CN102602083A - 一种纤维增强复合材料芯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种纤维增强复合材料芯及其制备方法。纤维增强复合材料芯是由内部结构和外层绝缘结构组成的，内部结构由多根平行或螺旋扭转的纤维增强耐高温树脂基细杆粘结而成，外层绝缘结构为耐高温不导电树脂涂层或耐高温、非导电纤维增强树脂层，其厚度为导线芯直径的10～40％，并且沿周长厚度均匀。多根纤维增强耐高温树脂基细杆通过注入胶黏剂的楔形口模，纤维增强耐高温树脂基细杆通过胶黏剂粘合在一起，涂覆纤维增强树脂复合材料层或树脂涂层，通过高温口模，固化成型。本发明横向抗剪性能、抗压性能、韧性及抗疲劳性能显著增强，避免现有碳纤维复合芯性脆、易折断、铝绞线使用中断裂等缺陷，大幅度提高其安全性能与寿命。

Description

一种纤维增强复合材料芯及其制备方法

(一)技术领域

本发明涉及高强纤维增强复合材料技术，具体而言，是一种纤维增强复合材料芯及其制备方法。

(二)背景技术

碳纤维复合铝芯绞线是一种新一代的电力电缆，其结构由轻型的纤维增强树脂基复合材料芯、外层缠绕高性能的梯形铝绞线组成。由于纤维增强树脂基复合材料芯具有轻质、高强、耐高温、热膨胀系数低等优点，由其制备的输送电缆可以在提高同条电力线路输送容量的同进又能利用已有铁塔，不增加线路走廊用地。这对探索我国电网改造，提高原有线路利用率的途径，构建安全、环保、高效节能、节约型输电网络具有重要的意义。碳纤维复合铝绞线是由轻型的碳纤维复合材料芯、外层缠绕高性能的梯形铝绞线组成。碳纤维复合材料芯是复合铝绞线的承载单元，其性能决定了铝绞线的制备、运输、应用、性能及其安全性等各个方面。碳纤维复合材料芯结构的中心层为碳纤维束与高温环氧树脂浸渍；外层由玻璃纤维(或其它非导电纤维，如Kevlar、芳纶纤维、玄武岩纤维等)束或布与同样的高性能环氧树脂浸渍，利用拉挤工艺，树脂固化，成型碳纤维复合材料芯。碳纤维复合材料芯线的外层结构是避免碳纤维复合材料与导电铝结构接触，形成电弧等损失。

上述碳纤维复合铝绞线已经在电力部门得以推广与应用，如福建龙岩电业局在220kV曹园线改造中首次使用该导线，随后，江苏省常州供电公司、无锡供电公司在老线路增容改造中相继应用该导线，并获得较好的社会与经济效益。尽管如此，碳纤维复合铝绞线的推广与应用，特别是在主干线路推广应用遇到极大的技术难题，即上述碳纤维复合材料芯性脆，易折断，在制备、运输、按装过程中产生的微小损伤(如表面微小裂纹)，在输电过程中，芯线将收到高温、动静应力等作用下，将导致铝绞线断裂，输电中断。我国在近期发生多起碳纤维铝绞线断裂状况，并带来了极大的经济与社会问题。因此，在保证现有碳纤维复合芯高力学性能(沿纤维方向)、高热性能、低热膨胀率的基础上，提高其横向抗剪性能、耐疲劳性能，这将大幅度促进碳纤维复合铝绞线的可靠性与安全性，从而在输电行业得以进一步推广与应用。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维增强复合材料芯及其制备方法。

本发明的目的是这样实现的：本发明纤维增强复合材料芯是由内部结构和外层绝缘结构组成的，内部结构由3～40根平行或螺旋扭转的纤维增强耐高温树脂基细杆粘结而成，外层绝缘结构为耐高温不导电树脂涂层或耐高温、非导电纤维增强树脂层，其厚度为导线芯直径的10～40％，并且沿周长厚度均匀。

