【门窗幕墙网】2018年7月，由国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司（以下简称“武汉南瑞”）承担的《环保型轻量化线路用的高强碳纳米管/铝合金及应用》项目获得国家电网公司科技进步二等奖，该新材料产品的应用将有助于提升电网技术装备水平。
为强化电力新材料在电网建设中的基础和先导作用，国家电网公司2015年正式命名“输变电用碳纳米管改性铝合金及应用技术科技攻关团队”。经过持续的经费投入和技术攻关，该团队依托武汉南瑞的资源和技术优势，在纳米改性铝合金材料及其产品研发与生产方面取得突破，形成规模化生产能力：首次实现纳米改性铝合金产品在电网领域的应用，推出了纳米碳合金金具产品。该项技术经过中国电机工程学会的技术鉴定，项目成果整体达到国际领先水平。
2017年12月，武汉南瑞纳米碳合金团队骨干及其研发成果在武汉阳逻基地合。何卫摄
“以铝代铁”──纳米改性铝合金顺应电网建设需求
采用新材料、新工艺和新技术，探索提质增效与绿色发展的道路，是电网建设的发展方向。武汉南瑞大胆引进材料专业人才，组建阳逻新材料产业基地，形成湖北省电力新材料工程技术中心和国家电网公司电工新材料实验室双重平台优势，蓄力电力新材料开发与创新应用。
铁和铝是电网中除铜之外，使用量最大的两类金属。与铁材料相比，铝材料比重轻，仅为钢铁材料的三分之一；耐腐蚀，其表面形成一层薄的钝化膜阻止材料进一步氧化；弱磁性，降低了交变磁场下材料内部磁筹反复变化所带来的能量损耗。
因此，在一些节能或轻量化的应用场合（如输电线路），具有显著的性能优势，但传统工艺通过合金化手段提升铝材强度，大量合金元素的加入会导致综合性能下降，机械性能普遍较低，无法满足高强度应用场合（如金具）。为了发展高性能铝合金，促进其对钢铁材料的替代，团队决定将目标定位于碳纳米管改性铝合金。
碳纳米管，是一种由石墨片卷绕而成的一维管状材料，直径仅有纳米级别，在其微小的“身体”里蕴藏的可是大能量，将这些“小东西”融入电网常用的铝合金材料中，如同混凝土中的钢筋一般，使铝合金的强度显著提升，可在电力及相关领域发挥大作用。正可谓是小身材、大作用。但是，纳米材料的一大应用弊端是容易发生团聚，如何实现碳纳米管在铝基体中弥散分布是铝合金材料成功开发的关键。传统主要采用粉末冶金工艺，通过机械球磨的方式将纳米相和金属粉末进行固—固混合，之后烧结成型，但这种方法无法实现大尺寸，且材料的塑性较差。
为解决这一问题，武汉南瑞科技攻关团队开展了大量研究工作。历经4年的时间，数百次的试验，通过不断优化成分配方、调整工艺参数，提出了碳纳米管改性铝合金熔炼制备工艺，攻克了碳纳米管的分散、碳管表面包覆、碳管与铝液的浸润、碳管在熔融合金中的悬浮等技术难题。锲而不舍，金石可镂。正是团队成员们坚持不懈的努力，及面对挫折与失败时的恒心和毅力，才获得了电工新材料、新工艺的技术突破，为实现碳纳米管改性铝合金的批量生产打下坚实的基础。
“碳纳米管改性铝合金实现单产30吨”，武汉南瑞已成功将碳纳米管改性铝合金技术用于工业生产，这其中经历了配方设计、试验研究到中试放大的工艺过渡等方方面面。通红的熔炼炉中翻腾着铝液，“成分检验合格，可以浇铸”，流槽中的铝液缓慢流入了结晶器中，浇铸好的碳纳米管改性铝合金坯锭等待下一步的成品加工。
2018年7月，武汉南瑞技术人员夏兆辉正在操作真空熔炼炉，进行纳米碳合金材料的熔炼。何卫摄
“落地应用”──新型铝合金助力高性能电工装备制造
多年来的研发投入终于结出了果实，武汉南瑞率先推出了基于纳米改性技术的第一代产品──纳米碳合金金具，并通过了国家电网公司新技术新产品成果评估。
线路节能环保化是电网建设响应低碳经济、美丽中国的一大举措，其不仅涵盖了运行线路的环保设计和长效节能，也体现在电力装备的环保制造和新技术应用水平等方面。
“我们按照相关标准对纳米碳合金金具进行了能耗测试，以NW-07115型纳米碳合金碗头挂板为例，在经济电流240安培下能耗降低3瓦左右，相当于线路上日夜亮着的无数个3瓦灯泡，被熄灭了。”项目负责人在介绍纳米碳合金金具的节能优势时形象地说道。
根据试验结果，纳米碳合金碗头挂板在与耐张线夹配合使用时，相对铸铁金具该单元能耗降低了22%~24%。通过统计历年来配网用铸铁金具的招标数据（仅含协议库存），配网金具的年需求量超过4亿元，若采用节能型纳米碳合金金具替代，以经济电流密度185安培计算，每年节约电能超过16万兆瓦时。
此外，绿色环保、轻量、美观也是该系列金具的应用优势。随着国家环保政策的加强，铸造行业的准入条件不断提高，原先小型的、低产能的铸铁厂被迫关停，导致铸铁原材料的价格上涨。同时，热镀锌工艺对环境污染巨大，简陋的镀锌工艺厂房和肆意排放的污水，对操作工人和自然环境造成极大的危害。相比之下，纳米碳合金金具无须进行热镀锌处理，避免了对环境的污染，以实际效用践行国家电网公司“建设绿色电网、奉献清洁能源”的企业使命。且其本体重量仅为同规格铸铁金具的30%~50%，标准破坏载荷提高30%以上，可为线路运行提供更稳定、长效的安全保障。
不仅如此，轻质高强的纳米改性铝合金材料可在各类场合进行深化应用，如铝合金变压器、铝合金避雷器、轻量化铝合金车身等，在新能源汽车等领域也展现出巨大的应用空间。目前，基于碳纳米管改性铝合金技术的铝合金避雷器已在襄阳绝缘子厂投产，年产超过2万套。
未来，武汉南瑞将始终坚持创“新材”才有竞争力的发展理念，深入开展新材料产品的研发与生产，深耕碳纳米管改性铝合金材料产品多元化应用市场，为国家建设绿色、环保、节能、高效的清洁能源电网作出应有的贡献。
