CN101673599A - 一种用于电缆的带光栅光纤的复合型材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电缆的带光栅光纤的复合型材及其制备方法，具体涉及一种可实时监控导线的受力和温度状况的复合型材，所述的复合型材包含纤维材料和树脂，所述的纤维材料为碳纤维与玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维中的至少一种的混合纤维材料，在纤维材料内部沿长度方向设置至少一根光栅光纤。本发明的复合型材是由纤维材料与树脂通过拉挤法制备。本发明的带光栅光纤的电缆可实时监控导线的受力状况和温度状况，对运输变线的远行状况进行实时监测，并且具有重量轻，抗疲劳性好、强度大、耐高温、耐腐蚀的优点，克服了采用单一碳纤维材料造成的高成本、韧性不足等缺陷。

Description

一种用于电缆的带光栅光纤的复合型材及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于电缆的带光栅光纤的复合型材及其制备方法，具体讲，涉及一种可实时监控导线的受力和温度状况的复合型材及其制备方法。

背景技术

光纤布拉格光栅是一种无源光纤元件，在通讯和传感领域有重要用途，其工作原理见图1。光纤布拉格光栅是一种波长选择反射器件，反射波长λ与光栅栅距Λ有关。在光纤传感领域，温度和应力作用于光栅时，光栅的栅距Λ将发生变化，栅距Λ的变化将导致反射波长λ移动，通过测量反射波长λ的变化，即可实现对温度、应变的测量，见附图1。

光纤光栅传感技术的优点包括：(1)对光波长信号进行数字式测量，检测精确度高，可避免出现由于光强调制型传感系统中光强起伏引起的误差；(2)灵敏度高，响应时间短；(3)测量结果重复性好，长期稳定性高；(4)结构简单，外观与常规光纤无异，可以与标准通信光纤直接连接，可同时进行传感和远距离信息传输。

传统光纤受光源波长带宽的限制，一根光纤最多只能容纳30个光纤光栅测点。发明专利ZL200310111529.2提出了编码光纤光栅的概念，将光纤光栅测点数从30个提高到400个以上，提高了传感的密度。

光纤直径小，约几个微米，需要高难度的微加工技术，而且光纤需要平动扫描，很难保证高精度平行。为此，美国MOI公司发展了多种光纤光栅的微加工和波长解调技术。授权发明专利ZL200320116137.5发明了组合式角调谐波长解调技术，通过转动扫描，实现了高精度波长解调，而且工艺简单，成本低廉，可实现大规模工程应用。

从结构上比较复合材料型材和光纤光栅传感器，显然可以发现，同轴“一维”取向是它们的共同特征，巧妙地利用这个特征，通过建立合适的光纤光栅与复合材料型材的界面结合，可以发展具有自传感功能的复合材料型材制件。

目前已经有一些利用光纤光栅进行检测监控的发明专利，例如，授权发明专利ZL200510010148.4公开了一种用于修复钢筋混凝土的光栅光纤碳纤维复合材料及其制备方法，该发明的碳纤维复合材料包含多个布拉格光栅光纤，碳纤维结构层是碳纤维无纬布和改性环氧树脂的混合物，该发明的目的是为了实现对采用碳纤维复合材料修复的钢筋混凝土结构进行实时监测，是在建筑材料领域的应用。另外，授权实用新型专利ZL200320117077.4公开了一种带光纤的电缆，在电力电缆中设置有一根或一根以上的光纤，从而实现对电缆在线的长距离监控，实现了在线监控电缆的导体温度和受力情况。该实用新型公开了光纤在电缆中的位置，其位置为绝缘层和外保护套之间，电缆芯之间、导体之间。将光纤设置在电缆芯或导体之间，这一技术方案在实际应用中难以实施，大大增加了电缆的成本。将光纤设置在绝缘层和外保护套之间，光纤在实际使用中容易遭到损坏从而达不到监控的目的。

