三层同心圆的高性能纤维复合材料电缆芯棒及制造方法.pdf

本发明公开了三层同心圆的高性能纤维复合材料电缆芯棒及制造方法，该芯棒的内层为碳纤维复合材料，中间层为玻璃纤维复合材料，外层为芳纶纤维复合材料，三层构成同心圆结构。本发明还公开了该芯棒的制造方法：碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维在开放式胶槽中浸润液态树脂；浸胶的碳纤维首先形成碳纤维复合材料预成型芯棒；浸胶的玻璃纤维均匀包裹碳纤维复合材料预成型芯棒，形成两层同心圆结构的碳纤维/玻璃纤维复合材料预成型芯棒；浸胶的且经过在线超声处理的芳纶纤维均匀包裹碳纤维/玻璃纤维复合材料预成型芯棒，得到三层同心圆结构的碳纤维/玻璃纤维/芳纶纤维复合材料芯棒，使芯棒具有高强度、高韧性、高绝缘性、低密度、高拉伸模量的特点。

权利要求书1.  一种三层同心圆的高性能纤维复合材料电缆芯棒，其特征在于，所述芯棒为含有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维的树脂基复合材料芯棒，由位于内芯位置的碳纤维内层、包覆在碳纤维内层外侧的玻璃纤维中间层以及包覆在玻璃纤维中间层外侧的芳纶纤维外层构成，所述芯棒的横截面中，所述碳纤维内层、玻璃纤维中间层和芳纶纤维外层的外周为同心圆。2.  如权利要求1所述的纤维复合材料电缆芯棒，其特征在于，所述芯棒包括如下组分：碳纤维35-45份、玻璃纤维10-15份、芳纶纤维15-25份、树脂20-45份，以体积份数计。3.  如权利要求1所述的纤维复合材料电缆芯棒，其特征在于，所述树脂为热固性环氧树脂。4.  一种三层同心圆的高性能纤维复合材料电缆芯棒的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将碳纤维纱、玻璃纤维纱、芳纶纤维纱固定于纱架，并使纱束穿过导纱板，碳纤维位于纱架中部，玻璃纤维和芳纶纤维关于碳纤维左右对称、由内及外依次分布于碳纤维两侧；2)上述三种纤维进行烘干、浸胶处理；3)浸润树脂后的碳纤维穿过第一预固化模具，进行预固化成型，形成碳纤维复合材料预成型芯棒，并从第一圆形集纱板的中心通孔穿出；4)浸润树脂后的玻璃纤维依次穿过第一分纱板、第一圆形集纱板的小孔，然后包覆步骤3)得到的碳纤维复合材料预成型芯棒；再穿过第二预固化模具，进行预固化成型，形成两层同心圆结构的碳纤维/玻璃纤维复合材料预成型芯棒；5)浸润树脂后的芳纶纤维依次穿过第一分纱板、第二分纱板，进入在线超声处理装置进行超声改性；6)超声改性的芳纶纤维穿过第二圆形集纱板的小孔，包裹步骤4)得到的碳纤维/玻璃纤维复合材料预成型芯棒，然后进入固化模具进行高温固化，得到碳纤维/玻璃纤维/芳纶纤维同心圆结构的复合材料芯棒；7)步骤6)得到的复合材料芯棒在牵引机的拖曳作用下匀速通过牵引机，到达收卷机进行收卷，即得。5.  如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述的第一预固化模具的中心通孔直径为复合材料芯棒的内层直径的120％-140％，第一预固化模具的温度为70-90℃。6.  如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的第一分纱板对称分布在第一预固化 模具的左右两侧，玻璃纤维穿过第一分纱板的内侧通孔，芳纶纤维穿过第一分纱板的外侧通孔。7.  如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的第一圆形集纱板的中心孔位于第二预固化模具的前端，直径大于第一预固化模具的中心通孔直径；第一圆形集纱板的中心通孔周围设置有多排小孔且形成等间距的圆形阵列分布。