Forschung und Anwendung von Heizkabel-Verbundmaterialien in Hochspannungs- und Ultrahochspannungsumgebungen

Verbundwerkstoffe für Hoch- und Höchstspannungs-Heizkabel sind Verbundwerkstoffe auf Polymerbasis, die speziell zur Herstellung von Heizkabeln verwendet werden, die extremen Bedingungen standhalten. Das Material muss unter extrem hoher Spannung und hohem Druck hervorragende elektrische Eigenschaften, mechanische Festigkeit und thermische Stabilität beibehalten. Zu seinen typischen Anwendungsszenarien gehören die Öl- und Gasexploration in der Tiefsee, die petrochemische Industrie sowie extrem kalte oder hohe Temperaturumgebungen.

Hauptmerkmale und Leistungsanforderungen
Um mit extremen Arbeitsumgebungen zurechtzukommen, müssen Verbundwerkstoffe für Hochspannungs- und Ultrahochspannungs-Heizkabel eine Reihe strenger Leistungsanforderungen erfüllen, darunter unter anderem die folgenden Aspekte:

Elektrische Isolationsleistung: Heizkabel arbeiten unter Hochspannungsbedingungen und erfordern, dass die Materialien über hervorragende elektrische Isolationseigenschaften verfügen, um Stromlecks und Isolationsschäden zu verhindern. Dies erfordert, dass das Verbundmaterial einen hohen spezifischen Widerstand und einen geringen dielektrischen Verlust aufweist.

Hohe Temperaturbeständigkeit: Das Heizkabel erzeugt im Betrieb hohe Temperaturen und muss auch in Umgebungen mit extremen Temperaturen stabil bleiben können. Daher ist die hohe Temperaturbeständigkeit des Materials besonders wichtig.

Mechanische Festigkeit und Druckfestigkeit: Unter Höchstspannung muss das Kabelmaterial eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen und äußeren Kräften wie Zug und Druck ohne Verformung oder Bruch standhalten.

Chemische Korrosionsbeständigkeit: In petrochemischen oder Tiefseeumgebungen müssen Materialien außerdem eine gute chemische Korrosionsbeständigkeit aufweisen und in chemischen Medien wie Säuren und Laugen lange Zeit ohne Schaden arbeiten können.

Wärmeleitfähigkeit: Das Heizkabel muss die Wärme effektiv leiten, um eine stabile Heizwirkung zu erzielen. Daher ist auch die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs ein wichtiger Indikator, der bei der Konstruktion berücksichtigt werden muss.

Hauptmaterialkomponenten
Verbundwerkstoffe für Hoch- und Höchstspannungsheizkabel bestehen im Allgemeinen aus einer Polymermatrix und funktionellen Füllstoffen. Die verschiedenen Komponenten ergänzen sich gegenseitig und verleihen dem Material hervorragende Gesamteigenschaften. Zu den üblichen Hauptmaterialkomponenten gehören:

Matrixmaterial: In der Regel werden hochtemperaturbeständige und alterungsbeständige Polymermaterialien wie Polyethylen (PE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPR) usw. ausgewählt. Diese Materialien verfügen über eine hervorragende elektrische Isolierung, mechanische Festigkeit und chemische Stabilität.

Funktionelle Füllstoffe: Zu den häufig verwendeten Füllstoffen gehören wärmeleitende Materialien wie Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Magnesiumoxid (MgO), die die Wärmeleitfähigkeit von Verbundwerkstoffen verbessern sollen. Zur Verbesserung der elektrischen Isolierung werden auch elektrische Isolationsverstärker wie Silan-Haftvermittler und Titanoxid (TiO₂) zugesetzt.

Nanofüllstoffe: In den letzten Jahren wurden Nanomaterialien (wie Graphen, Kohlenstoffnanoröhren usw.) zur Modifizierung von Verbundwerkstoffen eingesetzt, um deren Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit weiter zu verbessern.

Vorbereitungsprozess
Der Vorbereitungsprozess von Hochspannungs- und Ultrahochspannungs-Heizkabel-Verbundmaterialien ist von entscheidender Bedeutung. Zu den wichtigsten Prozessschritten gehören Mischen, Extrudieren, Wärmebehandlung usw.:

Mischen: Das Matrixpolymer und der funktionelle Füllstoff werden gleichmäßig gemischt, um sicherzustellen, dass der Füllstoff gleichmäßig in der Polymermatrix verteilt ist.

Extrusionsformen: Die Mischung wird durch den Extrusionsprozess in die gewünschte Form für den Einsatz bei der Herstellung von Kabeln verarbeitet.

Wärmebehandlung: Um die thermische Stabilität und die mechanischen Eigenschaften des Materials zu verbessern, wird nach der Herstellung üblicherweise eine bestimmte Wärmebehandlung durchgeführt, beispielsweise Heißpressen oder Glühen.

Anwendungsbeispiele
1. Heizkabel in der Öl- und Gasförderung
Öl- und Gasförderungsarbeiten werden normalerweise in extremen Umgebungen durchgeführt. Hochspannungs- und Ultrahochspannungs-Heizkabel können die notwendige Heizunterstützung für Geräte in Tiefseeumgebungen mit hohem Druck und hohem Salzgehalt bieten. Seine hervorragende Druckbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit machen dieses Material in diesem Bereich beliebt.

2. Tiefseetechnik
Bei der Erforschung und im Bergbau in der Tiefsee werden extrem hohe Anforderungen an die Druckfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leistung von Kabeln gestellt. Hochspannungsheizkabel werden in der Tiefseetechnik häufig eingesetzt, um das Einfrieren von Rohren aufgrund niedriger Temperaturen zu verhindern.

3. Heizsysteme in polaren oder Hochtemperaturumgebungen
In Umgebungen mit extrem niedrigen oder hohen Temperaturen können Hochspannungs- und Ultrahochspannungs-Heizkabelverbunde eine zuverlässige Heizunterstützung für Gebäude und Geräte bieten und so die normale Produktion oder Lebensdauer sicherstellen.

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