发明内容

针对目前市场上电缆存在的缺陷和不足，本发明要解决的首要技术问题为提出一种用于电缆的带光栅光纤的复合型材。

本发明要解决的第二个技术问题为提出一种制备用于电缆的带光栅光纤的复合型材的方法。

为了解决本发明之技术问题，采用的技术方案为：

一种用于电缆的带光栅光纤的复合型材，其中，所述的复合型材包含纤维材料和树脂，所述的纤维材料为碳纤维和玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维中的至少一种所构成的混合纤维材料，所述的复合型材是由纤维材料和树脂由拉挤法制备，所述的纤维材料内部沿长度方向设置至少一根光栅光纤。

本发明的第一优选方案为：本发明的树脂选自不饱和聚酯、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚苯并噁嗪树脂、聚乙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚苯乙烯树脂、聚酰胺树脂、聚碳酸酯树脂、聚苯醚树脂或硅醚树脂中的至少一种。

本发明的第二优选方案为：本发明的纤维材料占纤维材料和树脂总体积的60～72％，优选为66～70％。

本发明的第三优选方案为：纤维材料中碳纤维的质量百分比含量优选为25～60％，更优选为30～50％。

本发明的第四优选方案为：所述的复合型材为内外双层同轴结构，其中，其内层由内层纤维和树脂通过拉挤法制备而成，其外层由外层纤维和树脂通过拉挤法制备而成；其中，光栅光纤设置在内层纤维内部。其中，内层纤维或外层纤维至少其一选自碳纤维或混合纤维材料，其中，混合纤维材料为碳纤维和玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维中的至少一种组成。优选的，内纤维层为碳纤维，外纤维层为碳纤维和其他纤维的混合纤维；或内纤维层为碳纤维和其他纤维的混合纤维，为纤维层为碳纤维；或内纤维层和外纤维均为碳纤维和其他纤维的混合纤维。

本发明的第五优选方案为：本发明的双层树脂同轴结构的复合型材中，内层纤维和树脂构成的内层的总体积与外层纤维和树脂构成的外层的总体积的比例为1∶0.3～1.5，优选1∶0.5～1.2。

其中，光栅光纤的光栅的密度为每千米10～1000个点。

本发明还涉及带光栅光纤的电缆的制备方法，其步骤包括：

(1)将光栅光纤进行表面处理；

(2)将处理后的光栅光纤同轴混入复合纤维材料，加捻或无捻，采用拉挤法，经加热、成型固化、冷却三个步骤将混有光栅光纤的复合纤维材料与树脂结合固化得到带光栅光纤的复合型材。

其中，在步骤(1)中，表面处理的方法包括机械打毛、用表面改性剂处理、表面脱脂处理和表面粗糙化处理。

其中，将纤维材料同轴包覆在步骤(2)得到的混有光栅光纤的复合型材的表面，加捻或无捻制成线芯，再采用拉挤法将树脂与线芯结合固化得到带光栅光纤的双层复合型材。

其中，可将连续光栅光纤同轴贴合在纤维束的外表面，采用拉挤法将树脂材料与其固化得到复合型材；再取外层纤维材料，均匀地包复在固化后的复合型材的表面，形成外包复层，再采用拉挤法将树脂材料与其固化，形成双层复合型材。

在本发明中，成型固化温度低于光栅光纤的耐热温度。

本发明制备的型材适用于电缆的铠装层或软铝导线的线芯。

本发明提出一种具有自传感功能的电缆及其制备方法，通过在电缆的线芯或铠装层内嵌入编码光栅光纤传感器，赋予复合材料型材“自感知”功能(自传感)，从而全寿命在线监测复合材料型材的载荷状态，提高这些型材在关键应用场合如碳纤维复合芯软铝导线等型材制件的使用安全性和可靠性。本发明通过“同轴”的成型加工技术方法，在纤维层内部嵌入一根或数根光栅光纤，并建立合适的界面结合，使复合材料型材在承受载荷的同时，将应变状态传递给光栅光纤传感器，从而使原先“无知”的复合材料型材具有载荷自传感功能。