本发明纤维增强复合材料芯的制备方法，步骤如下：

步骤一：纤维增强耐高温树脂基细杆的制备：

纤维增强耐高温树脂基细杆是由连续纤维束与耐高温树脂经拉挤工艺制备的：

(1)选用连续碳纤维束或芳纶纤维束或超高分子量聚乙烯纤维束作为连续纤维束，选用玻璃化温度在100～250℃之间的环氧树脂或乙烯基聚酯作为耐高温树脂；

(2)利用拉挤机拉挤成型：拉挤机包括纱架、浸渍槽、圆形高温口模、后固化炉及牵拉装置，纤维辊固定在纱架上；耐高温树脂置于浸渍槽内，在牵拉装置以10～180cm/min拉挤速率的牵引作用下，连续纤维束从纱架褪下，进入浸渍槽内，并被耐高温树脂充分浸渍，然后通过圆形高温口模，固化成型，进一步通过后固化炉，进行后固化，形成连续纤维增强耐高温树脂基细杆；通过控制连续纤维束用量与拉挤口模直径，调节纤维增强耐高温树脂基细杆的直径在0.5-2mm之间，制备的纤维增强耐高温树脂基细杆缠绕在辊筒上；

步骤二：选用3～40根纤维增强耐高温树脂基细杆，使其通过注入胶黏剂的楔形口模，粘合成细棒状，并进一步通过注入高性能树脂的圆形口模，使细棒表面均匀涂覆高性能树脂涂层；或通过导轨直接均匀包覆高性能树脂浸渍的玻璃纤维布或芳纶纤维布或玄武岩纤维布，或高性能树脂浸渍的玻璃纤维束或芳纶纤维束或玄武岩纤维束，最后通过高温口模，固化成型为纤维增强复合材料芯；具体过程如下：

利用粗砂纸或喷砂工艺对纤维增强耐高温树脂基细杆进行连续机械打磨，丙酮清洗，并晾干；

3～40根处理后的纤维增强耐高温树脂基细杆完全平行或小角度扭转0～10度状态下，通过一楔形口模；

楔形口模的入口口径大，出口口径小，在楔形口入口区域开有胶黏剂注入口；

将耐高温环氧树脂作为胶黏剂，连续注入到楔形口模入口区域；为增加其模量与固化前粘度，可以添加1～5％的气相二氧化硅粉料；

纤维增强耐高温树脂基细杆通过楔形口模后，3～40根纤维增强耐高温树脂基细杆紧紧地并在一起，纤维增强耐高温树脂基细杆间充满未固化胶黏剂，称之为：多根纤维增强耐高温树脂基细杆粘合体；

玻璃纤维或芳纶纤维或玄武岩纤维非导电纤维布或非导电纤维束包覆的纤维增强复合材料芯的制备：

玻璃纤维或芳纶纤维或玄武岩纤维非导电纤维布或非导电纤维束通过浸渍槽充分浸渍，然后均匀包埋上述多根纤维增强耐高温树脂基细杆粘合体的表面；进一步通过圆形高温口模，树脂基体固化，制备出玻璃纤维或芳纶纤维或玄武岩纤维非导电纤维布或非导电纤维束包覆的纤维增强复合材料芯；

树脂层包覆的纤维增强复合材料芯的制备：上述多根纤维增强耐高温树脂基细杆粘合体通过低温口模，低温口模的直径与确定的纤维增强复合材料芯直径一致，并且在靠近低温口模的入口处开有胶黏剂注入口；当上述多根纤维增强耐高温树脂基细杆粘合体通过低温口模时，同时注入胶黏剂，通过低温口模后，胶黏剂均匀涂覆在纤维增强耐高温树脂基细杆的表面，最后，通过圆形高温口模，树脂基体固化，成型出树脂层包覆的纤维增强复合材料芯。

