2024年10月，美國能源部撥款超20億美元，用于建設(shè)全美電網(wǎng)，日本東麗公司為其提供高質(zhì)量碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線。這種芯導(dǎo)線使用高強度碳纖維復(fù)合材料制成，可使導(dǎo)體的電流容量翻倍，而且還可以大幅降低線路損耗的問題。為什么碳纖維復(fù)合材料可以用于制作特殊的復(fù)合電纜？其實跟它的導(dǎo)電性能有著重要的關(guān)系，智上新材料來進行一些相關(guān)的介紹。

　　碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)電性能怎么樣？

　　首先需要明確一點，碳纖維本身是導(dǎo)電的，但碳纖維復(fù)合材料卻不一定導(dǎo)電，而且不同類型的碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)電性能差異還比較大。研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)電性，取決于碳纖維類型、基體材料、纖維取向和纖維體積分數(shù)等因素。

　　1、碳纖維：碳纖維本身是良好的導(dǎo)體，它內(nèi)部是由石墨碳排列組成，而石墨平面中的離域電子具有導(dǎo)電性能，單根碳纖維的電導(dǎo)率范圍為10^3至10^5 S/m,具體與碳纖維品類及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

　　2、基體材料：碳纖維復(fù)合材料中的基體材料類型較多，如聚合物、樹脂、金屬等，常用的樹脂（如環(huán)氧樹脂）本身是絕緣的，形成的復(fù)合材料通常導(dǎo)電率都比較低。

　　3、體積分數(shù)（滲透閾值）：碳纖維復(fù)合材料中的碳纖維體積分數(shù)達到臨界點（滲濾閾值），復(fù)合材料的導(dǎo)電率會有顯著的提升。低于該閾值，表現(xiàn)為絕緣體，高于該閾值，纖維形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。實驗發(fā)現(xiàn)，滲濾閾值的體積分數(shù)通常在5%至10%左右，具體數(shù)值與纖維類型、纖維直徑和纖維方向有關(guān)。

　　4、纖維取向：纖維取向?qū)τ趶?fù)合材料的導(dǎo)電性也起著至關(guān)重要的作用，當纖維沿電流方向排列時，與纖維隨機取向或垂直于電流取向時相比，復(fù)合材料將具有更高的電導(dǎo)率，因此沿電流方向的連續(xù)碳纖維通常表現(xiàn)出更好的導(dǎo)電性。

　　碳纖維復(fù)合材料在電纜行業(yè)應(yīng)用前景如何？

　　碳纖維復(fù)合材料因其高強度重量比、耐用性和多功能性在多個行業(yè)里具備不錯的應(yīng)用潛力，而在電纜行業(yè)同樣如此。文章開篇提到的高質(zhì)量碳纖維復(fù)合材料芯導(dǎo)線只是其中一種，通過對碳纖維復(fù)合材料性能的全面了解，能延展出更豐富的應(yīng)用方向。

　　1、電纜加固：碳纖維復(fù)合材料可用作電纜的增強材料，提高機械強度，但不會顯著增加重量?？梢栽诤教?、航海和高空電力線路中使用，提高整體機械強度，在承載高機械應(yīng)力下，使得電纜具備更強的耐用性。

　　2、輕質(zhì)導(dǎo)體：碳纖維本身重量輕，且具有高拉伸強度，可用作高性能電纜的中心芯材料，上文提到日本東麗使用的就是這一類的應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料可以編織成電纜，減輕重量，同時保持結(jié)構(gòu)完整性，改善高壓傳輸電纜的整體設(shè)計，大幅改善高空電網(wǎng)的輸電效率。

　　3、導(dǎo)電性方向應(yīng)用：碳纖維復(fù)合材料可提高電纜的電氣性能，特別是與導(dǎo)電填料或涂層結(jié)合使用時效果更明顯，另外還可以為增強設(shè)計的導(dǎo)電路徑作特定的應(yīng)用，如高頻電纜等。

　　4、電磁屏蔽方向應(yīng)用：碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能，由碳纖維復(fù)合材料制成的電纜可用于保護敏感電子設(shè)備免受電磁干擾(EMI)或電磁脈沖(EMP)保護，在國防和電信行業(yè)中非常重要。

　　5、耐腐蝕性方向應(yīng)用：傳統(tǒng)金屬電纜在海洋或高濕度環(huán)境中長期使用，會面臨腐蝕的問題，碳纖維復(fù)合材料具備較好的耐腐蝕性和抗氧化性，可用于海底電纜、海上能源生產(chǎn)電纜等，可有效延長電纜使用壽命。

　　6、耐溫性能方向應(yīng)用：碳纖維復(fù)合材料能夠承受較高的溫度，而不出現(xiàn)性能退化，可在室外高溫環(huán)境下使用，而且碳纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)較小，在高低溫環(huán)境中不會發(fā)生熱脹冷縮，因此在航天領(lǐng)域有一定應(yīng)用前景。

　　7、電纜保護套：碳纖維復(fù)合材料還可用于電纜的保護套，以提供針對機械損傷、紫外線降解和環(huán)境應(yīng)力的保護，同時保持電纜的輕質(zhì)和柔韌。

　　8、高壓電源線：碳纖維復(fù)合材料可用于高壓輸電線路，其輕質(zhì)特性和機械強度可以減少下垂，并允許在塔之間安裝更長的跨度，從而減少所需支撐結(jié)構(gòu)的數(shù)量。碳纖維復(fù)合材料可以通過在機械和電氣性能之間提供更好的平衡，來幫助提高能量傳輸效率，并減少長距離傳輸損耗。

　　9、絕緣電纜：當與適當?shù)慕^緣材料結(jié)合使用時，碳纖維復(fù)合材料可用于制造高效絕緣電纜，適用于傳統(tǒng)聚合物材料可能隨著時間的推移或在惡劣環(huán)境中降解的場景中。

　　10、特殊用途的混合電纜：碳纖維復(fù)合材料可用于將混合電纜，將導(dǎo)電性較好的金屬（如銅或鋁）與碳纖維復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)部件結(jié)合在一起的，可以為電纜同時提供導(dǎo)電性和機械增強功能，非常適合需要電氣和物理性能的應(yīng)用場景。

　　碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)電性雖然不算很好，但實際應(yīng)用上卻存在較多的可能，不僅可以為各種類型的電纜提供助力，而且還可以作為電磁屏蔽的吸收材料使用?？赡芎芏嗳瞬⒉恢溃祭w維還是一種高性能的全球性戰(zhàn)略材料，不僅國外很多企業(yè)重視碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而且在我國近幾個五年發(fā)展規(guī)劃中，都有提到關(guān)于碳纖維相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展計劃，重視新型材料和新型技術(shù)的發(fā)展，是維護我國工業(yè)大國的基本國策。