CC BY
130
тающих тяговых подстанций выполняется. и проверить разности потенциалов отрицательных
Потенциальную диаграмму «рельс-земля» можно питающих пунктов всех тяговых подстанций схемы
построить для всей рельсовой сети трамвая в городе электроснабжения трамвая.
Библиографический список
1. Правила технической эксплуатации трамвая: утверждены 2. Инструкция по ограничению токов утечки из рельсов
распоряжением Министерства транспорта РФ от 30.11.2001 трамвая: утверждена МЖКХ РСФСР от 22 декабря 1982 г.
№ АН - 103р. 2001. 136 с. № 652.
УДК. 621.315
ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В КАБЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Г.Г. Константинов1, О.В. Арсентьев2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Показано, что очередной прорыв в производстве кабельно-проводниковой продукции (КПП) возможен при применении нанотехнологий и наноматериалов. При этом можно существенно улучшить технические характеристики и снизить затраты на производство КПП за счет изменения конструкции кабелей и проводов, а также упрощения технологического процесса их изготовления. Ил.8. Библиогр.: 4 назв.
Ключевые слова: нанотехнологии; наноматериалы; кабель; углеродные нанотрубки (УНТ); нанокомпозиты.
APPLICATION OF NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES IN CABLE INDUSTRY G.G. Konstantinov, O.V. Arsentyev
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article demonstrates that another breakthrough in the production of cables and wires is possible when applying na-notechnologies and nanomaterials. This can significantly improve the technical characteristics and decrease costs for the production of cables and wires due to the change in the design of cables and wires, and simplification of their manufacturing process as well. 8 figures. 4 sources.
Key words: nanotechnologies; nanomaterials; cable; carbon nanotubes (CNT); nanocomposites.
Кабели и провода применяются для передачи электроэнергии, при этом передаваемая мощность может составлять от нескольких долей Вт до нескольких тысяч МВт. Требования к изделиям кабельно-проводниковой продукции постоянно ужесточаются в соответствии с запросами потребителей, определяемыми спецификой традиционных и новых сфер применения, а также в соответствии с эволюционирующими требованиями международных и национальных стандартов, связанных, в том числе, с безопасностью эксплуатации кабелей, особенностями их производства и переработки с учетом экологических норм. Все вышесказанное требует от разработчиков и изготовителей КПП дополнительных затрат на разработку новых технологических процессов, приобретение новых материалов и производственного оборудования. Эти затраты производитель вынужден закладывать в цену своей продукции.
Потребитель, в свою очередь, заинтересован в разумных величинах соотношения цена/качество. Так интересы производителей и потребителей вступают в конфликт. Естественно, что разработчики КПП постоянно ищут способы разрешения этого конфликта, но их возможности имеют очевидные практические ограничения. Основная часть технических требований к кабелям реализуется применением новейших проводниковых и изоляционных материалов, в то время как конструкции кабелей, за редкими исключениями, практически не изменяются, что подтверждается анализом новых патентов на кабели и провода не только в России, но и за рубежом [1]. За несколько последних десятилетий можно выделить лишь две группы кабельной продукции, где новшества носили принципиальный характер.
В первую очередь, это относится к кабелям, в которых для передачи информационных сигналов ис-
1 Константинов Геннадий Григорьевич, кандидат технических наук, профессор, тел. (3952) 405238, e-mail: kgg@ek-s.ru Konstantinov Gennady, Candidate of technical sciences, Professor, tel. (3952) 405238, e-mail: kgg@ek-s.ru.
2Арсентьев Олег Васильевич, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой электропривода и электрического транспорта, тел. (3952) 405128, e-mail: arsentyevov@rambler.ru
Arsentyev Oleg, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of the chair of Electric Drive and Electric Transport, tel. (3952) 405128, e-mail: arsentyevov@rambler.ru
пользуется оптическое волокно (кварцевое и полимерное). При этом оптическое волокно для этих кабелей изготавливает небольшое количество компаний (в основном зарубежных) и функциональные характеристики изготавливаемого волокна близки к теоретическому пределу, поэтому нет оснований ожидать кардинальных новшеств в техническом уровне оптических кабелей (рис.1).
Ко второй группе относятся кабели, применяемые в электроэнергетике, в проводящих элементах которых используется эффект высокотемпературной сверхпроводимости. Изобретение в 1980-х годах так называемых, высокотемпературных сверхпроводников на керамической основе открыло возможность реализовать сверхпроводящее состояние при температуре жидкого азота (77 К), в отличие от известных мате-
структуру материалов на атомном и молекулярном уровнях.
Несмотря на некоторые скептические оценки относительно скорого наступления эры интенсивного практического использования нанотехнологий, уже в настоящее время наночастицы, нанопорошки и нанот-рубки широко используются в промышленности, медицине, науке и даже в быту. Большая часть нанотехнологий, промышленно используемых в настоящее время, основана на таких наночастицах.