本发明制备的纤维增强复合材料芯在弯折作用下，由于纤维增强细杆间胶粘剂的良好韧性，在芯杆内部未形成脱层或纤维增强细杆的断裂；表面或树脂内部裂纹伸展到纤维细杆后终止，而不会引起纤维细杆的断裂破坏；在纤维增强细杆方向，由于纤维细杆有一定的扭转，在拉伸方向的断裂伸长率明显提高，韧性增强。本发明制备的纤维增强复合材料芯在轻质、高强、耐高温、热膨胀系数小的基础上，具有大幅度改善的横向抗剪性能、抗压性能、韧性及抗疲劳性能，能够避免现有碳纤维复合芯性脆、易折断等缺陷，从而避免相应铝绞线在应用过程中的断裂，大幅度提高其安全性能与寿命。

(四)附图说明

图1为本发明的细碳纤维棒扭转并股结构示意图；

图2为本发明的细碳纤维棒平行并股结构示意图；

图3为本发明的表面包覆纤维复合材料的纤维复合芯制备工艺示意图；

图4为本发明的表面包覆树脂层的纤维复合芯制备工艺示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图1-图4，本发明一种纤维增强复合材料芯，它是由内部结构和外层绝缘结构组成的，内部结构由3～40根平行或螺旋扭转的纤维增强耐高温树脂基细杆粘结而成，外层绝缘结构为耐高温不导电树脂涂层或耐高温、非导电纤维增强树脂层，其厚度为导线芯直径的10～40％，并且沿周长厚度均匀。

本发明纤维增强复合材料芯的制备方法，步骤如下：

步骤一：纤维增强耐高温树脂基细杆的制备：

纤维增强耐高温树脂基细杆是由连续纤维束与耐高温树脂经拉挤工艺制备的：

(1)选用12k的连续碳纤维束或芳纶纤维束或超高分子量聚乙烯纤维束作为连续纤维束，选用玻璃化温度在100～250℃之间的环氧树脂或乙烯基聚酯作为耐高温树脂；

(2)利用拉挤机拉挤成型：拉挤机包括纱架、浸渍槽、圆形高温口模、后固化炉及牵拉装置，纤维辊固定在纱架上；耐高温树脂置于浸渍槽内，在牵拉装置以10～180cm/min拉挤速率的牵引作用下，连续纤维束从纱架褪下，进入浸渍槽内，并被耐高温树脂充分浸渍，然后通过圆形高温口模，固化成型，进一步通过后固化炉，进行后固化，形成连续纤维增强耐高温树脂基细杆；通过控制拉挤口模直径，控制纤维增强耐高温树脂基细杆的直径在0.5-2mm之间，制备的纤维增强耐高温树脂基细杆缠绕在辊筒上；

步骤二：选用3～40根纤维增强耐高温树脂基细杆，使其通过注入胶黏剂的楔形口模，粘合成细棒状，并进一步通过注入高性能树脂的圆形口模，使细棒表面均匀涂覆高性能树脂涂层；或通过导轨直接均匀包覆高性能树脂浸渍的玻璃或芳纶或玄武岩纤维布或高性能树脂浸渍的玻璃或芳纶或玄武岩纤维束，最后通过高温口模，固化成型为纤维增强复合材料芯；具体过程如下：

利用粗砂纸或喷砂工艺对纤维增强耐高温树脂基细杆进行连续机械打磨，丙酮清洗，并晾干；

3～40根处理后的纤维增强耐高温树脂基细杆完全平行或小角度扭转0～10度状态下，通过一楔形口模；

楔形口模的入口口径大，出口口径小，在楔形口入口处开有胶黏剂注入口；

将耐高温环氧树脂作为胶黏剂，连续注入到楔形口模入口区域；为增加其模量与固化前粘度，添加1～5％的气相二氧化硅粉料；

纤维增强耐高温树脂基细杆通过楔形口模后，3～40根纤维增强耐高温树脂基细杆紧紧地并在一起，纤维增强耐高温树脂基细杆间充满未固化胶黏剂，称之为：多根纤维增强耐高温树脂基细杆粘合体；