8.  如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4)中，所述的第二预固化模具的中心通孔直径为复合材料芯棒的中间层的直径的110％-130％；第二预固化模具的温度为80-100℃。9.  如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤6)中，所述的固化模具具有多段加热区，优选的是三段加热区，从芯棒入口到出口温度逐渐增加，分别为130-140℃、150-160℃、190-200℃。10.  如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤7)中，所述的牵引机的牵引速度为0.30-0.35m/min。

说明书三层同心圆的高性能纤维复合材料电缆芯棒及制造方法
技术领域
本发明涉及架空电缆领域，具体涉及三层同心圆的高性能纤维复合材料电缆芯棒及制造方法。
背景技术
以碳纤维增强树脂基复合材料作为加强芯棒的导线(简称碳纤维复合芯导线)自2003年美国CTC公司研制成功以来，越来越多地应用于架空高压配电系统线路。碳纤维增强树脂基复合芯与传统钢芯相比，具有更高拉伸强度、更低密度、耐腐蚀不生锈的特点。因此碳纤维复合芯导线可以采用软铝作为载流体，具有更高的导电率，进而减少导线电阻损耗，同时复合芯几乎不导电，不存在传统的钢芯磁滞损耗和热效应。碳纤维复合芯导线还能降低架空电缆的弧垂，增加塔架距离。
但是现有的碳纤维复合芯导线制造技术存在的诸多问题制约了其推广应用。除了生产成本高、工艺复杂外，碳纤维模量高，硬度大，断裂伸长率低，其复合材料硬且脆，导致碳纤维复合芯棒的柔韧性低，线盘卷绕容易开裂或折断。此外，碳纤维具有一定的导电性，这对其作为高压架空电缆加强芯棒的主要组成材料来说是一种缺陷，应当尽量提高碳纤维复合芯棒的绝缘性。
有的在复合材料芯棒中引入玻璃纤维，让玻璃纤维复合材料作为复合材料芯棒的外部绝缘层，虽然提高了芯棒的绝缘性，但玻璃纤维的密度较高(比碳纤维高约50％)，增加了复合材料芯棒的重量，从而增加了架空电缆的弧垂度。而且这种两层同心圆结构的复合材料芯棒刚度高，韧性差，在线盘卷绕时容易开裂或折断。综上所述，单纯地在碳纤维复合芯棒上添加玻璃纤维绝缘层并非一种理想的解决方案。
因此，开发一种新型的复合材料芯棒，使其既保留碳纤维复合材料芯层的高强度和高模量，又具有高的外层结构绝缘性，还具有高的最外层结构的断裂延伸率和强度，同时降低复合材料芯棒的密度，具有重要的工程价值。
芳纶纤维的拉伸强度高于玻璃纤维，断裂伸长率高于碳纤维和玻璃纤维，因此芳纶纤维具有较高的韧性。同时，芳纶纤维的密度比碳纤维大约低20％、比玻璃纤维大约低45％，耐高温和绝缘性好。在架空电缆加强芯棒的最外层结构中引入芳纶纤维作为增强纤维，构造碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维三层同心圆结构的复合材料的架空电缆加强芯棒，可使架空电缆加强芯棒具有更高的强度、更大的韧性、更高的绝缘性、更低的密度、同时保持原有的高拉伸模量。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供一种高强度、高韧性、高绝缘性、低密度、高拉伸模量的三层同心圆结构的复合材料电缆芯棒以及这种芯棒的制造方法，用于加强架空电缆。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种三层同心圆的高性能纤维复合材料电缆芯棒，所述芯棒为含有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维的树脂基复合材料芯棒，由位于内芯位置的碳纤维内层、包覆在碳纤维内层外侧的玻璃纤维中间层，以及包覆在玻璃纤维中间层外侧的芳纶纤维外层构成，所述芯棒的横截面中，所述碳纤维内层、玻璃纤维中间层和芳纶纤维外层的外周为同心圆。