Для применения в кабельной промышленности рассматриваются такие наноматериалы, как углеродные нанотрубки (УНТ), нанопровода, наноглины, нанопорошки, нанопена, металлические порошки, разбухающая пена, керамика, полимеры, сшитый полиэти-
Рис. 1. Оптоволоконный кабель
риалов, в которых сверхпроводящее состояние достигалось при температуре жидкого гелия (4 К). Однако, несмотря на интенсивные отечественные научные исследования и некоторые впечатляющие результаты, достигнутые за рубежом [2], пока неясно, когда появится возможность производить такие кабели на экономически рентабельном уровне. Поскольку конструктивно кабели включают проводящие элементы, а все остальные элементы конструкции обеспечивают возможность эксплуатации их в требуемых физических условиях, то только новые материалы для изготовления всех элементов конструкции кабелей, обладающие принципиально новыми фундаментальными свойствами, могут удовлетворять требованиям разнообразных применений в будущем.
В настоящее время единственным реально просматриваемым путем получения таких материалов является применение возможностей нанотехнологий в управлении физическими свойствами материалов на наноуровнях, что позволяет получать материалы со свойствами, недостижимыми при использовании других способов их изготовления.
Понятие нанотехнологии связано именно с возможностью формировать внутреннюю структуру материалов в наномасштабных размерах, т.е. менять
лен, многослойные ленты и др.[3,4].
Углеродные нанотрубки представляют собой на-норазмерные цилиндрические трубки из графитиро-ванного углерода с одной, двумя или множеством стенок (рис. 2).
УНТ являются самыми прочными из известных волокон, обладают уникальными электрическими свойствами. В зависимости от их структуры, УНТ могут вести себя как металлический проводник или полупроводник. Область их применения обширна.
Базовым структурным элементом УНТ, графита и фуллеренов являются графен-плоские, толщиной в один атом, элементы из атома углерода, которые плотно упакованы в сотовую структуру кристаллической решетки (рис.3).
Как и УНТ, наночастицы кремния и диоксида кремния, индия и многих других веществ, которые могут быть сверхпроводниками, электрическими проводниками или полупроводниками, имеют большой потенциал практического применения в кабельно-проводниковой технике. При этом массогабаритные показатели проводов (рис. 4) и кабелей, их прочностные и эксплуатационные характеристики смогут существенно превзойти современный уровень. Реальна возможность создания кабелей с принципиально новыми свойствами.
а б
Рис. 2. Углеродные нанотрубки: а - с двумя стенками; б - со многими стенками
Можно выделить два направления развития нано-технологий, которые развиваются разными темпами.
Рис. 3. Графен
Рис. 4. Нанопровода
Рис. 5.Наноглины
Первое - создание наноматериалов. В этом направлении работа интенсивно ведется в разных странах мира. Получены важные и в теоретическом и практическом аспектах результаты, представляющие интерес и для разработки кабельно-проводниковой продукции.
Второе - разработка функциональных наноуст-ройств. Работы в этом направлении проводятся активно как у нас, так и во многих странах мира. Однако, скорее всего, до практически применимого уровня эти разработки могут быть доведены значительно позднее по сравнению с освоением в производстве новых кабелей с использованием наноматериалов.
В конструкциях современных кабелей для придания им изолирующих, защитных и упрочняющих свойств широко используются полимеры с различными наполнителями. Создание наполнителей, в том числе наноглин (рис. 5), сделало возможным образование нанокомпозитов глина/полимер (рис.6).
Рис. 6. Полимерные нанокомпозиты
Полимерные нанокомпозиты представляют новый класс материалов, являющихся альтернативой обычным полимерам с наполнителями, поскольку обладают улучшенными механическими характеристиками по сравнению с чистыми полимерами (прочность на разрыв увеличивается на 40%), большей термостойкостью и повышенной химической стойкостью.
Традиционно полимеры характеризовались исключительно по своим объёмным свойствам, включая жёсткость, прочность на удар, модуль упругости, относительное удлинение и, главным образом, электрические характеристики.
Поскольку полимеры блочной полимеризации были по существу однородными, характеристика подструктуры была не слишком важна. Но в настоящее время нанокомпозитные материалы с новыми физическими свойствами могут быть созданы путём введения небольших количеств нанодобавок.
Большой интерес представляют свойства нано-композитных материалов и их способность к нераспространению горения при очень низких уровнях добавок в стандартные кабельные материалы. Для сравнения: с целью достижения соответствующего уровня нераспространения горения в полимерные компаунды обычно вводят до 60% или более огнестойких добавок (широко распространены тригидрат алюминия или гидроокись магния). В результате такие материалы, как полиэтилен, поливинилхлорид и другие, приобретают повышенную плотность, становятся менее гибкими, менее устойчивыми к проникновению воды и даже создают некоторые проблемы для экс-трузионного процесса. Кроме того, в результате введения огнестойких добавок несколько снижаются электрические характеристики материалов, они становятся более дорогостоящими, что ограничивает их применение.
