引言:电缆作为现代电力和通信系统中不可或缺的基础设施，其屏蔽层的设计与材料选择对系统性能至关重要。传统屏蔽材料如铝箔和铜箔已经被广泛应用，但随着技术进步和应用需求的提升，新型材料如石墨烯的引入为电缆屏蔽技术带来了新的可能性。本文旨在探讨电缆屏蔽工序的概述及石墨烯在其中的具体应用案例，分析石墨烯在提升屏蔽性能方面的优势与挑战，并深入讨论其在高压电力电缆中的优化潜力和环境适应性。
一、电缆屏蔽工序与石墨烯材料的应用
（一）电缆屏蔽工序概述
1．屏蔽材料的准备：屏蔽材料的选择是屏蔽工序的基石，通常包括铝箔、铜箔、镀锡铜线网及编织金属丝等传统材料，近年来更引入了诸如石墨烯等先进材料。传统材料因其经济性和成熟工艺而广泛应用，如铝箔和铜箔提供基本的电磁屏蔽，而镀锡铜线网和编织金属丝则通过其灵活性和强度增强屏蔽效果。对于石墨烯等新型材料，需经过特殊处理以优化其分散性和与电缆其他组件的相容性。准备阶段还包括材料的裁剪、清洁及必要的化学或物理改性，确保材料性能满足后续加工需求。
2．电缆制造中的屏蔽层加工：在电缆制造流程中，屏蔽层的加工是一个精细步骤。首先，根据电缆设计，将屏蔽材料紧密包裹在导体或绝缘层周围。对于内屏蔽层，通常会在导体表面直接涂覆一层半导电材料，以消除电位差并预防局部放电。外屏蔽层则可能采用金属编织或箔片绕包，结合接地导体形成完整的屏蔽系统。石墨烯的应用尤为创新，可通过涂布技术将石墨烯膜或含有石墨烯的复合材料均匀覆盖于电缆部件上，利用其卓越的导电性和轻量化特性，增强屏蔽效率同时减轻电缆重量[1]。
（二）石墨烯在屏蔽层中的应用实例
1．石墨烯在屏蔽层中应用的挑战：石墨烯作为一种前沿材料，在屏蔽层应用中展现出巨大潜力，但同时也面临着若干挑战。首要挑战在于成本控制与规模化生产。高质量石墨烯的制备工艺复杂，成本高昂，限制了其广泛应用。其次，石墨烯的层间相互作用可能导致性能不均一，尤其是在多层石墨烯结构中，界面缺陷和层间耦合效应可能削弱其电磁屏蔽效能。例如，北京航空航天大学衡利苹团队虽然成功研发出S-rGO/LM复合材料用于电磁屏蔽，但其商业化前仍需解决成本与批量生产的经济性问题。最后，长期稳定性和环境适应性测试也是确保石墨烯屏蔽材料可靠性的关键挑战。
2．石墨烯对电缆屏蔽性能的提升：石墨烯的应用显著提升了电缆屏蔽层的性能，解决了传统材料的局限性。例如，常州中超石墨烯电力科技有限公司开发的35KV及以下交联电缆，采用了石墨烯复合半导电屏蔽料，不仅减少了炭黑用量近一半，还使电阻率大幅度降低，热稳定性远超国际标准。石墨烯的加入优化了电缆的导电性和热管理能力，其优异的导电性和薄层结构能更有效地反射和吸收电磁波，提供卓越的电磁干扰(EMI)防护[2]。
二、石墨烯在高压电力电缆中的优化分析
（一）石墨烯含量与电缆屏蔽性能的关系
1．石墨烯的最佳添加量：确定石墨烯的最佳添加量是一个细致的平衡过程。例如，在电缆制造实践中，科研团队通过大量试验发现，0.3%至0.7%的石墨烯添加比例能最大化电缆屏蔽层的综合性能。在这个范围内，石墨烯不仅能够形成连续的导电网络，提高电磁波的吸收和反射能力，同时还能保持材料的机械稳定性和加工性，避免成本的过度增加。具体到某一款高速数据传输电缆，通过优化至0.5%的石墨烯添加量，不仅实现了对高频电磁干扰的有效屏蔽，还保证了电缆的柔软度和耐用性，满足了市场对高性能低损耗电缆的需求。
2．屏蔽材料的电性能分析：对含有石墨烯的电缆屏蔽材料进行电性能分析时，需关注几个关键指标，如表面电阻率、透射损耗和反射损耗。以一款石墨烯增强型电缆为例，其表面电阻率显著低于传统电缆屏蔽层，仅为0.1Ω/sq，这意味着电流在材料表面的流动更为顺畅，有效降低了信号衰减。透射损耗测试显示，该电缆能在宽频范围内有效吸收外部电磁波，特别是在1GHz至10GHz的高频段，透射损耗提高了5dB以上，这对于现代通信系统中的高频信号传输至关重要[3]。
（二）环境温度和长期运行对屏蔽性能的影响
