基于废弃生物质碳的高导热填料：电缆管道散热复合材料的设计与性能评估

《Case Studies in Thermal Engineering》：High-thermal-conductivity filler based on waste biomass carbon: Design and performance evaluation of a heat-dissipating compound for cable ducts

　　

电缆管道在运行过程中，因载流导体产生大量焦耳热；若散热不足，将加速绝缘老化并降低载流量。传统电缆管道填充浆料（如水泥基或低导热聚合物基材料）导热系数较低，难以满足高压、大容量电缆的散热需求。本研究以农业废弃物玉米芯粉为原料，通过高温碳化制备高导热生物质碳（CC），并将其作为功能性填料引入电缆管道灌浆体系中，系统研究了其对浆料导热系数、工作性能及管道内实际散热性能的影响。研究表明，当CC掺量为10 wt%时，浆料导热系数达到0.383 W/(m·K)，为空气导热系数的14.7倍；流动度保持在150 mm，满足泵送施工要求；在瞬态散热测试中，峰值温度较空气填充体系降低7°C；在实验室高温热冲击模拟条件下（热源200°C），浆料稳态温度稳定在100–110°C。有限元模拟表明，该配比浆料在全部气候条件（?40°C至40°C）下均可显著提升电缆载流量；在40°C极端高温条件下，载流量达到504 A，较传统空气填充电缆提升25.7%。该研究为突破电缆管道散热瓶颈提供了环境友好、低成本、高性能的材料解决方案，对城市电网扩容改造及安全运行具有重要工程意义。

**基于废弃生物质碳的高导热填料：电缆管道散热复合材料的设计与性能评估——论文解读**

**1. 研究背景与问题提出**

随着城市电网规模持续扩大及电缆载流量不断提升，电力电缆在运行过程中产生的焦耳热显著增加。电缆管道作为地下电缆敷设的主要方式之一，其密闭狭窄的结构特征严重阻碍了热量的有效散发。长期过热运行会加速电缆绝缘（主要为交联聚乙烯，XLPE）的热氧老化进程，缩短电缆使用寿命，严重时甚至引发热击穿事故。根据IEC 60287标准，电缆载流量受限于允许工作温度（通常为90°C），因此电缆管道内部的散热效率直接决定了电缆的传输能力与运行可靠性。

传统工程中常采用水泥砂浆、低密度混凝土或普通聚合物浆料对管道内电缆进行固定和空隙填充，然而这些传统材料普遍导热系数较低，相当于在电缆、管壁与周围土壤之间形成了“热屏障”，导致热量在管道内部积聚。相关研究表明，电缆管道内的热阻可占电缆总热阻的30%–50%，在多回路管道中尤为突出。因此，开发高导热填充材料已成为提升电缆管道散热能力的关键技术方向。

目前提升工业复合浆料导热性能的主流途径是在基体中加入高导热填料。金属填料（铜粉、铝粉）导热系数高（200–400 W/(m·K)），但密度大、易沉降且存在电化学腐蚀风险；无机陶瓷填料（Al?O?、BN、SiC）导热性和电绝缘性良好，但价格较高且部分材料分散性差；碳基填料（石墨、碳纤维、碳纳米管）兼具高导热和轻质优势，但石墨与碳纳米管通常涉及高温石墨化或化学气相沉积工艺，能耗大、成本高，限制了其在电缆管道等大型工程中的规模化应用。

相比之下，生物质碳由农业废弃物（如玉米芯、秸秆、稻壳）经碳化或活化处理制备，具有原料廉价可再生等优势。玉米芯作为农产品加工副产物年产量巨大，将其用于制备碳材料可实现废弃物的资源化利用。通过催化石墨化或高温处理可调控生物质碳的石墨化结构，提升其导热性能；同时其密度低（约0.5–1.0 g/cm3）、与水泥或聚合物基体相容性好、耐腐蚀。预实验表明，当CC掺量增至20%时，浆料导热系数虽达到0.388 W/(m·K)，但流动度降至130 mm，无法满足泵送施工要求；若以少量（2%）石墨与CC复配，导热系数可提高至0.405 W/(m·K)，但成本约增加40%。因此，亟需在导热性能、施工性能和成本之间寻求最优平衡。

**2. 研究内容与关键技术方法**

针对上述问题，研究人员以玉米芯粉为前驱体，采用活化和催化石墨化相结合的特殊工艺制备高导热生物质碳（CC），并将其作为功能性填料掺入以普通硅酸盐水泥（OPC）、石膏、粉煤灰（FA）及纤维素增稠剂（CMC）组成的灌浆基体中，系统研究CC掺量对浆料导热系数、流动度、流变性能、力学性能、热稳定性及长期耐久性的影响。具体材料配比中，OPC为85 g，石膏（CaSO?·0.5H?O）为15 g，CC为10 g，FA为40 g，CMC为10 g，水为450 g，对应10 wt% CC掺量。同时设置了CC掺量为0%、5%、15%、20%以及10%CC+2%石墨的对比样品。研究采用扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）表征微观结构与元素分布；采用Hot Disk TPS 2500S热常数分析仪测试不同温度下浆料的导热系数；采用INSTRON 5982万能试验机测试力学性能；采用差示扫描量热仪（DSC）和热重分析仪（TG/DTG）评估热稳定性；利用自组装温度测试平台表征实际散热性能；并基于焦耳热平衡方程开展全尺寸管道束有限元热传导模拟，评估不同环境温度下电缆的载流量提升效果。