Первыми типами нанонаполнителей, которые вышли на уровень коммерческого применения, являются наноклеи (модифицированные силикаты слоистой
структуры, монтмориллониты) и углеродные нано-трубки. При этом содержание наполнителя составляет всего от 2% до 7% от общей массы конечного компаунда. Углеродные нанотрубки также повышают электропроводимость. В то время как цена на наноклеи достаточно низкая, цена углеродных трубок достаточно высока, поскольку их производство всё ещё находится на лабораторном уровне. Тем не менее, себестоимость нанотрубок должна значительно сократиться при освоении массового производства. Введение нанокомпонентов не приводит к существенным изменениям условий экструзионного процесса для большинства полимеров, хотя иногда могут возникать некоторые проблемы в связи с насыщением и дисперсией наночастиц внутри полимера.
Многообразие возможностей использования нано-технологий для создания новых поколений кабелей (рис. 7) требует постоянного мониторинга и анализа достижений и эволюции нанотехнологических принципов как разработчиками кабелей, так и потребителями для своевременной постановки задач для разработчиков с целью создания новой конкурентоспособной продукции.
Проблема надёжности и безопасности электрических проводов в зданиях может быть решена с помощью нанотехнологии. Пока неизвестно, что произойдёт раньше: замена меди наноматериалами или появление серии «умных» машин, потребляющих очень мало или вообще не требующих электроэнергии. Известно, что в кристаллическом графите проводимость вдоль плоскости слоя наиболее высокая среди известных материалов и, напротив, в направлении, перпендикулярном листу, мала. Поэтому ожидается, что электрические кабели, сделанные на основе нанотрубок с необходимой ориентацией, будут (при комнатной температуре) иметь электропроводность на два порядка выше, чем медные кабели. Добавляя в пространственную структуру алмазоида различные ато-
т ¡ттт! т шшгог
Н&ЗЙ л:л.;л;ж ДЗЗГ*
тЛ
Рис. 7. Нанокабели нового поколения
мы, можно получить материалы с различной электропроводностью, гибкостью и гидрофобностью.
Ещё одним примером применения нанотехнологии является изготовление обмоточного провода с использованием тонкодисперсного порошка окиси кремния, введённого химическим способом в полиамидную изоляцию. Этот метод позволил улучшить качество готового провода и повысить его температурный индекс С°до 280 С для стандартных эмалированных проводов по сравнению с 240 С. В этом контексте следует упомянуть попытки получить «идеально чистый» нанопровод, к которому не пристают частицы пыли, масел, воды. Таким образом, за счёт самоочищения провода имеется потенциальная возможность увеличения срока службы катушек и обмоток электродвигателей, магнитов.
Проводятся исследования с целью создания на-носкопических коаксиальных кабелей для передачи светового сигнала. Основная идея состоит в том, чтобы уменьшить коаксиальный кабель примерно в 10 000 раз, тогда его диаметр будет меньше, чем длина волны видимой области спектра. Созданный образец такого кабеля работает так же, как традиционный коаксиальный кабель, но разница в том, что этот на-носкопический кабель имеет диаметр всего 300 нанометров, он короче самой короткой волны видимого света и не видим человеческому глазу. Углеродная нанотрубка заменяет внутренний проводник, плёнка оксида алюминия - пластмассовый слой, а покрытие из хрома или алюминия - наружную оболочку. В настоящее время размер самых длинных из них не превышает 20 микрометров. Такие коаксиальные нанокабели не являются альтернативой для замены оптических волокон. Как считают учёные, разработка таких кабелей может привести к инновационным решениям в области фоточувствительных элементов, искусственной сетчатки глаза, компонентов квантового компьютера.
Существует большая группа сверхпроводящих изделий, которые должны выполнять заданную функцию на протяжении всего срока службы (более 25 лет) и
при этом быть абсолютно безвредными для окружающей среды. Такие продукты, к эксплуатационным характеристикам которых предъявляется множество требований и которые часто создаются по индивидуальным заказам, ложились тяжёлым бременем на производителей и создавали производственные проблемы ещё до наступления наноэры.
Постоянный спрос на сверхпроводники с усовершенствованными эксплуатационными характеристиками приводит к разработке новых полимерных, металлических и керамических материалов для кабельной промышленности. Диамагнитные материалы с уникальной способностью проводить электрический ток при минимальном сопротивлении или его отсутствии в условиях температуры ниже критического значения тесно связаны с достижениями нанотехнологии.