优选的是，所述芯棒包括如下组分：碳纤维35-45份、玻璃纤维10-15份、芳纶纤维15-25份、树脂20-45份，以体积份数计。
优选的是，所述树脂为热固性环氧树脂。
一种三层同心圆的高性能纤维复合材料电缆芯棒的制造方法，包括如下步骤：
1)将碳纤维纱、玻璃纤维纱、芳纶纤维纱固定于纱架，并使纱束穿过导纱板，碳纤维位于纱架中部，玻璃纤维和芳纶纤维关于碳纤维左右对称、由内及外依次分布于碳纤维两侧；
2)上述三种纤维进行烘干、浸胶处理；
3)浸润树脂后的碳纤维穿过第一预固化模具，进行预固化成型，形成碳纤维复合材料预成型芯棒，并从第一圆形集纱板的中心通孔穿出；
4)浸润树脂后的玻璃纤维依次穿过第一分纱板、第一圆形集纱板的小孔，然后包覆步骤3)得到的碳纤维复合材料预成型芯棒；再穿过第二预固化模具，进行预固化成型，形成两层同心圆结构的碳纤维/玻璃纤维复合材料预成型芯棒；
5)浸润树脂后的芳纶纤维依次穿过第一分纱板、第二分纱板，进入在线超声处理装置进行超声改性；
6)超声改性的芳纶纤维穿过第二圆形集纱板的小孔，包裹步骤4)得到的碳纤维/玻璃纤维复合材料预成型芯棒，然后进入固化模具进行高温固化，得到碳纤维/玻璃纤维/芳纶纤维同心圆结构的复合材料芯棒；
7)步骤6)得到的复合材料芯棒在牵引机的拖曳作用下匀速通过牵引机，到达收卷机进行收卷，即得。
优选的是，步骤3)中，所述的第一预固化模具的中心通孔直径为复合材料芯棒的内层直径的120％-140％，第一预固化模具的温度为70-90℃。
优选的是，所述的第一分纱板对称分布在第一预固化模具的左右两侧，玻璃纤维穿过 第一分纱板的内侧通孔，芳纶纤维穿过第一分纱板的外侧通孔。
优选的是，所述的第一圆形集纱板的中心孔位于第二预固化模具的前端，直径大于第一预固化模具的中心通孔直径；第一圆形集纱板的中心通孔周围设置有多排小孔且形成等间距的圆形阵列分布。
优选的是，步骤4)中，所述的第二预固化模具的中心通孔直径为复合材料芯棒的中间层的直径的110％-130％；第二预固化模具的温度为80-100℃。
优选的是，步骤6)中，所述的固化模具具有多段加热区，优选的是三段加热区，从芯棒入口到出口温度逐渐增加，分别为130-140℃、150-160℃、190-200℃。
优选的是，步骤7)中，所述的牵引机的牵引速度为0.30-0.35m/min。
所述复合材料电缆芯棒中的碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维先后与环氧树脂复合，形成三层同心圆结构的复合材料芯棒。其中，碳纤维复合材料层为复合芯棒的内层，主要利用碳纤维复合材料的高拉伸强度和高拉伸模量；玻璃纤维层包裹在碳纤维的外围，为复合芯棒的中间圆环层，主要利用玻璃纤维复合材料的高绝缘性和高拉伸模量；横截面为圆环状的芳纶纤维复合材料层构成复合芯棒的最外层，主要利用芳纶纤维的高韧性和高绝缘性，同时降低复合芯棒的密度。
优选的复合材料电缆芯棒所用的碳纤维为东丽T700系列碳纤维，玻璃纤维为ECR系列玻璃纤维，芳纶纤维为杜邦Kevlar-119系列纤维。
所述树脂为热固性环氧树脂、固化剂为酸酐类固化剂，同时添加脱模剂、促进剂等。
附图说明
图1：碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维三层同心圆结构的复合材料芯棒示意图。
图2：碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维三层同心圆结构的复合材料芯棒制造过程示意图。