本发明的具有载荷自传感功能的电缆，是由于“内嵌”了传感光栅光纤，其制备步骤具体如下：

1、取商品化的光栅光纤一根或数根，进行表面化学或物理改性处理，最简便的方法是机械打毛，或直接进行任何已知的表面清洁处理、表面脱脂处理、表面粗糙化处理、表面化学处理如直接用商业的表面改性剂、偶联剂等进行处理等。

2、将处理后的这根或数根光栅光纤同轴混入纤维复合材料，加捻或无捻，得到一根连续的混有光栅光纤的复合纤维束；纤维复合材料可选用碳纤维和玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维中至少一种的混合。

3、将步骤2中得到的混有光栅光纤的复合纤维束作为线芯或铠装层制备电缆。制备电缆的过程中优选采用拉挤法将电缆与树脂材料拉挤成型，其成型固化温度必须低于光栅光纤产品能够允许的温度上限，包括后固化温度也不得超过这个温度上限。固化后的产物就是内嵌连续光栅光纤的自传感的复合材料电缆。必要的话，按照任何已知的方法进行复合材料型材的表面保护等。

本发明所具有的技术优势为：

1.本发明采用纤维复合材料代替传统使用金属线芯或铠装层，从而降低了电缆的重量，并且具有重量轻，抗疲劳性好、强度大、耐高温、耐腐蚀、线损低的优点。

2.本发明采用将碳纤维和其他纤维材料混合起来的纤维材料克服了采用单一碳纤维材料造成的高成本、韧性不足等缺陷。

3.本发明采用了将光栅光纤混入纤维材料制备型材，这种方法保护了光栅光纤不易遭到损坏，延长了使用寿命；可实时监控导线的受力状况和温度状况，可大大减少巡线的强度及在恶劣天气时对输变线的远行状况进行实时监测。

4.本发明的复合型材的结构特征是增强纤维沿纤维轴向的一致、“一维”取向，其主要受载方式是轴向拉伸。可根据不同的用途和要求，在制备过程中采用不同的树脂含量和浸渍方法，从而使制备出来的复合型材表现出不同的柔顺性。

附图说明

图1为光纤光栅工作原理图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步详细说明，但并不对本发明的技术方案构成限制。

实施例1

(1)取已知的商品化的连续光栅光纤一根，如武汉理工大学的产品，每1000m光刻光栅1个；进行表面脱脂处理，然后涂敷表面偶联剂KH304；

(2)取12K、T700碳纤维束2束、超高分子量聚乙烯纤维2束，分装在4个纱架上，将进行过表面处理的连续光栅光纤夹持在碳纤维束超高分子量聚乙烯纤维构成的纤维束之中，混合引入圆形口模的拉挤机，采用拉挤法将纤维材料与树脂拉挤成型，取龙珠公司的118不饱和聚酯作为拉挤树脂，混合纤维材料的体积占纤维材料和树脂总体积的70％；按照树脂供应商推荐的拉挤速度和拉挤温度、固化温度等条件进行拉挤，然后进行连续固化，得到内嵌连续光栅光纤的自传感的复合型材；

(3)将步骤(2)中得到的混有光栅光纤的复合纤维束作为线芯或铠装层制备电缆。

实施例2

(1)取已知的商品化的编码连续光栅光纤1根(例如武汉理工大学的产品)，每100m光刻光栅1个，并机械打毛；

(2)取12K碳纤维束3束，玄武岩纤维1束，取步骤(1)得到的连续光栅光纤，同轴贴合在连续碳纤维和玄武岩纤维的混合纤维束的外表面，无捻，与混合纤维束一起，混合引入圆形口模的拉挤机，采用拉挤法将混合纤维材料与树脂拉挤成型，取Reichhold公司的环氧树脂作为拉挤树脂，纤维材料的体积占纤维材料和树脂总体积的66％；按照树脂供应商推荐的拉挤速度和拉挤温度、固化温度等条件进行拉挤，然后进行连续固化，得到内嵌连续光栅光纤的复合型材；

