高压输电线路地线直线接续管是输电线路的重要零件之一，用于导线间接续、导线与避雷针接续。但现有金属接续管低温韧性差[1]，存在低温失效问题，降低了接续管的耐候性能[2-3]，使输电系统存在安全隐患。利用高分子材料对金属接续管进行包覆可以有效解决现有金属接续管存在的问题。聚酰亚胺(PI)具有较好的低温力学性能和介电性能[4-8]，并且质轻、耐腐蚀。短切聚丙烯腈基碳纤维(PANCF)具有较高的拉伸模量，与塑料基材能够良好地黏附[9-12]，并在塑料基体中形成连接点，减少基体分子链滑移，以提高材料力学性能[13-15]。宋波等[16]研究表明：碳纤维能够提高聚氯乙烯(PVC)拉伸强度、弯曲模量和维卡软化点，使PVC导热系数提高约50%。Li等[17]研究表明：碳纤维浮于复合材料表面时，还在一定程度上提高复合材料摩擦系数，略微改善摩擦性能。为提升接续管的耐候性能，本实验以PANCF为增强纤维，制备PI/PANCF复合材料。将复合材料用于接续管包覆材料，研究了PANCF含量对PI/PANCF复合材料常温、低温力学性能、表面摩擦度、耐腐蚀性的影响。1实验部分1.1主要原料聚酰亚胺(PI)，JCN3030，日本三井化学株式会社；短切聚丙烯腈基碳纤维(PANCF)，纤维长度为3 mm，江苏创宇碳纤维科技有限公司；全氟己基聚醚表面活性剂，281，上海福田化工科技有限公司。1.2仪器与设备双螺杆挤出机，36，江苏共创机械科技有限公司；注塑成型机，XZL-2500，宁波华城橡塑机械有限公司；摩擦系数仪，MXD-02，Labthink兰光国际；动态机械分析仪(DMA)，DMA1，瑞士梅特勒公司；微机控制电子万能试验机，WDW-100E，济南时代试金试验机有限公司；冲击试验箱，LRHS-101B-LV，上海林频仪器股份有限公司。1.3样品制备1.3.1PANCF预分散和表面改性将PANCF装入圆底烧瓶中，加入去离子水，滴加表面活性剂281，充分振荡后超声处理10 min进行预分散，将分散好的PANCF倒入布氏漏斗上抽滤，并利用去离子水洗涤数次，洗去表面活性剂，得到预分散PANCF，将其倒入圆底烧瓶，加入比例为1∶1的30%硝酸和90%浓硫酸的混合溶液，在50 ℃下处理1 h，制得硝化改性PANCF，记作mPANCF。1.3.2复合材料制备表1为PI/PANCF和PI/mPANCF复合材料配方。将各原料按表1配方混合，装入双螺杆挤出机中挤出造粒，挤出温度为：前区330 ℃，后区及机头350 ℃。经水冷、风干、切粒后得到PI/PANCF和PI/mPANCF复合材料，注射成厚度为4 mm的片材，切割成各种样条。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.016.T001表1PI/PANCF和PI/mPANCF复合材料配方Tab.1Formula of PI/PANCF and PI/mPANCF composites编号样品PIPANCFmPANCF1PI100.0002PI/2.5%PANCF97.52.503PI/5.0%PANCF95.05.004PI/7.5%PANCF92.57.505PI/10.0%PANCF90.010.006PI/12.5%PANCF87.512.507PI/2.5%mPANCF97.502.58PI/5.0%mPANCF95.005.09PI/7.5%mPANCF92.507.510PI/10.0%mPANCF90.0010.011PI/12.5%mPANCF87.5012.5%%1.4性能测试与表征摩擦系数：采用摩擦系数仪测试。力学性能测试：弯曲性能按GB/T 9341—2008进行测试，弯曲速率为2 mm/min；冲击性能按GB/T 1843—2008进行测试，悬臂梁为5.5 J；拉伸性能按GB/T 1040.2—2022进行测试，拉伸速率为50 mm/min。将样条在-50 ℃保温箱中冷冻处理5 h后取出，测试弯曲性能、冲击性能和拉伸性能，低温力学性能测试标准与常温测试相同。DMA测试：测试范围-60~90 ℃，升温速率为5 ℃/min，振动频率为20 Hz。加速腐蚀性能测试：将拉伸样条浸入60%浓硫酸中2 h加速腐蚀，浸泡后测试拉伸性能，按GB/T 1040.2—2022进行测试。2结果和讨论2.1摩擦系数分析PI的摩擦系数较低，需要更高的夹固力才能防止导线滑脱[18-19]，通过与PANCF共混改性以提高复合材料的摩擦系数。图1为PANCF和mPANCF含量对复合材料摩擦系数的影响。从图1可以看出，随着PANCF和mPANCF含量的增加，复合材料的摩擦系数逐渐提高。PANCF和mPANCF含量在0~5.0%时，复合材料的摩擦系数均从0.15升至0.21左右；而PANCF和mPANCF含量为5.0%~7.5%时，复合材料的摩擦系数迅速提高；PANCF和mPANCF含量在7.5%~12.5%时，复合材料的摩擦系数分别为0.54~0.58和0.61~0.62。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.016.F001图1PANCF和mPANCF含量对复合材料摩擦系数的影响Fig.1Effect of PANCF and mPANCF content on the friction coefficient of composites因为PANCF的加入量较低，复合材料表面由PI覆盖。当PANCF含量≥7.5%，PANCF逐渐露出，浮于复合材料表面。mPANCF表面负载更多—OH，由于—OH与极性官能团的相互吸引，提高了复合材料的摩擦系数。2.2力学性能分析图2为PANCF和mPANCF含量对PI复合材料常温、低温力学性能的影响。从图2a可以看出，随着PANCF和mPANCF含量的增加，复合材料的拉伸强度逐渐增强。