其中，1纱架、1-1碳纤维纱、1-2玻璃纤维纱、1-3芳纶纤维纱、2导纱板、3干燥设备、4胶槽、5第一预固化模具、6第一分纱板、7第一圆形集纱板、8第二预固化模具、9第二分纱板、10在线超声处理装置、11第二圆形集纱板、12固化模具、13牵引机、14收卷机、15复合材料芯棒。
具体的实施方式
下面结合附图，说明具体操作步骤：
实施例1
1)、将碳纤维纱1-1、玻璃纤维纱1-2、芳纶纤维纱1-3固定于纱架1，并使纱束穿过导纱板2，保持碳纤维居中，玻璃纤维和芳纶纤维均左右对称、由内及外依次分布于碳纤维两侧，调节张力，防止纤维下垂、缠绕。
2)、上述三种纤维通过干燥设备3进行除湿处理，然后进入胶槽4浸润液态树脂。
3)、浸润树脂后的碳纤维首先穿过第一预固化模具5形成碳纤维复合材料预成型芯棒，玻璃纤维和芳纶纤维则穿过预固化模具5外的第一分纱板6。
4)、先后穿过第一分纱板6、第一圆形集纱板7的小孔的玻璃纤维纱束包裹已经穿过第一圆形集纱板7的中心通孔的碳纤维复合材料预成型芯棒，并一起进入第二预固化模具8，形成两层同心圆结构的碳纤维/玻璃纤维复合材料预成型芯棒。
5)、已经穿过第一分纱板6的芳纶纤维再穿过第二分纱板9，进入在线超声处理装置10进行超声改性。
6)、芳纶纤维离开在线超声处理装置10，穿过第二圆形集纱板11的小孔，包裹已经穿过了第二预固化模具8的碳纤维/玻璃纤维复合材料预成型芯棒，再进入固化模具12进行高温固化，得到碳纤维/玻璃纤维/芳纶纤维同心圆结构的复合材料芯棒15。
7)、固化成型后的复合材料芯棒15在牵引机13的拖曳作用下匀速通过牵引机13，到达收卷机14进行收卷。
以上所述生产车间保持恒温并控制湿度。
上述步骤2)所述的干燥设备3采用固体颗粒干燥剂，例如硅胶干燥剂或碱石灰干燥剂，并定期更换。
上述步骤2)所述的胶槽4为开放式胶槽，并配有树脂浸润工装，如压辊、导向器等。
上述步骤3)所述的第一预固化模具5的中心通孔直径依据复合材料芯棒的内层直径的120％-140％来确定，第一预固化模具5的温度设置为70-90℃。
上述步骤3)所述的第一分纱板6的通孔在第一预固化模具5的左右两侧对称分布，玻璃纤维穿过第一分纱板6的内侧通孔，芳纶纤维穿过第一分纱板6的外侧通孔。
上述步骤4)所述的第一圆形集纱板7的中心孔为较大尺寸的通孔(通孔直径稍大于第一预固化模具5的中心通孔直径，使得已经穿过第一预固化模具5的碳纤维复合材料预成型芯棒能穿过第一圆形集纱板7的中心通孔)。第一圆形集纱板7的中心通孔周围有多排小孔且形成等间距的圆形阵列分布，构成玻璃纤维纱束的通过路径，用来保证玻璃纤维均匀分布在碳纤维复合材料预成型芯棒的外围，并且完全包裹碳纤维复合材料预成型芯棒，提高复合材料芯棒的绝缘性。所述第一圆形集纱板7位于第二预固化模具8的前端。
上述步骤4)所述的第二预固化模具8的中心通孔直径依据复合材料芯棒的中间层的直径的110％-130％来确定。第二预固化模具8的温度为80-100℃，等于或略大于第一预固化模具5的温度。
上述步骤5)所述的在线超声处理装置10有两台，因为芳纶纤维呈左右对称地分布在碳 纤维和玻璃纤维的外侧。在线超声处理是为了提高树脂与芳纶纤维的界面结合强度。
上述步骤5)所述的第二分纱板9与第一分纱板6的结构类似，仅是作为芳纶纤维的通道。
上述步骤6)所述的第二圆形集纱板11与第一圆形集纱板7的结构相似，均为在中心大通孔的周围有多排小孔且形成等间距的圆形阵列分布，但是第二圆形集纱板11的中心通孔直径比第一圆形集纱板7的中心通孔直径大。
上述步骤6)所述的穿过第二圆形集纱板11的芳纶纤维均匀包裹已经穿过第二预固化模具8的碳纤维/玻璃纤维复合材料预成型芯棒。
上述步骤3)、4)、5)、6)所述的第一分纱板6、第二分纱板9、第一圆形集纱板7和第二圆形集纱板11为不锈钢或者聚四氟乙烯材料结构件。
