一种改善性能的架空导线用纤维复合芯棒及其制备方法 技术领域
本发明涉及一种电力传输用架空导线的纤维复合芯棒， 尤其涉及一种制 造成本低、 具有较高的性价比、 具有优异的机械、 热及热老化、 蠕变性能的复合芯棒及其制 备方法。
背景技术
架空导线又称为扩容导线。 现有的架空导线是碳纤维复合芯架空导线， 其 结构为 ： 中心是碳纤维复合芯棒， 外围是与碳纤维复合芯棒同心绞合的梯形软铝型线。
碳纤维复合芯棒的横截面为圆形， 纵向是均匀的圆棒结构。碳纤维复合芯棒分成 二层结构的碳纤维复合芯棒和三层结构的碳纤维复合芯棒。
架空导线又称为扩容导线。 现有的架空导线是碳纤维复合芯架空导线， 其 结构为 ： 中心是碳纤维复合芯棒， 外围是与碳纤维复合芯棒同心绞合的梯形软铝型线。
碳纤维复合芯棒的横截面为圆形， 纵向是均匀的圆棒结构。碳纤维复合芯棒分成 二层结构的碳纤维复合芯棒和三层结构的碳纤维复合芯棒。
所述二层结构的碳纤维复合芯棒， 其内层是碳纤维复合部分， 外层是玻璃纤维复 合绝缘部分。
所述三层结构的碳纤维复合芯棒， 其内层是玻璃纤维复合部分， 中间层是碳纤维 复合部分， 外层是玻璃纤维复合绝缘部分。
无论二层结构还是三层结构的碳纤维复合芯棒， 其外层的玻璃纤维复合绝缘部分 在一定的机械性能情况下， 能够降低产品的成本， 还能起到绝缘层的作用， 以避免架空导线 在碳纤维复合芯棒中产生电力损耗。
所述三层结构的碳纤维复合芯棒的内层是玻璃纤维复合部分， 是为了降低产品的 材料成本而设计的。
碳纤维复合芯架空导线， 采用高性能碳纤维复合材料作为导线芯棒， 具有强度高、 重量轻、 膨胀系数小、 耐腐蚀和耐高温等特点。 这种碳纤维复合芯架空导线， 关键技术 在于碳纤维复合芯棒， 现有的产品问题在于碳纤维材料成本高昂， 原材料来源受到一定程 度的限制， 限制了架空导线的推广应用。
碳纤维生产主要的技术含量在于原丝技术， 虽然国内一些企业能制造出 （或接近） T300 级和 T700 级的碳纤维产品， 但是质量并不稳定， 这说明原丝问题没有得到彻底解决。 比如生产现在较普遍使用的聚丙烯晴基 （PAN） 原丝生产工业级碳纤维， 并不是简单地将温 度烧高， 就能做出质量稳定的碳纤维， 比如聚丙烯晴基 （PAN） 做出的腈纶结构是不定性的， 方向很乱， 这是碳纤维行业最大的问题。 制造上需要在适当的温度， 给予纤维恰当的力学处 理。碳纤维制造的重要部分在原丝技术上， 但是目前国内行业在该技术的储备和应用能力 上是极其欠缺的。不仅需要政策的扶持， 资金的投入， 还需要大型化纤企业的介入， 才能将 碳纤维技术的成本降下来。
拉挤成型是制造高性能、 低成本连续复合材料的一种重要方法， 拉挤成型工艺要 求基体树脂应具有反应速度快、 粘度低、 适用期长等特点， 常用的快速拉挤用树脂主要是自 由基固化型的不饱和聚酯树脂。此类树脂的拉挤工艺性能优良， 但存在耐热性能较低的缺 点。 虽然部分树脂具有较好的耐热性能， 但固化物的玻璃化转变温度 Tg 一般不高于 180℃， 而对于高性能碳纤维复合材料往往存在界面性能较差， 带来拉伸强度和韧性差的问题。通
过对通用型环氧树脂进行改性虽然可以获得较高的耐热性能， 但难以适用于规模化生产。
综上所述， 现有的碳纤维复合芯棒存在的问题在于碳纤维成本高昂， 材料来源不 很广泛， 其耐热性能低， 复合材料的界面性能较差， 影响到复合芯棒的温度和机械性能。 发明内容
本发明要解决的技术问题在于 ： 克服现有的碳纤维复合芯棒成本高昂、 材 料来源不广泛、 耐热性能低、 复合材料界面差的缺陷， 提供一种制造成本低、 具有较高的性 价比、 具有优异的机械、 热及热老化、 蠕变性能的复合芯棒及其制备方法。