(3)步骤(2)的得到的复合型材作为芯材，再取12K玻璃纤维4束，适当展开，同轴均匀包复芯材的表面，形成外包复层作为外纤维层，再引入圆形口模的拉挤机，采用拉挤法将外层纤维材料与树脂拉挤成型，取Reichhold公司的环氧树脂作为拉挤树脂，外纤维层的体积占外纤维层和树脂总体积的70％；内层的总体积与外层的总体积的比例为1∶1.5；

(4)将步骤(3)中得到的混有光栅光纤的双层复合芯材作为线芯或铠装层制备电缆。

实施例3

(1)取已知的商品化的编码连续光栅光纤1根(例如武汉理工大学的产品)，每100m光刻光栅1个，并机械打毛；

(2)取12K碳纤维束2束，玻璃纤维2束，取步骤(1)得到的连续光栅光纤，同轴贴合在连续碳纤维和玄武岩纤维的混合纤维束的外表面，无捻，与混合纤维束一起，混合引入圆形口模的拉挤机，采用拉挤法将纤维材料与树脂拉挤成型，取Reichhold公司的环氧树脂为拉挤树脂，纤维材料的体积占纤维材料和树脂总体积的72％；按照树脂供应商推荐的拉挤速度和拉挤温度、固化温度等条件进行拉挤，然后进行连续固化，得到内嵌连续光栅光纤的复合型材；

(3)步骤(2)的得到的复合型材作为芯材，再取12K芳纶纤维4束，适当展开，同轴均匀包复芯材的表面，形成外包复层作为外层纤维，再引入圆形口模的拉挤机，以Reichhold公司的环氧树脂作为拉挤树脂，采用拉挤法将外层纤维材料与树脂拉挤成型，外层纤维的体积占外纤维层和外树脂层总体积的63％；内层的总体积和外层的总体积的比例为1∶1.2；

(4)将步骤(3)中得到的混有光栅光纤的双层复合芯材作为线芯或铠装层制备电缆。

实施例4

(1)取已知的商品化的连续光栅光纤一根，例如武汉理工大学的产品，每500m光刻光栅1个；进行表面脱脂处理，然后涂敷表面偶联剂KH304；

(2)取12K、T700碳纤维束2束和采用市售芳纶纤维2束，分装在4个纱架上，将进行过表面处理的连续光栅光纤夹持在4束纤维束之中，混合引入圆形口模的拉挤机，采用拉挤法将纤维材料与树脂拉挤成型，取市售的环氧树脂作为拉挤树脂，纤维材料的体积占复合纤维材料和树脂总体积的70％；

(3)将步骤(2)得到的混有光栅光纤的复合型材作为线芯或铠装层制备电缆。

实施例5

(1)取已知的商品化的编码连续光栅光纤1根(例如武汉理工大学的产品)，每100m光刻光栅1个，并机械打毛；

(2)取12K碳纤维束4束，取步骤(1)得到的连续光栅光纤，同轴贴合在连续碳纤维和玄武岩纤维外表面，无捻，与混合纤维束一起，混合引入圆形口模的拉挤机，采用拉挤法将纤维材料与树脂拉挤成型，取Reichhold公司的环氧树脂为拉挤树脂，纤维材料的体积占纤维材料和树脂总体积的72％；按照树脂供应商推荐的拉挤速度和拉挤温度、固化温度等条件进行拉挤，然后进行连续固化，得到内嵌连续光栅光纤的复合型材；

(3)步骤(2)的得到的复合型材作为芯材，再取12K芳纶纤维3束、碳纤维1束适当展开，同轴均匀包复芯材的表面，形成外包复层作为外层纤维，再引入圆形口模的拉挤机，以市售的聚苯醚树脂作为拉挤树脂，采用拉挤法将外层纤维材料与树脂拉挤成型，外层纤维的体积占外纤维层和外树脂层总体积的63％；内层的总体积和外层的总体积的比例为1∶0.3；