**3. 研究结果**

**3.1 OPCC-Slurry的微观结构分析**

SEM观察显示，未掺CC的基准浆料呈现典型无机胶凝材料特征，基体内部存在大量尺寸不一的孔隙，固体颗粒分布不均并伴有明显团聚现象，这种多孔疏松结构使材料内部存在大量高导热热阻的空气囊，导热通路不连续是其导热性能差的根本原因。掺入CC后的OPCC-Slurry结构显著优化，材料整体变得极为致密，大尺寸空隙被有效填充，颗粒间堆积更为紧密，同时颗粒分散均匀性大幅提升。经特殊处理的CC颗粒在浆料中表现出良好的分散性，可有效填充水泥、粉煤灰等基体颗粒间的空隙；同时其高比表面积特性促进了水化产物的均匀附着和生长，在微观层面构筑了孔隙率更低、连续性更好的骨架结构。元素面分布分析进一步证实，CC掺入后碳元素信号强度显著增强且分布广泛均匀，同时钙（Ca）、硅（Si）等水泥水化产物特征元素的分布变得更加连续均匀，表明均匀分散的CC颗粒通过表面物理化学作用影响了水化产物的成核与生长过程，优化了基体相的微观结构均匀性。

**3.2 OPCC-Slurry的物理化学性能分析**

力学测试结果表明，OPCC-Slurry在压缩加载下表现出优异的应变硬化能力，峰值强度约42–50 MPa，极限应变约70%，兼具高强度和高延展性；拉伸测试则呈现典型脆性断裂特征，极限抗拉强度为0.129 MPa，符合水泥基材料以抗压为主、抗拉为辅的固有属性。DSC分析显示，OPCC-Slurry在50–400°C范围内出现两个吸热峰：第一吸热峰位于113.39–172.39°C，对应自由水和部分结合水的蒸发及低结晶度水化产物的脱水；第二吸热峰位于220.19–299.79°C，对应生物质碳中残留木质素、纤维素等有机组分的热裂解及增稠剂CMC的降解。TG/DTG曲线进一步量化了其热稳定性：室温至160.43°C阶段失重约2%–3%为物理吸附水损失；160.43–337.19°C为主要失重阶段，对应有机组分分解；337.19–651.72°C为碳酸盐分解阶段。在电缆最高允许工作温度（90°C）及短时过载温度（通常<130°C）范围内，材料总失重极小，热稳定性完全满足电缆运行要求。

流变学测试表明，OPCC-Slurry的粘度随剪切速率增加而显著降低，呈现典型剪切变稀（假塑性）行为。与未掺CC的基准样品相比，相同剪切速率下OPCC-Slurry的粘度更高，这是因为CC颗粒增加了固含量和颗粒间相互作用。高温（60°C）条件下粘度明显上升，归因于温度加速了水泥水化反应。在极低剪切速率下，粘度可迅速降至泵送适宜水平（10 Pa·s以下），确保施工时具有良好的流动性和填充性，停泵后粘度恢复，可防止材料流失和沉降。但夏季高温施工时需调整水灰比或使用减水剂。

**3.3 OPCC-Slurry的实际冷却性能评估**

导热系数测试显示，不同填料体系对浆料导热系数的影响呈明显的非线性特征。基准组（1）导热系数仅为0.168 W/(m·K)，掺入5 wt% CC后升至0.246 W/(m·K)，掺入10 wt% CC后达到0.383 W/(m·K)，较基准组提升近128%。继续将CC掺量提升至15 wt%、20 wt%或采用10 wt%CC+2 wt%石墨复配体系，导热系数增幅十分有限（仅提高2.6%–5.7%），且高填料掺量导致流动度下降、施工难度增大、材料成本显著增加。10 wt%是该体系CC颗粒在水化初期实现均匀分散而不发生明显团聚的临界掺量：低于10%无法形成连续导热网络（导热系数仅0.246 W/(m·K)），高于15%则CC颗粒趋于团聚，导热系数不再随掺量增加而显著提升。因此，10 wt%被确定为最优掺量。

500小时连续散热测试中，空气组温度迅速升至47°C并维持高位，而所有含CC或石墨的样品均表现出显著的温度抑制效果，其中样品（3）稳定在42°C，为全部样品中最低稳态温度。模拟瞬态散热测试表明，采用空气冷却的系统起始最高温度为50.34°C，而采用OPCC-Slurry的系统仅为43.37°C，低近7°C，且整个冷却过程中OPCC-Slurry系统温度始终低于空气冷却系统。稳态热性能测试中，在200°C恒温热源持续加热下，OPCC-Slurry温度迅速上升并最终稳定在约100–110°C范围，且6000秒测试期间温度曲线保持稳定，表明其能够在持续高负荷下维持低温稳定运行。