为了解决上述技术问题， 本发明所采用的第一个技术方案是 ： 一种改善性能的架 空导线用纤维复合芯棒， 其包括连续玄武岩纤维无捻粗纱以及通过均匀浸渍而形成在该连 续玄武岩纤维无捻粗纱周围的环氧树脂部分 ； 所述复合芯棒由如下步骤制备而成 ： 步骤 1 ： 用偶联剂将纳米 SiO2 进行表面处理 ； 步骤 2 ： 用步骤 1 处理后的纳米 SiO2 制备纳米 SiO2 浸 润液， 并用纳米 SiO2 浸润液对连续玄武岩纤维无捻粗纱进行表面粗化及亲油性改造， 在 处理过程中以超声波装置进行处理 ； 步骤 3 ： 用偶联剂将碳酸钙晶须和四角氧化锌晶须进 行表面处理 ； 步骤 4 ： 用步骤 3 处理后的碳酸钙晶须和四角氧化锌晶须制备环氧树脂浸渍 溶液， 将步骤 2 处理后的连续玄武岩纤维无捻粗纱送入该环氧树脂浸渍溶液中充分浸渍， 在该连续玄武岩纤维无捻粗纱周围形成环氧树脂结构， 在处理过程中以超声波装置进行处 理； 步骤 5 ： 将步骤 4 得到的该连续玄武岩纤维无捻粗纱经过拉挤工艺， 最后得到所述复合 芯棒。
对上述第一个技术方案的进一步限定在于 ： 步骤 1 中， 选取 70nm-120nm 的纳米 SiO2， 采用硅烷偶联剂和甲基丙烯酸丁酯对纳米粒子进行表面处理， 提高了纳米粒子的亲 油性， 降低了亲水性， 消除了与有机相分离的现象。
对上述第一个技术方案的进一步限定在于 ： 步骤 2 中所述的纳米 SiO2 浸润液的制 备过程是 ： 按质量浓度， 纳米 SiO2 为 1%， 成膜剂为 25%， 偶联剂为 5%， 润滑剂为 35%， 抗静电 剂为 34%， 以超声波装置进行处理。
对上述第一个技术方案的进一步限定在于 ： 步骤 3 中， 使用异丙基三 ( 异硬脂酰 基 ) 钛酸酯偶联剂对碳酸钙晶须进行表面预处理 ； 将四角氧化锌晶须进行表面预处理的方 法是 ： 将一定量的硅烷偶联剂加入水 - 丙酮溶液中， 用盐酸调节 PH 值至酸性， 进行水解， 然 后将一定量的四角氧化锌晶须加入其中， 在恒温水浴中搅拌 30~60min， 减压过滤， 用去离子 水洗涤至无氯粒子， 经过干燥后在 150℃下活化 8h 待用。
对上述第一个技术方案的进一步限定在于 ： 步骤 4 中制备环氧树脂浸渍溶液， 其 制备过程如下 ： 事先以 5%~6% 质量比例的碳酸钙晶须和 2%~3% 的氧化锌晶须加入环氧树脂 中， 在 20℃ ±2℃以电磁搅拌器搅拌 30 分钟。
本发明要解决的技术问题在于 ： 克服现有的碳纤维复合芯棒成本高昂、 材 料来源不广泛、 耐热性能低、 复合材料界面差的缺陷， 提供一种制造成本低、 具有较高的性 价比、 具有优异的机械、 热及热老化、 蠕变性能的复合芯棒及其制备方法。
为了解决上述技术问题， 本发明所采用的第一个技术方案是 ： 一种改善性能的架 空导线用纤维复合芯棒， 其包括连续玄武岩纤维无捻粗纱以及通过均匀浸渍而形成在该连 续玄武岩纤维无捻粗纱周围的环氧树脂部分 ； 所述复合芯棒由如下步骤制备而成 ： 步骤 1 ： 用偶联剂将纳米 SiO2 进行表面处理 ； 步骤 2 ： 用步骤 1 处理后的纳米 SiO2 制备纳米 SiO2 浸 润液， 并用纳米 SiO2 浸润液对连续玄武岩纤维无捻粗纱进行表面粗化及亲油性改造， 在 处理过程中以超声波装置进行处理 ； 步骤 3 ： 用偶联剂将碳酸钙晶须和四角氧化锌晶须进 行表面处理 ； 步骤 4 ： 用步骤 3 处理后的碳酸钙晶须和四角氧化锌晶须制备环氧树脂浸渍 溶液， 将步骤 2 处理后的连续玄武岩纤维无捻粗纱送入该环氧树脂浸渍溶液中充分浸渍， 在该连续玄武岩纤维无捻粗纱周围形成环氧树脂结构， 在处理过程中以超声波装置进行处 理； 步骤 5 ： 将步骤 4 得到的该连续玄武岩纤维无捻粗纱经过拉挤工艺， 最后得到所述复合 芯棒。