(4)将步骤(3)中得到的混有光栅光纤的双层复合芯材作为线芯或铠装层制备电缆。

实施例6

(1)取已知的商品化的编码连续光栅光纤1根(例如武汉理工大学的产品)，每100m光刻光栅1个，并机械打毛；

(2)取12K碳纤维束1束、玻璃纤维3束，取步骤(1)得到的连续光栅光纤，同轴贴合在连续碳纤维和玻璃纤维外表面，无捻，与混合纤维束一起，混合引入圆形口模的拉挤机，采用拉挤法将纤维材料与树脂拉挤成型，取市售的聚酰胺树脂为拉挤树脂，纤维材料的体积占纤维材料和树脂总体积的72％；按照树脂供应商推荐的拉挤速度和拉挤温度、固化温度等条件进行拉挤，然后进行连续固化，得到内嵌连续光栅光纤的复合型材；

(3)步骤(2)的得到的复合型材作为芯材，再取12K芳纶纤维3束、碳纤维1束适当展开，同轴均匀包复芯材的表面，形成外包复层作为外层纤维，再引入圆形口模的拉挤机，以市售的聚酰胺树脂作为拉挤树脂，采用拉挤法将外层纤维材料与树脂拉挤成型，外层纤维的体积占外纤维层和外树脂层总体积的63％；内层的总体积和外层的总体积的比例为1∶0.5；

(4)将步骤(3)中得到的混有光栅光纤的双层复合芯材作为线芯或铠装层制备电缆。

Claims (10)

1.一种用于电缆的带光栅光纤的复合型材，其特征在于，所述的复合型材包含纤维材料和树脂，所述的纤维材料为碳纤维与玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维中至少一种的混合纤维材料，所述的复合型材是由纤维材料和树脂由拉挤法制备，所述的纤维材料内沿长度方向设置至少一根光栅光纤。

2.根据权利要求1所述的用于电缆的带光栅光纤的复合型材，其特征在于，所述的纤维材料中碳纤维的质量百分比含量为25～60％，优选为30～50％。

3.根据权利要求1所述的用于电缆的带光栅光纤的复合型材，其特征在于，所述的树脂选自不饱和聚酯、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚苯并噁嗪树脂、聚乙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚苯乙烯树脂、聚酰胺树脂、聚碳酸酯树脂、聚苯醚树脂或硅醚树脂中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的用于电缆的带光栅光纤的复合型材，其特征在于，所述的纤维材料占纤维材料和树脂总体积的60～72％，优选为66～70％。

5.根据权利要求1所述的用于电缆的带光栅光纤的复合型材，其特征在于，所述的复合型材为内外双层同轴结构，其中，所述的双层同轴结构的内层由内层纤维和树脂通过拉挤法制备而成，所述的外层由外层纤维和树脂通过拉挤法制备而成；其中，光栅光纤设置在内层纤维内部。

6.根据权利要求5所述的用于电缆的带光栅光纤的复合型材，其特征在于，所述的内层纤维或外层纤维至少其一选自碳纤维或混合纤维材料，其中，所述的混合纤维材料由碳纤维和玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维中的至少一种组成。

7.根据权利要求5所述的用于电缆的带光栅光纤的复合型材，其特征在于，内层纤维和树脂所构成内层的总体积与外层纤维和树脂所构成外层的总体积的比例为1∶0.3～1.5，优选1∶0.5～1.2。

8.一种用于电缆的带光栅光纤的复合型材的制备方法，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：

(1)将光栅光纤进行表面处理；

(2)将处理后的光栅光纤同轴混入复合纤维材料，加捻或无捻，采用拉挤法，经加热、成型固化、冷却三个步骤将混有光栅光纤的纤维材料与树脂结合固化得到带光栅光纤的复合型材。

9.根据权利要求7所述的带光栅光纤的电缆的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中表面处理的方法包括机械打毛、用表面改性剂处理、表面脱脂处理和表面粗糙化处理。

10.根据权利要求7所述的用于电缆的带光栅光纤的复合型材的制备方法，其特征在于，将纤维材料同轴包覆在步骤(2)得到的混有光栅光纤的复合型材的表面，加捻或无捻制成线芯，再采用拉挤法将树脂与线芯结合固化得到双层复合型材。

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