1．温度对材料性能的影响：石墨烯作为一种先进纳米材料，其导电性和机械强度等特性对环境温度极为敏感。例如，在高温环境下，石墨烯的电子迁移率会有所提升，这有利于提高电力电缆的电导率和减少能量损耗。然而，极端高温也可能导致石墨烯结构发生轻微变化，影响其长期稳定性和耐热性。具体实例中，若在沙漠地区部署的高压电力电缆采用石墨烯增强复合材料作为屏蔽层，夏季地表温度可达60°C以上，此时需通过实验模拟验证石墨烯层在高温下的导电稳定性和材料结构的完整性，确保其能有效抵御热膨胀导致的微裂缝形成，从而维持电缆的高效安全运行。
2．长周期运行对屏蔽效果的评估：长期运行对电力电缆屏蔽性能的考验主要体现在材料老化与性能衰退上。以海底高压电力电缆为例，这类电缆需要承受高压、高盐分及水下复杂环境的长期侵蚀。引入石墨烯作为屏蔽材料，预期能显著提高其耐腐蚀性和机械强度，但需通过实际运行数据和定期检测来验证。例如，一项为期十年的监测项目显示，石墨烯增强电缆的屏蔽层在持续高压和海水浸泡条件下，相比传统材料电缆，其屏蔽效率下降幅度明显减小，且未发现明显的材料腐蚀或机械损伤迹象。这归功于石墨烯层优异的化学稳定性与自我修复能力，有效抑制了长期运行中常见的绝缘性能下降问题，保障了电力传输的安全与高效。
（三）石墨烯改性材料对电缆导电性能的提升
1．石墨烯掺杂量与导电性能的关联性分析
石墨烯作为二维碳材料的杰出代表，以其卓越的电导率和机械强度，在改性材料领域展现出巨大潜力。特别是在电缆行业，通过精确控制石墨烯的掺杂量，可以显著提升电缆的导电性能。研究发现，石墨烯的掺入量与电缆导电性能之间存在明显的正相关关系，但并非线性增加。例如，在一项实验中，科研人员将0%、1%、3%、5%不同浓度的石墨烯纳米片掺入到聚乙烯绝缘材料中，随着石墨烯含量从0%增加到1%，电缆的导电率提高了近30%，继续增加至3%时，导电率提升至初始值的两倍以上。然而，当掺杂量超过最佳比例（本例中约为3%），导电性能的提升趋于饱和，甚至因石墨烯团聚而略有下降，这表明存在一个最优掺杂点。
2．不同石墨烯结构对电缆载流能力的优化效果
石墨烯不仅掺杂量影响着电缆性能，其结构形态同样对电缆的载流能力有着显著的优化作用。石墨烯可根据制备方法的不同展现出单层、少层或多层等结构差异，这些结构变化直接影响其在复合材料中的分散均匀性和导电网络的形成。以一种实际应用为例，研究人员对比了单层石墨烯与多层石墨烯对高压电缆导电性能的影响。单层石墨烯因其完美的二维结构，能更有效地形成连续的导电路径，使得电缆在高电压下的电流传输更为稳定，载流能力较未改性电缆提升了约40%。而多层石墨烯虽然导电连续性略逊，但由于层间相互作用力，能形成更加稳固的结构支撑，有利于提高电缆的机械强度和耐久性，尤其是在复杂环境下，电缆的长期载流稳定性和寿命得到了显著提升
结语：石墨烯作为新型材料在电缆屏蔽技术中展现出了明显的优势和潜力。通过本文的分析可以看出，石墨烯不仅显著提升了电缆的屏蔽性能，还在提高电缆的机械稳定性和环境适应性方面表现出色。然而，要实现其在大规模应用中的商业化，仍需克服成本控制、生产规模化和长期稳定性等方面的挑战。未来，随着石墨烯制备技术的进步和应用经验的积累，相信石墨烯将在电力电缆行业中发挥更为重要的作用，为电力和通信系统的可靠运行提供持久支持。
参考文献：
[1] 张晓红, 陈志军. 石墨烯在电缆屏蔽材料中的应用研究[J]. 新材料产业, 2023, (5): 45-48.
[2] 赵云龙, 刘晓丽. 石墨烯在电磁屏蔽材料中的应用及研究进展[J]. 材料科学与工程学报, 2023, (2): 89-94.
[3] 陈志军, 王晓丽. 石墨烯增强高压电力电缆屏蔽性能的研究[J]. 电力科学与技术, 2023, (1): 34-39.
作者简介：葛磊磊，性别：男，出生年月：1981年5月13日，籍贯：河南省焦作市博爱县许良镇唐装村北街1号，学历：本科，研究方向：电缆技术，工艺，职称：中级工程师，