对上述第一个技术方案的进一步限定在于 ： 步骤 1 中， 选取 70nm-120nm 的纳米 SiO2， 采用硅烷偶联剂和甲基丙烯酸丁酯对纳米粒子进行表面处理， 提高了纳米粒子的亲 油性， 降低了亲水性， 消除了与有机相分离的现象。
对上述第一个技术方案的进一步限定在于 ： 步骤 2 中所述的纳米 SiO2 浸润液的制 备过程是 ： 按质量浓度， 纳米 SiO2 为 1%， 成膜剂为 25%， 偶联剂为 5%， 润滑剂为 35%， 抗静电 剂为 34%， 以超声波装置进行处理。
对上述第一个技术方案的进一步限定在于 ： 步骤 3 中， 使用异丙基三 ( 异硬脂酰 基 ) 钛酸酯偶联剂对碳酸钙晶须进行表面预处理 ； 将四角氧化锌晶须进行表面预处理的方 法是 ： 将一定量的硅烷偶联剂加入水 - 丙酮溶液中， 用盐酸调节 PH 值至酸性， 进行水解， 然 后将一定量的四角氧化锌晶须加入其中， 在恒温水浴中搅拌 30~60min， 减压过滤， 用去离子 水洗涤至无氯粒子， 经过干燥后在 150℃下活化 8h 待用。
对上述第一个技术方案的进一步限定在于 ： 步骤 4 中制备环氧树脂浸渍溶液， 其 制备过程如下 ： 事先以 5%~6% 质量比例的碳酸钙晶须和 2%~3% 的氧化锌晶须加入环氧树脂 中， 在 20℃ ±2℃以电磁搅拌器搅拌 30 分钟。
为了解决上述技术问题， 本发明所采用的第二个技术方案是 ： 一种改善性能的架 空导线用纤维复合芯棒的制备方法， 其包括如下步骤 ： 步骤 1 ： 用偶联剂将纳米 SiO2 进行表面处理 ； 步骤 2 ： 用步骤 1 处理后的纳米 SiO2 制备纳米 SiO2 浸润液， 并用纳米 SiO2 浸润液对 连续玄武岩纤维无捻粗纱进行表面粗化及亲油性改造， 在处理过程中以超声波装置进行处 理；
步骤 3 ： 用偶联剂将碳酸钙晶须和四角氧化锌晶须进行表面处理 ； 步骤 4 ： 用步骤 3 处理后的碳酸钙晶须和四角氧化锌晶须制备环氧树脂浸渍溶液， 将步 骤 2 处理后的连续玄武岩纤维无捻粗纱送入该环氧树脂浸渍溶液中充分浸渍， 在该连续玄 武岩纤维无捻粗纱周围形成环氧树脂结构， 在处理过程中以超声波装置进行处理 ； 步骤 5 ： 将步骤 4 得到的该连续玄武岩纤维无捻粗纱经过拉挤工艺， 最后得到所述复合 芯棒。
对上述第二个技术方案的进一步限定在于 ： 步骤 1 中， 选取 70nm-120nm 的纳米 SiO2， 采用硅烷偶联剂和甲基丙烯酸丁酯对纳米粒子进行表面处理， 提高了纳米粒子的亲 油性， 降低了亲水性， 消除了与有机相分离的现象。
对上述第二个技术方案的进一步限定在于 ： 步骤 2 中所述的纳米 SiO2 浸润液的制 备过程是 ： 按质量浓度， 纳米 SiO2 为 1%， 成膜剂为 25%， 偶联剂为 5%， 润滑剂为 35%， 抗静电 剂为 34% 混合均匀。