玻璃纤维或芳纶纤维或玄武岩纤维非导电纤维布或非导电纤维束包覆的纤维增强复合材料芯的制备：

玻璃纤维或芳纶纤维或玄武岩纤维非导电纤维布或非导电纤维束通过浸渍槽充分浸渍，然后均匀包埋上述多根纤维增强耐高温树脂基细杆粘合体的表面；进一步通过圆形高温口模，树脂基体固化，制备出玻璃纤维或芳纶纤维或玄武岩纤维非导电纤维布或非导电纤维束包覆的纤维增强复合材料芯；

树脂层包覆的纤维增强复合材料芯的制备：上述多根纤维增强耐高温树脂基细杆粘合体通过低温口模，低温口模的直径与确定的纤维增强复合材料芯直径一致，并且在靠近低温口模的入口处开有胶黏剂注入口；当上述多根纤维增强耐高温树脂基细杆粘合体通过低温口模时，同时注入胶黏剂，通过低温口模后，胶黏剂均匀涂覆在纤维增强耐高温树脂基细杆的表面，最后，通过圆形高温口模，树脂基体固化，成型出树脂层包覆的纤维增强复合材料芯。

实施例2：纤维增强复合材料芯的制备方法：步骤如下：

步骤一：纤维增强耐高温树脂基细杆的制备：

纤维增强耐高温树脂基细杆是由连续纤维束与耐高温树脂经拉挤工艺制备的：

(1)选用日本东丽公司的12k-T700连续碳纤维束或美国杜邦公司的Kevlar-3000D芳纶纤维束或北京威顿国际贸易有限公司的2400D超高分子量聚乙烯纤维束作为连续纤维束、选用玻璃化温度在100～250℃之间的环氧树脂或乙烯基聚酯作为耐高温树脂；

(2)利用拉挤机拉挤成型：拉挤机包括纱架、浸渍槽、圆形高温口模、后固化炉及牵拉装置，纤维辊固定在纱架上；耐高温树脂置于浸渍槽内，浸渍槽温度40℃，在牵拉装置以80cm/min拉挤速率的牵引作用下，连续纤维束从纱架褪下，进入浸渍槽内，并被耐高温树脂充分浸渍，然后通过1.3mm圆形高温口模，固化成型，进一步通过后固化炉，进行后固化，形成连续纤维增强耐高温树脂基细杆；通过控制拉挤口模直径，控制纤维增强耐高温树脂基细杆的直径在0.5-2mm之间，纤维含量为70％，拉伸强度为2.5GPa，制备的纤维增强耐高温树脂基细杆缠绕在辊筒上；

步骤二：多根纤维增强耐高温树脂基细杆通过注入胶黏剂的楔形口模，纤维增强耐高温树脂基细杆通过胶黏剂粘合在一起，进一步被涂覆纤维增强树脂复合材料层或树脂涂层，最后通过高温口模，固化成型纤维增强复合材料芯；具体过程如下：

利用粗砂纸对20根纤维增强耐高温树脂基细杆进行连续打磨，丙酮清洗，并晾干；

20根处理后的纤维增强耐高温树脂基细杆完全平行或小角度扭转0～10度状态下，通过一楔形口模；

楔形口模的入口口径大，出口口径小，在楔形口入口处离开口50mm处开有胶黏剂注入口；

胶黏剂的制备：常熟佳发化学有限责任公司的JEH-001环氧树脂与济南赢创化工有限公司2％气相二氧化硅T40通过汇龙混合设备有限公司的FS30高速搅拌机在1500转/min下搅拌5分钟制备；