上述步骤6)所述的固化模具12具有多段加热区，优选的是三段加热区，从芯棒入口到出口温度逐渐增加，分别为130-140℃、150-160℃、190-200℃。
上述步骤7)所述的牵引机13为履带式牵引机，拖曳力保持稳定，牵引速度也稳定，牵引速度为0.30-0.35m/min为宜。
上述步骤7)所述的收卷速度与牵引速度同步。
以上步骤所述的三种纤维经过的所有通孔都具有圆倒角并抛光。该复合材料芯棒的成型工艺属于拉挤成型工艺。
实施例2
一种三层同心圆的高性能纤维复合材料电缆芯棒，所述芯棒为含有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维的环氧树脂基复合材料芯棒，由位于内芯位置的碳纤维内层、包覆在碳纤维内层外侧的玻璃纤维中间层，以及包覆在玻璃纤维中间层外侧的芳纶纤维外层构成，所述芯棒的横截面中，所述碳纤维内层、玻璃纤维中间层和芳纶纤维外层的外周为同心圆。所述芯棒包括如下组分：碳纤维35份、玻璃纤维10份、芳纶纤维15份、树脂20份，以体积份数计。采用实施例1所述方法制造。
实施例3
一种三层同心圆的高性能纤维复合材料电缆芯棒，所述芯棒为含有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维的环氧树脂基复合材料芯棒，由位于内芯位置的碳纤维内层、包覆在碳纤维内层外侧的玻璃纤维中间层，以及包覆在玻璃纤维中间层外侧的芳纶纤维外层构成，所述芯棒的横截面中，所述碳纤维内层、玻璃纤维中间层和芳纶纤维外层的外周为同心圆。所述芯棒包括如下组分：碳纤维45份、玻璃纤维15份、芳纶纤维25份、树脂45份，以体积份数计。采用实施例1所述方法制造。
实施例4
一种三层同心圆的高性能纤维复合材料电缆芯棒，所述芯棒为含有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维的环氧树脂基复合材料芯棒，由位于内芯位置的碳纤维内层、包覆在碳纤维内层外侧的玻璃纤维中间层，以及包覆在玻璃纤维中间层外侧的芳纶纤维外层构成，所述芯棒的横截面中，所述碳纤维内层、玻璃纤维中间层和芳纶纤维外层的外周为同心圆。所述芯棒包括如下组分：碳纤维40份、玻璃纤维12份、芳纶纤维20份、树脂35份，以体积份数计。采用实施例1所述方法制造。
性能测试表明：本发明的三层同心圆结构的复合材料芯棒的拉伸强度在2200-2800MPa之间。通过调节三种纤维的体积分数，可满足国标GB/T 29324-2012《架空导线用纤维增强树脂基复合材料芯棒》的1级(不小于2100MPa)和2级(不小于2400MPa)的拉伸强度要求。本发明的三层同心圆结构的复合材料芯棒的拉伸模量在115-130GPa之间。通过调节三种纤维的体积分数，可满足国标GB/T 29324-2012《架空导线用纤维增强树脂基复合材料芯棒》的1级(不小于110GPa)和2级(不小于120GPa)弹性模量要求。本发明的三层同心圆结构的复合材料芯棒的密度1.60-1.70g/cm3，明显小于传统的碳纤维/玻璃纤维增强树脂基复合材料电缆芯棒的密度(1.85-2.00g/cm3)，从而显示出本发明的轻量化特点以及相应的高比强度、高比模量的明显优势。
本发明的三层同心圆结构的复合材料芯棒的高韧性特点突出，比传统的碳纤维/玻璃纤维增强树脂基复合材料电缆芯棒的卷绕能力和扭转能力各提高20％-25％。
本发明的三层同心圆结构的复合材料芯棒的体积电阻率大于1012Ω·m，与传统的碳纤维/玻璃纤维增强树脂基复合材料电缆芯棒的电绝缘性相当，能满足复合材料电缆芯棒的电绝缘性要求。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。