对上述第二个技术方案的进一步限定在于 ： 步骤 3 中， 使用异丙基三 ( 异硬脂酰 基 ) 钛酸酯偶联剂对碳酸钙晶须进行表面预处理 ； 将四角氧化锌晶须进行表面预处理的方 法是 ： 将一定量的硅烷偶联剂加入水 - 丙酮溶液中， 用盐酸调节 PH 值至酸性， 进行水解， 然 后将一定量的四角氧化锌晶须加入其中， 在恒温水浴中搅拌 30~60min， 减压过滤， 用去离子 水洗涤至无氯粒子， 经过干燥后在 150℃下活化 8h。 对上述第二个技术方案的进一步限定在于 ： 步骤 4 中制备环氧树脂浸渍溶液， 其 制备过程如下 ： 事先以 5%~6% 质量比例的碳酸钙晶须和 2%~3% 质量比例的氧化锌晶须加入 环氧树脂中， 在 20℃ ±2℃以电磁搅拌器搅拌 30 分钟。
本发明获得的有益效果是 ： 1、 复合材料芯棒具有耐高温特性和优异的机械性能， 而制造成本低， 具有较高的性价 比， 能够有效地增加导线传输电流 2 倍以上。
2、 本发明复合芯棒， 与碳纤维复合芯棒相比， 具有较高的性价比。
3、 本发明复合芯棒， 用于电力传输用架空导线， 与碳纤维复合芯架空导线相比， 具 有优异的热及热老化、 蠕变等性能。
附图说明
图 1 是本发明改善性能的架空导线用纤维复合芯棒的横截面图。 图 2 为本发明复合芯棒的详细工艺流程图。 图 3 为基体增强材料表面处理的示意图。 图 4 为预成型模具示意图。 图 5 为环氧树脂固化模具示意图。具体实施方式
请参阅图 1， 本发明提出一种改善性能的架空导线用纤维复合芯棒， 其包括连续玄 武岩纤维无捻粗纱 1 以及通过均匀浸渍而形成在该连续玄武岩纤维无捻粗纱 1 周围的环氧树脂部分 2。
前述的连续玄武岩纤维无捻粗纱 1， 纤维直径为 7um， 线密度为 300-500tex， 用以 改善芯棒的温度特性、 机械性能。
该连续玄武岩纤维无捻粗纱 1 经过纳米 SiO2 进行表面粗化处理。上述纳米 SiO2 用来增强连续玄武岩纤维无捻粗纱 1 的界面性能。
玄武岩纤维材料来源广泛， 材料品质优良， 作为复合材料的增强相， 和碳纤维相 比， 具有明显的性价比优势。
下表是连续玄武岩纤维无捻粗纱 1（缩写为 CBF） 与各种纤维材料的物理性能对 比：性能 密度 /(g/cm3) 使用温度 （℃） 热传导系数 (w/m·k) 比体积电阻 （Ω·m） 弹性模量 （Gpa） 抗拉强度 （Mpa） CBF 2.6 ～ 2.8 － 260 ～ 880 0.031 ～ 0.038 1×1012 79.3 ～ 93.1 3000 ～ 4840 E 玻纤 2.5 ～ 2.6 － 60 ～ 350 0.034 ～ 0.040 1×1011 72.5 ～ 75.5 3100 ～ 3800 碳纤维 1.7 ～ 2.2 最高 2000 5 ～ 185 2×10 － 5 230 ～ 600 3500 ～ 6000 芳纶纤维 1.49 最高 250 0.04 ～ 0.13 3×1013 70 ～ 140 2900 ～ 3400 岩棉 2.5 最高 600℃ 0.034 ～ 0.048连续玄武岩纤维无捻粗纱 1（缩写为 CBF） 用于架空线导线方面， 具有如下明显的优势 ： 1、 显著的耐高温性能和热震稳定性。CBF 的使用温度范围为－ 260 ℃～ 880 ℃。热震 稳定性好， 在 500℃温度下保持不变， 在 900℃时原始重量仅损失 3%。这种突出性能适合于 电流满载情况下能产生谐振的架空导线使用。虽然最高使用温度低于碳纤维， 但是在具体 的架空导线应用方面， 其温度适用范围完全能够达到要求。
2、 较低的热传导系数。CBF 的热传导系数为 0.031 W/m· K ～ 0.038 W/m· K, 低于 碳纤维。
3、 高的弹性模量和抗拉强度。CBF 的弹性模量为 ： 9100 kg/mm2 ～ 11000 kg/mm2， 虽然低于碳纤维和钢材， 其指标与导线所采用的软铝相比高 30%， 能够满足导线抗拉伸的要 求。CBF 的抗拉强度为 3800 ～ 4800 MPa， 比大丝束碳纤维都要高。