**3.4 OPCC-Slurry在典型地下环境中的长期耐久性分析**

腐蚀试验表明，OPCC-Slurry在强碱性环境（6M KOH，pH=14）中浸泡28天后质量损失率约13.8%，腐蚀主要集中于表面活性位点、无定形碳及残余杂质相，基体整体结构未发生破坏。在酸性含氯体系中，pH=5时28天质量损失率仅7.4%，腐蚀局限于极薄表层；pH=4时质量损失率约12.0%，属中等腐蚀；pH=3时质量损失率接近16.8%。氯离子因半径小、穿透力强，破坏了碳材料表面钝化层并诱发点蚀和缝隙腐蚀，同时作为催化剂加速碳的氧化溶解，与H?浓度增加带来的热力学驱动力协同导致腐蚀加剧。然而即使在极端条件下，所有试件均未出现断裂或大面积粉化等严重失效现象。根据腐蚀数据，该材料在pH≥5的弱酸性或近中性地下水环境中耐蚀性良好，满足中远期服役要求；在pH=4的中等酸性环境中耐蚀性可接受，建议采取简单表面防护；在强碱性环境（pH=14）中耐蚀性一般，长期高温服役需进行表面抗氧化改性；在强酸性含氯环境（pH=3）中耐蚀性较差，直接应用风险较高。

冻融循环试验结果表明，经过100次干湿循环后，样品（3）的质量损失率为2.25%，而基准样品（1）为9.1%，CC的填充效应和FA的火山灰反应降低了基体的孔隙率和渗透性。经过0、50、100次干湿循环后，OPCC-Slurry的极限抗压强度分别为56.58 MPa（68%应变）、56.15 MPa（75%应变）和56.09 MPa（78%应变），强度未出现明显下降。SEM观察表明，100次干湿循环后材料表面虽呈疏松颗粒堆积状，但CC填料整体结构完整无明显粉化；6M KOH浸泡28天后颗粒排列紧密、界面结合良好，未见明显侵蚀坑；酸性含氯溶液浸泡28天后仅出现局部腐蚀坑和盐结晶，深层结构保持稳定，体现了优异的耐酸侵蚀能力。

**3.5 OPCC-Slurry导热模拟试验**

基于焦耳热平衡原理，研究人员采用实验测定的各样品在不同环境温度下的导热系数（?40°C至40°C），结合800 A恒流温升试验中各样品的稳态电缆表面温度，通过热平衡方程计算了在环境温度为?40、?20、0、20、40°C五个温度组下电缆的载流量。结果表明，环境温度是决定载流量的主导因素：环境温度从?40°C升至40°C时，空气组载流量从623 A线性降至401 A，降幅达35.6%。含CC填料的样品载流量绝对数值始终高于空气组。其中，10 wt% CC掺量样品（3）表现出最优的散热增强效果，其散热增强系数k?为1.580，在?40、?20、0、20、40°C工况下载流量分别达到783.0、727.7、663.6、590.7、504.0 A，较空气组提升约25.7%。相比之下，样品（1）和样品（6）的散热增强系数相近（k?=1.2256，k?=1.2258），载流量提升约10.7%，表明盲目增加CC掺量并不能改善散热性能。温度分布方面，所有工况下均呈现轴向线性升温、径向由中心向外递减的规律，填料导热性能越好，径向温差越小。

**4. 结论与意义**

本研究系统开发了基于生物质碳的高导热OPCC-Slurry灌浆材料，主要结论包括：（1）CC的掺入有效填充了水泥基灌浆体中的空隙，其表面特性促进水化产物均匀附着，构建了以碳网络为骨架的致密连续复合结构，使浆料导热系数达到0.383 W/(m·K)，较空气提升1373%；（2）OPCC-Slurry兼具高强高韧力学特性（抗压强度42–50 MPa，极限应变70%），剪切变稀流变行为确保良好泵送性和注浆后稳定性，在电缆允许工作温度范围（≤130°C）内仅发生少量物理脱水，热稳定性满足长期服役要求；（3）全尺寸模拟表明该浆料在全部气候条件下均可显著提升电缆载流量，40°C极端高温下载流量达504 A，较空气填充提升25.7%；耐久性测试显示在pH≥5的土壤环境中质量损失率低于7.5%，100次干湿循环后质量保留率达97.75%；（4）该材料以农业废弃物（玉米芯）为主要原料，来源广泛、价格低廉，生产过程符合绿色循环经济理念，与传统高成本导热填料相比具有显著竞争优势。OPCC-Slurry作为新一代生物质碳复合灌浆材料，在导热性能、力学性能、施工性能、长期耐久性及环境经济效益方面展现出全面综合优势，为城市电网电缆管道的扩容改造和安全运行提供了具有重要工程意义的材料解决方案。研究发表于《Case Studies in Thermal Engineering》。