Использование инновационной технологии деформационного текстурирования даёт возможность получать сверхпроводящие ленты, которые могут передавать ток с плотностью на уровне 1000 А/см2. Сверхпроводящая лента с покрытием состоит из трёх компонентов: металлической подложки (из никеля или сплава на основе никеля, обычно толщиной 25-50 мкм, полученной при помощи технологии деформационного текстурирования); буферного слоя (нанесённого методом осаждения) и сверхпроводящего слоя YBCO или слоя висмута (полученного при помощи золь-гелевой технологии и методом химического осаждения из паровой/газовой фазы металлоорганиче-ских соединений).
Многие проблемы, связанные со сверхпроводимостью, уже были преодолены благодаря развитию нанотехнологии. Теперь стало возможным вырастить плёнку нужной длины, поддерживающую очень высокие сверхтоки. Провода могут быть изготовлены путём помещения сверхпроводника на основе висмута в серебряные трубки, которые затем нагревают и прокатывают для получения более однородной микроструктуры. Такие провода уже используются в качестве токовводов для ультрахолодных сверхпроводящих магнитов, при этом возможно значительно снизить
требуемую мощность системы охлаждения. В настоящее время перед учёными и производителями стоит задача интегрирования высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в действующие системы.
Развитию и внедрению нанотехнологий и наноматериалов в настоящее время уделяется большое внимание во всем мире, в том числе и в нашей стране. В этот процесс вкладываются большие материальные и интеллектуальные ресурсы, и это оправдано, потому что именно нанотехнологии могут поднять нашу циви-
лизацию на принципиально новый уровень. Кабельная промышленность с использованием наноматериалов, наноустройств и нанотехнологий сможет производить продукцию с характеристиками, недостижимыми другими средствами. Для воплощения в реальность таких перспектив требуется проведение большого объема исследований, включая научные, технологические, метрологические, а также исследования по влиянию нанотехнологий и нанопродуктов на здоровье, безопасность и экологию.
Библиографический список
1.Светиков Ю.В. Современные тенденции развития кабель- 3. Cizmic H. Nanotechnology: how small is the nanoworld in ного производства // Компоненты и технологии. 2007, №8. cable industry // Wire Journal International. 2007. №3.
2. Светиков Ю.В. Кабели и нанотехнологии // Кабель-news. 4. Cizmic H. Nanotechnology to optimize and construct special 2010. №6-7. cables // Wire and cable International. 2005. №4.
УДК 621.983
ДИНАМИКА НАГРЕВА АЛЮМИНИЕВОЙ ПРОВОЛОКИ ПРИ СОВМЕЩЕННОМ ОТЖИГЕ А.А.Луконин1
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Обоснована необходимость учета динамики индукционного нагрева алюминиевой проволоки, выполняемого с целью отжига в условиях совмещения его с другими операциями поточной линии при производстве изолированных проводов с алюминиевыми токоведущими жилами. Участок движущейся проволоки рассматривается как объект регулирования, для которого получены основные динамические характеристики - переходная и передаточная функции, для двух характерных режимов. Ил. 5. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: алюминий; проволока; отжиг; динамика; передаточная функция.
DYNAMICS OF ALUMINIUM WIRE HEATING UNDER THE COMBINED ANNEALING A.A. Lukonin
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The author proves the necessity of taking into account the dynamics of aluminum wire induction heating that is performed with the aim of annealing under its combination with other operations of the production line when manufacturing insulated wires with aluminum current-carrying conductors. The section of the moving wire is regarded as an object of regulation, for which the basic dynamic characteristics (the transition and transfer functions) for two characteristic modes are obtained.
5 figures. 3 sources.
Key words: aluminum; wire; annealing; dynamics; transfer function.
Стационарная электрическая проводка промышленных установок выполняется изолированным проводом и кабелями с алюминиевыми токоведущими жилами. Проволока токоведущих жил получается холодным волочением через твердосплавные волоки на станах однократного и многократного действия. В процессе волочения металл проволоки получает многократные нарушения кристаллической решетки, в результате чего возрастает его временное сопротивление и уменьшается относительное удлинение. Для получения физико-механических свойств алюминиевой проволоки, заданных техническими условиями, применяется операция - рекристаллизационный от-
жиг при температуре 250°С. Наиболее эффективны индукционные способы нагрева, допускающие совмещение процесса отжига с операцией наложения изоляции.
Индукционный высокочастотный нагрев металлов широко применяется в промышленности. Однако установки для высокочастотного нагрева тонкой алюминиевой проволоки (диаметром до 5мм) конструктивно трудно выполнимы и имеют весьма низкие энергетические показатели. Лучшие качества в рассматриваемых условиях имеют низкочастотные установки на основе индуктора с обмоткой на замкнутом ферромагнитном сердечнике (рис. 1), свободный стержень ко-
1Луконин Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: (3952) 405128.
Lukonin Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the chair of Electric Drive and Electric Transport, tel.: (3952) 405128.