4、 化学稳定性好。CBF 的耐酸性和耐碱性优良。其耐久性﹑耐候性﹑耐紫外线照 射﹑耐水性﹑抗氧化等性能均可与天然玄武岩石头相比美。
5、 良好的电绝缘性和介电性能。CBF 的比体积电阻较高为 1×1012 Ω·m。远远 高于碳纤维。用于架空导线的芯棒， 完全不会产生涡流损耗和热损耗而带来的电力传输损 耗。
6、 较低的吸湿性。CBF 的吸湿性低于 0.1 %， 低于碳纤维。能够保持产品性能长期 优良。
7、 线膨胀系数为 6 ～ 8×10-6 /℃， 虽然比碳纤维高， 比导线所用铝材线膨胀系数 低 35%， 能够满足架空导线的应用。
8、 具有优良的耐蠕变性能， 确保产品的使用寿命。
9、 具有优良的高温拉断力保持， 在 200℃下， 能够保持 95% 的拉断力。
下表是连续玄武岩纤维无捻粗纱 1 的技术指标 ：图 2 为本发明复合芯棒的详细工艺流程图， 图 3 为基体增强材料表面处理的示意图。
本发明改善性能的架空导线用纤维复合芯棒的制备包括如下步骤 ： 步骤 1 ： 玄武岩纤维首先经过放纱、 并纱、 除湿工序 ； 步骤 2 ： 用偶联剂将纳米 SiO2 进行表面处理 ； 步骤 3 ： 用步骤 2 处理后的纳米 SiO2 制备纳米 SiO2 浸润液， 并用纳米 SiO2 浸润液对 连续玄武岩纤维无捻粗纱 1 进行表面粗化及亲油性改造， 在处理过程中以超声波装置进行 处理， 确保浸润均匀、 分散， 达到良好的表面处理效果 ； 步骤 4 ： 用偶联剂将碳酸钙晶须和四角氧化锌晶须进行表面处理 ； 步骤 5 ： 用步骤 4 处理后的碳酸钙晶须和四角氧化锌晶须制备环氧树脂浸渍溶液， 将步 骤 3 处理后的连续玄武岩纤维无捻粗纱 1 送入该环氧树脂浸渍溶液中充分浸渍， 在该连续 玄武岩纤维无捻粗纱 1 周围形成环氧树部分 2， 在处理过程中以超声波装置进行处理 ； 步骤 6 ： 将步骤 5 得到的该连续玄武岩纤维无捻粗纱 1 经过传统的拉挤工艺， 最后得到 本发明复合芯棒。
在全体处理过程中， 对环境限定了严格的要求。 而在表面改性及浸渍过程中， 多处 应用了超声波技术， 以保证材料混合及浸渍充分均匀、 分散、 充实， 确保纤维复合芯棒达到 要求。本发明制造的纤维复合芯棒， 与碳纤维复合芯棒相比， 具有较高的性价比。
在所有的改性处理工艺操作上， 应确保环境质量， 即温度控制在 20℃ ±2℃， 湿度 控制在 45%~65%， 洁净度控制在千级净化， 以保证获得良好的产品质量。
步骤 1 的放纱、 并纱、 除湿工序的具体过程如下 ： 将所需数量的玄武岩纤维轴安装 在放线架上， 所有的纱线轴的放出张力必须确保均匀， 其张力偏差为 ±15gf 以内， 标称放 线张力 0.8kgf ～ 2kgf， 视牵引张力而定。其后进入并纱区域， 并纱区域的导纱装置应具有 较高的硬度和光洁度， 导向合适， 不应对纱线产生附加不良的影响。其后进入除湿区域， 干 燥的热风去除纤维表面的水分， 应将水分彻底去除， 纱线稳定行走。
在各个流程中， 应保持纱线在各个流程装置内， 纱线露在外面的部分尽可能少， 以 确保纱线连续稳定的表面状态。
所述的连续玄武岩纤维无捻粗纱 1， 是用多股平行原丝或单股平行原丝在不加捻 的状态下并合而成的玄武岩纤维制品， 表面含有硅烷浸润。 但是， 原始的硅烷浸润不能满足 与环氧树脂部分 2 粘结的力学和界面性能的要求。首先应经过纳米 SiO2 表面粗化及亲油 性改造， 以增加环氧树脂部分 2 与连续玄武岩纤维无捻粗纱 1 之间的相容性， 能够提高复合 材料的力学性能和介面性能。