常温下，PI/12.5%PANCF的拉伸强度提升至294.1 MPa，PI/12.5%mPANCF的拉伸强度提升至300.6 MPa；低温下，PI/12.5%PANCF的拉伸强度提升至266.7 MPa，PI/12.5%mPANCF的拉伸强度提升至287.6 MPa。PANCF的表面改性对常温下复合材料的拉伸性能贡献不大，而明显提升复合材料低温拉伸性能，并且PANCF低含量下提升效果更突出。从图2b可以看出，PI复合材料在低温、常温下弯曲强度随PANCF和mPANCF含量的增加明显提高。常温下，PI/12.5%PANCF的弯曲强度提升至294.1 MPa；PI/12.5%mPANCF的弯曲强度提升至284.9 MPa。低温下，PI/12.5%PANCF的弯曲强度升至286.2 MPa；PI/12.5%mPANCF的弯曲强度升至284.1 MPa。复合材料低温下弯曲强度略低于常温下的弯曲强度，但总体差别不大。PANCF的表面改性处理对复合材料的弯曲强度的提升有略微贡献。PANCF对PI起较大的补强作用，PANCF对复合材料的低温性能补强效果更好；添加PANCF后，复合材料的低温强度能够更加接近于常温时的强度。图2PANCF和mPANCF含量对复合材料常温、低温力学性能的影响Fig.2Effect of PANCF and mPANCF content on the mechanical properties of composites at room temperature and low temperature10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.016.F2a1(a)拉伸强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.016.F2a2(b)弯曲强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.016.F2a3(c)冲击强度从图2c可以看出，PANCF和mPANCF含量的增加能够提高PI复合材料的低温、常温的冲击强度。常温下，PI/12.5%PANCF的冲击强度从纯PI的69.0 kJ/m2增加至134.6 kJ/m2；mPANCF含量为10%时，复合材料的冲击强度达到最大值为141.1 kJ/m2，mPANCF含量提高至12.5%时，冲击强度降至131.7 kJ/m2。低温下，PI/12.5%PANCF和PI/12.5%mPANCF的冲击强度从纯PI的32.1 kJ/m2分别增加至87.7 kJ/m2和91.9 kJ/m2。因为PANCF具有较高的强度，能够吸收大量冲击力，提高基体的韧性，从而使复合材料能够在低温环境下保持较高的韧性[20-24]。PANCF和mPANCF均能够有效改善复合材料的力学性能，mPANCF的加入使复合材料的低温力学性能提升较常温力学性能提升更明显。低mPANCF含量下，复合材料的低温性能提升更明显。mPANCF含量超过10.0%后，复合材料冲击强度略微下降。2.3DMA分析考虑mPANCF在12.5%含量下复合材料冲击强度略微降低及其他力学性能提升不大，因此分析mPANCF与PANCF含量分别为5.0%、10.0%条件下PI复合材料的弹性模量，图3为测试结果。从图3可以看出，在测试范围内PI的弹性模量随着温度的升高而略微降低，当加入5.0%PANCF后，复合材料的弹性模量基本不变；加入10.0%PANCF，复合材料的弹性模量得到略微增加。原因是PANCF能够在PI基体内形成硬性接触点，提高PI/PANCF复合材料的硬度；PANCF的高弹性模量也同样对材料起补强作用[25-26]。而mPANCF能够明显提高复合材料弹性模量，原因可能是—OH能够赋予复合材料相界面间更多接触点，可以将形变传导至mPANCF结构中；经浓硝酸-浓硫酸处理后，mPANCF表面更加粗糙，与PI基体产生啮合结构，有利于传导应力。说明PANCF和mPANCF的加入能够减少长期夹固过程中的夹固力损失。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.016.F003图3PI/PANCF与PI/mPANCF的DMA曲线Fig.3DMA curves of PI/PANCF and PI/mPANCF2.4耐腐蚀性能分析图4为接续管加速腐蚀前后的拉伸强度。从图4可以看出，经浓硫酸加速腐蚀后，样条的拉伸强度均略微下降。纯PI腐蚀后拉伸强度下降了3.9 MPa。随着mPANCF含量的增加，复合材料拉伸强度降幅逐渐减小。mPANCF含量为12.5%时，复合材料的拉伸强度降低了2.9 MPa。研究表明，PI材料耐腐蚀性能良好，随着mPANCF含量的提高，复合材料耐腐蚀性能得到进一步优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.016.F004图4加速腐蚀前后接续管的拉伸强度Fig.4Tensile strength of connecting pipe before and after accelerated corrosion3结论（1）PANCF改性对复合材料低温力学性能提升较常温力学性能提升更明显，PI/12.5%mPANCF的常温拉伸强度提高至300.6 MPa，低温拉伸强度提高至287.6 MPa；常温弯曲强度提高至284.9 MPa，低温弯曲强度提高至284.1 MPa。常温冲击强度随mPANCF含量的增加而先提高后降低，从纯PI的69.0 kJ/m2升至PI/10.0%mPANCF的141.1 kJ/m2，后降至PI/12.5%mPANCF的131.7 kJ/m2；低温冲击从纯PI的32.1 kJ/m2升至PI/12.5%mPANCF的91.9 kJ/m2。（2）PI/mPANCF复合材料加速腐蚀后性能变化不大，具有良好耐腐蚀性能，能够应对空气中酸性物质的腐蚀。