摘要：隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的日益擴(kuò)大，并且在“一帶一路”政策的推動(dòng)下，電力設(shè)施升級(jí)換代的需求迫切。據(jù)媒體報(bào)道，我國電線電纜行業(yè)在2018年的市場規(guī)模達(dá)到1.3萬億元，規(guī)模以上企業(yè)超過了4000家。由于市場擴(kuò)大，競爭加劇，電纜的性能也在不斷地優(yōu)化和提升。

　　電纜通常由導(dǎo)體、屏蔽層、絕緣層、屏蔽層和護(hù)套組成。而屏蔽層材料是近些年來人們關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。其中，由于石墨烯具有高的比表面積、電導(dǎo)率、導(dǎo)熱率和良好的力學(xué)性能以及高電磁屏蔽特性，所以其在電纜中重要的研究價(jià)值有待進(jìn)一步挖掘。本文將對(duì)石墨烯在電纜屏蔽層的研究與應(yīng)用進(jìn)行解析。

　　改性應(yīng)用研發(fā)三步走從“炭黑”到“碳納米管”再到“石墨烯”

　　炭黑是如今在電纜屏蔽層中應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)電填料之一，其PH值、粒徑、比表面積、鄰苯二甲酸二丁酯吸收值等物理化學(xué)特性往往決定了屏蔽料的加工性能和導(dǎo)電性能。而屏蔽層的導(dǎo)電性和韌性相對(duì)炭黑的添加量又是兩種相互對(duì)立又需同時(shí)兼顧的性能。國內(nèi)外大量研究人員對(duì)填料炭黑的添加量等配比工藝做了大量研究。目前研究表明，15%-50%的添加質(zhì)量占比是最為適宜的。

　　1991年，碳納米管被日本NEC公司基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的電子顯微鏡專家飯島發(fā)現(xiàn)，其具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)和磁學(xué)性能。為了提高電纜屏蔽層復(fù)合材料的導(dǎo)電率的穩(wěn)定性，國外科技工作者將炭黑和碳納米管作為填料，由于碳納米管具有較長的長徑比使得填料形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)在熔融結(jié)晶的過程中更加穩(wěn)定。后來美國陶氏化學(xué)公司也做了相關(guān)的產(chǎn)品化工作。

　　直到2012年，石墨烯電纜屏蔽層中的相關(guān)專利才出現(xiàn)在歐美國家。石墨烯具有比表面積大、厚徑比高、電子遷移率高、導(dǎo)熱率高的特征，其獨(dú)特的單原子層二維結(jié)構(gòu)和共軛碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，都被認(rèn)為是最為理想的納米導(dǎo)電填料。但是其極高的化學(xué)穩(wěn)定性、表面惰性和不易分散性使得其與屏蔽層中的高分子材料難以兼容。目前，大量的改性石墨烯的研究停留在實(shí)驗(yàn)室階段，其研究方向集中在：1.石墨烯與其他填料、聚合物、助劑等的相互作用。2.提升包含石墨烯的屏蔽料輕質(zhì)、高效、梯度溫度穩(wěn)定性等特征。3.對(duì)電纜屏蔽層屏蔽機(jī)理的研究。

　　大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，經(jīng)過改性處理優(yōu)化配比后的石墨烯的加入，改善了電纜處于不均勻電場的情況，減少了內(nèi)部輸電量的損失，同時(shí)減少了電纜運(yùn)行過程中異常開裂的事故發(fā)生率。

　　國內(nèi)市場應(yīng)用處于萌芽期

　　由中超控股、西安交大、常州第六元素等共同投資成立的常州中超石墨烯電力有限公司的“35KV及以下交聯(lián)電纜用過氧化物交聯(lián)型低電阻熱穩(wěn)定石墨烯復(fù)合半導(dǎo)電屏蔽料”在2016年生產(chǎn)線正式投產(chǎn)，可形成年產(chǎn)2000噸中高壓電纜用低電阻熱穩(wěn)定石墨烯復(fù)合半導(dǎo)電屏蔽材料的產(chǎn)能規(guī)模。經(jīng)國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢測中心測試，其20℃體積電阻率比現(xiàn)行同行材料下降10倍以上，90℃體積電阻率比現(xiàn)行同行材料下降30倍以上。據(jù)悉，石墨烯包覆采煤機(jī)屏蔽橡套軟電纜有少量銷售。

　　通過專利檢索發(fā)現(xiàn)，電纜石墨烯屏蔽層的制備方法的專利發(fā)明人同時(shí)還有安徽徽寧電器儀表集團(tuán)有限公司、浙江六環(huán)電線電纜有限公司、上海至正道化高分子材料股份有限公司等企業(yè)(如圖1所示)，申請(qǐng)時(shí)間也都是近幾年的。國內(nèi)歷年來該應(yīng)用領(lǐng)域共有200多項(xiàng)專利。如果根據(jù)專利維持年限、權(quán)利要求數(shù)量、同族、引證、被引證、訴訟、許可、轉(zhuǎn)讓、質(zhì)押等十幾個(gè)緯度計(jì)算得出：這些專利的價(jià)值含量相對(duì)較低。

圖1 國內(nèi)石墨烯電纜屏蔽層專利申請(qǐng)排名　　

(來源：國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利檢索)

　　其他企業(yè)投產(chǎn)方面的報(bào)道幾乎沒有，這都說明在國內(nèi)市場石墨烯在電纜屏蔽層的應(yīng)用處于萌芽期。

　　結(jié)語

　　電纜屏蔽層材料是近些年來人們關(guān)注和研究的熱點(diǎn)，石墨烯具有比表面積大、厚徑比高、電子遷移率高、導(dǎo)熱率高的特征，其獨(dú)特的單原子層二維結(jié)構(gòu)和共軛碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，都被認(rèn)為是最為理想的納米導(dǎo)電填料。其改善了電纜處于不均勻電場的情況，減少了內(nèi)部輸電量的損失，同時(shí)減少了電纜運(yùn)行過程中異常開裂的事故發(fā)生率。通過專利檢索發(fā)現(xiàn)，石墨烯電纜屏蔽層的制備方法的專利申請(qǐng)集中在最近幾年，國內(nèi)投入生產(chǎn)的企業(yè)很少，我國石墨烯在電纜屏蔽層的應(yīng)用還處于萌芽期。