在对连续玄武岩纤维无捻粗纱 1 做表面粗化及亲油性改造之前， 必须先如步骤 2 所述用偶联剂对纳米 SiO2 进行表面处理， 简要说明如下 ： 因为纳米粒子粒径小， 表面团聚性 强， 与有机体结合力较低， 所以， 应通过表面处理提高纳米粉体在不同液相介质中的分散。 选取 70nm-120nm 的纳米 SiO2， 首先对纳米 SiO2 进行表面处理。采用硅烷偶联剂和甲基丙 烯酸丁酯对纳米粒子进行表面处理， 这样在纳米粒子表面形成化学键合的聚合物层， 形成与无机纳米粒子牢固结合的高密度聚合物层， 提高了纳米粒子的亲油性， 降低了亲水性， 消 除了与有机相分离的现象。
连续玄武岩纤维无捻粗纱 1 是一种脆性纤维， 在制造过程中必须经过涂油器， 将 一种纳米 SiO2 浸润液均匀涂覆在表面上， 形成一层保护层。作为增强相原材料， 无捻粗纱 玄武岩纤维做为本制品的原材料， 其已经过纳米 SiO2 浸润液处理。
下面介绍上段所述的纳米 SiO2 浸润液的制备过程 ： 选取特定的成膜剂、 偶联剂、 润 滑剂、 抗静电剂， 按照特定的程序制成玄武岩纤维浸润剂。 因为原材料玄武岩纤维本身已经 带有偶联剂， 所以应选取少量的偶联剂 ； 所选取的偶联剂， 应与玄武岩纤维已经带有的偶联 剂相同。按质量浓度， 纳米 SiO2 为 1%， 成膜剂为 25%， 偶联剂为 5%， 润滑剂为 35%， 抗静电剂 为 34%， 按此比例， 为最佳比例选择 ； 其比例范围， 在 ±20% 范围内使用 ； 与其它工艺参数不 同的搭配， 将选取不同的比例范围。以超声波装置进行处理， 以保证纳米 SiO2 浸润液的均 匀性。
步骤 3 中， 需事先将配好的纳米 SiO2 浸润液缓慢导入纳米浸润装置中， 在这个区 域， 以超声波装置进行处理， 确保浸润均匀、 分散， 达到良好的表面处理效果。之后， 进入烘 干区域， 在这一区域， 不仅进行烘干， 还达到表面活化的效果， 以有利于下一步的环氧树脂 浸渍。在这一区域， 温度控制为 90℃ -150℃之间。
步骤 4 中， 上述碳酸钙晶须和四角氧化锌晶须作为改性基体增强材料， 用来增强 环氧树脂层 2 基体界面性能。在制备环氧树脂浸渍溶液前， 需要用偶联剂对碳酸钙晶须和 四角氧化锌晶须进行表面预处理。
碳酸钙晶须的尺寸极小， 又是高纯材料， 没有或很少内部结构缺陷， 其强度远高于 一般尺寸的同种材料。 事实上新制备的晶须， 因为没有表面蚀坑或者裂纹， 其强度接近晶体 的理论强度， 因此， 将它掺到纤维里， 具有优良的增强效果， 尺寸的稳定性也大大提高。
碳酸钙晶须是继纳米碳酸钙之后的又一种新型无机填充， 无毒， 无气味， 呈白色篷 松状固体 （显微镜下为针状单晶体） 作为新一代增强、 填充材料该产品具有如下性能和特 点： 1、 综合性能高的机械强度， 并在使用过程中能减振， 防滑， 降噪， 吸波 ； 这一点特别适 合于在架空导线上应用。
2、 综合性能好， 摩擦系数高， 耐磨性能和耐热性能高 ； 3、 产品寿命能提高 30% ； 4、 能减少高价值纤维材料的用量， 使产品成本大大降低 ； 5、 原料来源丰富， 价格低， 不会因为原料问题而对生产产生影响。