将胶黏剂连续注入到楔形口模入口区域；

纤维增强耐高温树脂基细杆通过楔形口模后，多根纤维增强耐高温树脂基细杆紧紧地并在一起，纤维增强耐高温树脂基细杆间充满未固化胶黏剂；

对非导电纤维布或束包覆的纤维增强复合材料芯：非导电纤维布或束通过浸渍槽充分浸渍，然后均匀包埋上述多根纤维增强耐高温树脂基细杆粘合体的表面；进一步通过圆形、高温口模，树脂基体固化，制备出纤维束或布包覆的纤维增强复合材料芯；

对树脂层包覆的纤维增强复合材料芯：上述多根纤维增强耐高温树脂基细杆粘合体通过一低温口模，低温口模的直径与确定的纤维增强复合材料芯直径一致，并且在靠近低温口模的入口处开有胶黏剂注入口；当上述多根纤维增强耐高温树脂基细杆粘合体通过低温口模时，同时注入胶黏剂，通过低温口模后，胶黏剂均匀涂覆在纤维增强耐高温树脂基细杆的表面，最后，通过圆形、高温口模，树脂基体固化，成型出树脂层包覆的纤维增强复合材料芯。

实施例3：纤维增强复合材料制备方法：首先，利用拉挤工艺制备1mm直径的碳纤维增强细杆，其中碳纤维为东丽T700，树脂为耐高温环氧树脂(玻璃化温度为210℃)，制备的碳纤维增强细杆的纤维体积含量为69％。将25束细碳纤维增强细杆通过图2所示工艺制备碳纤维复合芯：控制转动导轨的速率与牵拉速率的比值，确定碳纤维细杆沿牵拉方向的缠绕角度为10度；碳纤维增强细杆进入转动导轨前，首先通过胶粘剂漕，在通过固定导轨后，多余胶粘剂及气泡被挤出；连续玻璃纤维束(浙江巨石集团连续无捻粗纱，型号316)，通过环氧树脂漕(与碳纤维细杆树脂基体一致)，然后包覆在通过导轨的碳纤维棒材；继续通过高温拉挤模具，胶粘剂、包覆层树脂基体高温固化；继续牵引，转绕到辊筒上，成型出碳纤维复合芯。

拉挤成型工艺为料槽温度50℃，模具温度(三段)180℃、220℃、230℃，后固化温度250℃，拉挤速率为50mm/mi。成型的芯材直径为8mm。该碳纤维芯的拉伸强度为2.4GPa，模量135GPa，断裂伸长率为2％；其玻璃化温度达到210℃，抗压强度大于30MPa。

实施例4：纤维增强复合材料制备方法：首先，利用拉挤工艺制备1mm直径的碳纤维增强细杆，其中碳纤维为东丽T700，树脂为耐高温环氧树脂(玻璃化温度为210℃)，制备的碳纤维增强细杆的纤维体积含量为69％。将25束细碳纤维增强细杆通过图3所示工艺制备碳纤维复合芯：控制转动导轨的速率与牵拉速率的比值，确定碳纤维细杆沿牵拉方向的缠绕角度为10度；碳纤维增强细杆进入转动导轨前，首先通过胶粘剂漕，在通过固定导轨后，多余胶粘剂及气泡被挤出；轻度绞合的碳纤维棒束继续进入树脂包覆口模，在表面均匀包覆一层约1mm的改性高韧性、耐高温树脂层；包覆后的棒材进入高温拉挤模具，胶粘剂、包覆层树脂基体高温固化；继续牵引，转绕到辊筒上，成型出碳纤维复合芯。拉挤成型工艺为料槽温度50℃，模具温度(三段)180℃、220℃、230℃，后固化温度250℃，拉挤速率为50mm/mi。成型的芯材直径为8mm。该碳纤维芯的拉伸强度为2.3GPa，模量135GPa，断裂伸长率为2％；其玻璃化温度达到210℃。

Claims (2)

1.一种纤维增强复合材料芯，它是由内部结构和外层绝缘结构组成的，其特征在于：内部结构由3～40根平行或螺旋扭转的纤维增强耐高温树脂基细杆粘结而成，外层绝缘结构为耐高温不导电树脂涂层或耐高温、非导电纤维增强树脂层，其厚度为导线芯直径的10～40％，并且沿周长厚度均匀。

