納米級別，在其微小的“身體”裏蘊藏的可是大能量，將這些“小東西”融入電網常用的鋁合金材料中，如同混凝土中的鋼筋一般，使鋁合金的強度顯著提升，可在電力及相關領域發揮大作用。正可謂是小身材、大作用。但是，納米材料的一大應用弊端是容易發生團聚，如何實現碳納米管在鋁基體中彌散分布是鋁合金材料成功開發的關鍵。傳統主要採用粉末冶金工藝，通過機械球磨的方式將納米相和金屬粉末進行固—固混合，之後燒結成型，但這種方法無法實現大尺寸，且材料的塑性較差。
爲解決這一問題，武漢南瑞科技攻關團隊開展了大量研究工作。歷經4年的時間，數百次的試驗，通過不斷優化成分配方、調整工藝參數，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難題。鍥而不舍，金石可鏤。正是團隊成員們堅持不懈的努力，及面對挫折與失敗時的恆心和毅力，才獲得了電工新材料、新工藝的技術突破，爲實現碳納米管改性鋁合金的批量生產打下堅實的基礎。
“碳納米管改性鋁合金實現單產30噸”，武漢南瑞已成功將碳納米管改性鋁合金技術用於工業生產，這其中經歷了配方設計、試驗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着鋁液，“成分檢驗合格，可以澆鑄”，流槽中的鋁液緩慢流入了結晶器中，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“新材”才有競爭力，武漢南瑞推出納米改性鋁合金產品！
創“新材”才有競爭力，武漢南瑞推出納米改性鋁合金產品！
2018年7月，武漢南瑞技術人員夏兆輝正在操作真空熔煉爐，進行納米碳合金材料的熔煉。何衛 攝
2
“落地應用”——
新型鋁合金助力高性能電工裝備制造
多年來的研發投入終於結出了果實，武漢南瑞率先推出了基於納米改性技術的第一代產品——納米碳合金金具，並通過了國家電網公司新技術新產品成果評估。
創“新材”才有競爭力，武漢南瑞推出納米改性鋁合金產品！
線路節能環保化是電網建設響應低碳經濟、美麗中國的一大舉措，其不僅涵蓋了運行線路的環保設計和長效節能，也體現在電力裝備的環保制造和新技術應用水平等方面。
“我們按照相關標準對納米碳合金金具進行了能耗測試，以NW-07115型納米碳合金碗頭掛板爲例，在經濟電流240安培下能耗降低3瓦左右，相當於線路上日夜亮着的無數個3瓦燈泡，被熄滅了。”項目負責人在介紹納米碳合金金具的節能優勢時形象地說道。
根據試驗結果，納米碳合金碗頭掛板在與耐張線夾配合使用時，相對鑄鐵金具該單元能耗降低了22%~24%。通過統計歷年來配網用鑄鐵金具的招標數據（僅含協議庫存），配網金具的年需求量超過4億元，若採用節能型納米碳合金金具替代，以經濟電流密度185安培計算，每年節約電能超過16萬兆瓦時。
此外，綠色環保、輕量、美觀也是該系列金具的應用優勢。隨着國家環保政策的加強，鑄造行業的準入條件不斷提高，原先小型的、低產能的鑄鐵廠被迫關停，導致鑄鐵原材料的價格上漲。同時，熱鍍鋅工藝對環境污染巨大，簡陋的鍍鋅工藝廠房和肆意排放的污水，對操作工人和自然環境造成極大的危害。相比之下，納米碳合金金具無須進行熱鍍鋅處理，避免了對環境的污染，以實際效用踐行國家電網公司“建設綠色電網、奉獻清潔能源”的企業使命。且其本體重量僅爲同規格鑄鐵金具的30%~50%，標準破壞載荷提高30%以上，可爲線路運行提供更穩定、長效的安全保障。
未來，武漢南瑞將始終堅持創“新材”才有競爭力的發展理念，深入開展新材料產品的研發與生產，深耕碳納米管改性鋁合金材料產品多元化應用市場，爲國家建設綠色、環保、節能、高效的清潔能源電網作出應有的貢獻。
作者：何衛 張露心