下表是碳酸钙晶须的技术指标 ：四角氧化锌晶须于 20 世纪 40 年代被发现， 最早由日本松下产业于 1989 年研制成功。 四针状氧化锌晶须外观呈白色疏松状粉体， 微观为三维四针状立体结构， 即晶须有一核心， 从核心径向方向伸展出四根针状晶体， 每根针状体均为单晶体微纤维， 任两根针状体的夹 角为 109°。晶须的中心体直径 0.7 ～ 1.4μm， 针状体根部直径 0.5 ～ 14μm， 针状体长度 为 3 ～ 200μm， 电子衍射图像显示晶须具有位错小、 晶格缺陷少的单晶性 ； 原子吸收光谱显 示晶须杂质含量少， 氧化锌含量为 99.95%， 因此近似于单晶。 它是迄今所有晶须中唯一具有 空间立体结构的晶须， 因其独特的立体四针状三维结构， 很容易实现在基体材料中的均匀 分布， 从而各向同性地改善材料的物理性能， 同时赋予材料多种独特的功能特性。它具有 普通氧化锌所无法比拟的优良性能。 如耐磨、 增强、 减振、 防滑、 降噪、 吸波、 抗老化、 抗静电、 抗菌等性能。 四角氧化锌晶须用于架空导线方面的主要特点 ： 1、 超高强度 ： 四针状氧化锌晶须为单晶体铅锌矿结构， 几乎没有结构缺陷， 属于理想的 结晶体， 具有极高的力学强度和弹性模量 ： 拉伸强度和弹性模量分别达到 1.0×104MPa 和 3.5×105MPa， 接近理论强度值 ； 2、 各向同性 ： 特殊的立体四针状结构， 使其在具有完全各向同性的增强、 改性作用， 保 证了材料和制品在力学性能、 尺寸均 匀性、 热收缩、 热变形和其它使用性能等方面的各向 同性 ； 3、 优异的耐热性 ： 氧化锌的熔点高于 1800 ℃， 四针状氧化锌晶须可耐 1720 ℃的高温 （高于此温度可能升华） ， 常压下空气中 1000℃以上可能导致部分尖端纳米结构受损 ； 下表是四角氧化锌晶须的技术指标 ：
对于四角氧化锌晶须和碳酸钙晶须的使用， 必须考虑到充分发挥晶须增强的效果， 应 对晶须进行表面改性。 晶须增强树脂的理想状态是 ： 晶须应在基体内均匀分布， 晶须间相互 隔开， 并且被基体树脂良好浸润。 为促进无机晶须在有机基体中的分散， 并赋予晶须与基体 间一定的作用力， 需用偶联剂对晶须进行表面改性。 晶须的表面处理， 以及如何在表面处理 和成型加工中尽可能减少晶须损伤以保持足够的长径比是发挥晶须作用的关键问题。
晶须的表面和基体的表面在渗混过程中形成界面层， 界面层的特征直接关系到复 合材料的整体性能， 为了获得理想的界面层， 就必须根据基体和增强材料表面特征的不同， 选择合适的偶联剂， 晶须经偶联剂处理后， 使其与基体之间的相容性得到改善， 材料断裂时 晶须拔出所消耗的能量大， 使冲击强度和弯曲强度提高。
晶须与偶联剂的吸附作用。当偶联剂的用量适当时， 偶联剂在晶须表面形成单分 子层 （ 即化学吸附层） ， 此时晶须的改性效果最好 ； 当偶联剂用量太少时， 偶联剂未能完全 包覆晶须表面， 性能较差。 而当偶联剂用量继续增加至过量时， 由于长烃链分子间的相互缔 合作用， 使得改性剂在晶须表面的单分子层外又形成了多分子层 （ 即物理吸附层） 。 这些多 分子层中的物理吸附力比化学键力要小， 因此加入环氧树脂后的粘接性能也较差。
下面介绍碳酸钙晶须的表面预处理 ： 为了提高碳酸钙晶须与环氧树脂层 2 的相容 性， 预先使用异丙基三 ( 异硬脂酰基 ) 钛酸酯 (KR— TTS) 偶联剂对碳酸钙晶须进行有机化 处理。处理方法如下 ： 将无水乙醇与去离子水按质量比 14:1 的比例配成乙醇水溶液， 加入 溶液质量分数 43％的醋酸及质量分数 21％的偶联剂， 搅拌均匀。称取计算量的碳酸钙晶须 加入溶剂中， 在 60℃下超声波搅拌， 然后过滤， 水洗至中性， 于 120℃下抽真空， 干燥， 密闭 储存备用。