2.一种如权利要求1所述的纤维增强复合材料芯的制备方法：其特征在于：步骤如下：

步骤一：纤维增强耐高温树脂基细杆的制备：

纤维增强耐高温树脂基细杆是由连续纤维束与耐高温树脂经拉挤工艺制备的：

(1)选用12k的连续碳纤维束或芳纶纤维束或超高分子量聚乙烯纤维束作为连续纤维束，选用玻璃化温度在100～250℃之间的环氧树脂或乙烯基聚酯作为耐高温树脂；

(2)利用拉挤机拉挤成型：拉挤机包括纱架、浸渍槽、圆形高温口模、后固化炉及牵拉装置，纤维辊固定在纱架上；耐高温树脂置于浸渍槽内，在牵拉装置以10～180cm/min拉挤速率的牵引作用下，连续纤维束从纱架褪下，进入浸渍槽内，并被耐高温树脂充分浸渍，然后通过圆形高温口模，固化成型，进一步通过后固化炉，进行后固化，形成连续纤维增强耐高温树脂基细杆；通过控制拉挤口模直径，控制纤维增强耐高温树脂基细杆的直径在0.5-2mm之间，制备的纤维增强耐高温树脂基细杆缠绕在辊筒上；

步骤二：选用3～40根纤维增强耐高温树脂基细杆，使其通过注入胶黏剂的楔形口模，粘合成细棒状，并进一步通过注入高性能树脂的圆形口模，使细棒表面均匀涂覆高性能树脂涂层；或通过导轨直接均匀包覆高性能树脂浸渍的玻璃或芳纶或玄武岩纤维布或高性能树脂浸渍的玻璃或芳纶或玄武岩纤维束，最后通过高温口模，固化成型为纤维增强复合材料芯；具体过程如下：

利用粗砂纸或喷砂工艺对纤维增强耐高温树脂基细杆进行连续机械打磨，丙酮清洗，并晾干；

3～40根处理后的纤维增强耐高温树脂基细杆完全平行或小角度扭转0～10度状态下，通过一楔形口模；

楔形口模的入口口径大，出口口径小，在楔形口入口处开有胶黏剂注入口；

将耐高温环氧树脂作为胶黏剂，连续注入到楔形口模入口区域；为增加其模量与固化前粘度，添加1～5％的气相二氧化硅粉料；

纤维增强耐高温树脂基细杆通过楔形口模后，3～40根纤维增强耐高温树脂基细杆紧紧地并在一起，纤维增强耐高温树脂基细杆间充满未固化胶黏剂，称之为：多根纤维增强耐高温树脂基细杆粘合体；

玻璃纤维或芳纶纤维或玄武岩纤维非导电纤维布或非导电纤维束包覆的纤维增强复合材料芯的制备：

玻璃纤维或芳纶纤维或玄武岩纤维非导电纤维布或非导电纤维束通过浸渍槽充分浸渍，然后均匀包埋上述多根纤维增强耐高温树脂基细杆粘合体的表面；进一步通过圆形高温口模，树脂基体固化，制备出玻璃纤维或芳纶纤维或玄武岩纤维非导电纤维布或非导电纤维束包覆的纤维增强复合材料芯；

树脂层包覆的纤维增强复合材料芯的制备：上述多根纤维增强耐高温树脂基细杆粘合体通过低温口模，低温口模的直径与确定的纤维增强复合材料芯直径一致，并且在靠近低温口模的入口处开有胶黏剂注入口；当上述多根纤维增强耐高温树脂基细杆粘合体通过低温口模时，同时注入胶黏剂，通过低温口模后，胶黏剂均匀涂覆在纤维增强耐高温树脂基细杆的表面，最后，通过圆形高温口模，树脂基体固化，成型出树脂层包覆的纤维增强复合材料芯。

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