碳纤维复合材料用于电缆结构：材料的开发和分类

开发缆绳材料

缆绳结构可简单定义为以缆绳系统为主要承载结构元素、普通钢索、电缆等的结构。人工缆绳结构的应用历史可以追溯到石器时代。

当时，人们用藤蔓、爬山虎等植物纤维材料建造吊床和悬索桥。除了陆地上的缆绳结构外，缆绳在海上航行的帆船上已经使用了几年。如今，缆绳所用的材料已经从古代的天然植物纤维发展到今天著名的锻铁和高强度钢

希腊埃夫里波斯大桥斜拉桥，具有典型的钢索结构

回顾电缆结构的发展历史，我们可以发现其材料的发展在促进结构的发展中起着重要的作用。这主要体现在两个方面，即电缆结构的跨度和结构形式。例如，高强度钢索可以使大跨度电缆结构成为可能，如跨度超过1000米的现代悬索桥；它也使新形式的电缆结构建设成为现实，如电缆加工屋顶

图2勒沃库森湾竞技场辐条轮屋顶由钢索制成

碳纤维增强聚合物（CFRP）它是一种先进的非金属复合材料，由碳纤维增强聚合物树脂基体制成。它具有强度高、重量轻、耐腐蚀、抗疲劳等一系列优良特性。因此，CFRP可以制成电缆，取代传统的钢电缆。如

2CFRP缆绳结构

自20世纪70年代碳纤维问世以来，CFRP已广泛应用于航空航天、国防工业等领域。碳纤维最早在1977年被提议用于电缆结构，但由于成本高，碳纤维的使用被阻止。

CFRP于1991年首次正式出现在建筑行业，当时瑞士卢塞恩的Ibach桥是用CFRP进行的。从那以后，CFRP不仅在加固、修复、加固等方面得到了越来越多的应用，而且在缆绳结构中也被用作拉索。

单向CFRP材料通常用于拉索结构，依靠CFRP纤维方向的高强度来承载外部拉力。20世纪90年代，瑞士联邦材料与研究机构EMPA的URSMeier教授在这一领域做了开拓性的工作。1996年，他首次在悬索桥上使用该技术，并安装了两根长度为35m的CFRP电缆

图3196年，世界上第一座与碳纤维缆绳捆绑的公路桥梁

现有CFRP缆绳(拉索结构)根据结构形式的不同，可分为四大类：

a、薄片CFRP缆绳材料主要采用拉挤或层压成型工艺加工；b、条形环形CFRP缆绳由两个插针缠绕连续CFRP条带制成，条形环可分层或不分层；c、杆式CFRP缆绳通常采用拉挤成型工艺加工；d、钢绞线形CFRP电缆是通过将多根CFRP电缆缠绕成螺旋状制成的。使用的CFRP通常是通过缠绕工艺生产的。

四种常见的CFRP缆绳结构。

CFRP中的碳纤维体积约为60%，而全锁钢丝绳（Steelfull-lockedcoilrope）是一种常用的现代缆索结构。

全锁钢丝绳的结构强度明显低于其他形式的CFRP缆绳材料。虽然钢丝绳结构具有模量优势，但CFRP缆绳的优点也体现在其体密度仅为钢丝绳密度的1/5左右。

市场上销售的几种CFRP缆绳与钢索结构进行比较

除了高强度和低重量外，CFRP电缆材料还具有更好的耐腐蚀性、抗疲劳性和较低的热膨胀性。此外，由于碳纤维具有优异的抗蠕变性，CFRP电缆的应力松弛非常小，无需限制持续的拉伸应力。