下面介绍四角氧化锌晶须的表面预处理 ： 采用湿法处理。将一定量的硅烷偶联剂 加入水 - 丙酮溶液中， 用盐酸调节 PH 值至酸性， 进行水解， 然后将一定量的四角氧化锌晶须 加入其中， 在恒温水浴中搅拌 30~60min， 减压过滤， 用去离子水洗涤至无氯粒子。经过干燥后在 150℃下活化 8h 待用。
步骤 5 中， 将碳酸钙晶须和四角氧化锌晶须的表面预处理之后， 接下来制备环氧 树脂浸渍溶液， 其制备过程如下 ： 事先以 5%~6% 质量比例的碳酸钙晶须和 2%~3% 的氧化锌晶 须加入环氧树脂中， 在 20℃ ±2℃以电磁搅拌器搅拌 30 分钟。
将上述环氧树脂浸渍溶液加入环氧树脂浸润装置中。在这个装置中， 以超声波进 行处理， 以保证浸渍的均匀性。
步骤 3 获得的连续玄武岩纤维无捻粗纱 1 烘干后被送入环氧树脂浸渍溶液充分浸 渍， 在连续玄武岩纤维无捻粗纱 1 的外部形成环氧树脂层 2。
步骤 6 中所述的传统拉挤工艺主要包括预成型、 固化、 冷却、 牵引、 收线等工序。
步骤 5 得到的连续玄武岩纤维无捻粗纱 1， 进入预成型区。在这一区域， 采用常温 控制。 模具的设计， 应确保预成型直径逐渐减小， 比例控制在长度半径之比为 800:1~1000:1 之间 ； 能够起到浸渍紧实的作用。预成型模具定型长度应具有 15 倍以上外径的长度。直径 的选择比标称制造直径大 1%。请参阅图 4， 为预成型模具示意图， 树脂与纤维标号为 30， 模 具标号为 40， 超声波设备为 50， 预成型区标号为 60。
预成型之后， 连续玄武岩纤维无捻粗纱 1 及周围的环氧树脂层 2 进入固化模区域， 在此区域对其进行拉挤。 请参阅图 5， 为环氧树脂固化模具示意图， 纤维束标号为 100， 复合芯棒标号为 200。 拉挤模具分为三个区域 ： 第一区域为预热区 70， 温度在 100℃以上， 为下一阶段的固化 反应做准备。同时液压的提高便于热量向内传递， 在预热区 70 中纤维束 100 是液态的 ； 第 二区域为凝胶区 80， 树脂固化反应并产生相变， 从粘稠态转变成为凝胶态， 在凝胶区 80 中 纤维束 100 是凝胶态的 ； 第三区域为恒温区 90， 可防止温度剧变导致复合材料产生裂纹， 在 恒温区 90 中纤维束 100 是固态的。在接近模具出口处， 表面沾有成模剂的制品会从模具表 面脱落下来。选取适配的模具温度、 环境温度、 牵引速度， 以获得最佳的固化温度和固化时 间， 将内应变控制在一定范围内， 确保材料的性能和微观、 宏观上不产生裂纹。
预成型模和固化模在长度上是连续一体的结构， 以保证产品尺寸和表面状况的优 良。
之后， 固化的芯棒再进入冷却区域， 牵引区域和收线轴， 其中牵引力应确保其良好 的稳定性， 采用履带式牵引方式， 牵引力稳定在 ±0.5% 牵引力范围内， 这样能够保证制品 的性能和尺寸外观的优良。
下表是 “本发明实施一个示例芯棒主要性能指标” ， 其中 “本案例性能指标” 是本发 明实施一个示例达到的指标， “本案例说明” 是实施示例的指标说明， “报审稿 B 级指标及说 明” 是对比的国标 “架空导线用纤维增强树脂基复合材料芯棒” 的标准要求。从对比指标看 出， 在产品尺寸的精度、 尺寸稳定性、 扭转试验、 卷绕试验、 长期允许最高运行温度、 玻璃化 转变温度、 耐热性能、 高温抗拉强度方面， 都要比国标报批稿指标优良， 说明本发明是对原 来产品的一种很大的改良。
在成本方面， 玄武岩纤维约 3-4 万每吨， 碳纤维多是进口的， 如日本东丽， 价格约 29 万 元每吨， 综合产品材料成本降低 40%， 具有很高的性价比。