CN201893163U - 一种用于架空输电线路的高性能碳纤维复合芯 - Google Patents
一种用于架空输电线路的高性能碳纤维复合芯 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种用于架空输电线路的高性能碳纤维复合芯，包括内芯、增强层以及保护层；所述内芯为碳纤维沿轴向单一取向的圆柱体，所述增强层包覆在所述内芯表面，所述保护层包覆在所述增强层表面，所述增强层和保护层为多轴向织物结构。本实用新型由于将碳纤维复合芯的增强层和保护层设置为多轴向织物结构，使用这种织物结构增强复合芯，可以增强复合芯各个方向上的拉伸力。相对于传统碳纤维复合芯，该结构具有优良的抗压、抗剪切、抗弯曲、抗扭转和抗撕裂等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于架空输电线路的高性能碳纤维复合芯。
背景技术
碳纤维复合芯需要能够在各种苛刻恶劣的环境和条件下承受足够大的拉、压、弯、扭等应力的综合作用。传统的碳纤维复合芯结构，由于碳纤维、玻璃纤维在树脂中沿纵向单一取向，在平行方向上具有很好的强度保证，但在其他方向上没有纤维取向，导致复合电缆芯的抗压、抗剪切、抗弯曲、抗扭转和抗撕裂性能差。
采用长丝纤维拉缠工艺成型的碳纤维复合芯，虽然可按不同层的缠绕角设计可得到一定抗压、抗剪切、抗弯曲的复合芯，但由于缺少沿复合芯横向的纤维存在，缠绕层之间可能出现分层问题，力学性能改善的效果不明显。
发明内容
本实用新型设计了一种用于架空输电线路的高性能碳纤维复合芯，其解决了以下技术问题：现有复合芯中的碳纤维、玻璃纤维在树脂中沿纵向单一取向，导致复合电缆芯的抗压、抗剪切、抗弯曲、抗扭转和抗撕裂性能差。
为了解决上述存在的技术问题，本实用新型采用了以下方案：
一种用于架空输电线路的高性能碳纤维复合芯，包括内芯、增强层以及保护层；所述内芯为碳纤维沿轴向单一取向的圆柱体，所述增强层包覆在所述内芯表面，所述保护层包覆在所述增强层表面，所述增强层和保护层为多轴向织物结构。
所述增强层和所述保护层共用一个多轴向织物。
所述增强层和所述保护层分别使用一多轴向织物。
所述所述增强层和保护层为多轴向织物结构，其中所述四轴向织物由四组衬纱组成，包括：第一组衬纱、第二组衬纱、第三组衬纱以及第四组衬纱；所述四组衬纱依次按照0°、+45°、-45°以及90°的衬入次序和方向排布。所述三轴向织物由三组衬纱组成，少了四轴向织物中的一组衬纱，所述三组衬纱依次按照0°、θ以及90°的衬入次序和方向排布。
所述增强层和保护层共用一个所述四轴向织物或三轴向织物，所述第三组衬纱和第四组衬纱或者所述第二组衬纱、所述第三组衬纱和第四组衬纱作为所述增强层，所述增强层的材质为高强度的碳纤维或芳纶纤维中的一种或两种，剩余的一组或两组衬纱采用绝缘保护的玻璃纤维或玄武岩纤维。
所述增强层和所述保护层分别采用所述四轴向织物或三轴向织物，所述增强层中的四组或三组衬纱的材质为碳纤维或或芳纶纤维中的一种或两种，所述保护层中的四组或三组衬纱的材质为绝缘作用好的玻璃纤维或玄武岩纤维。
所述四轴向织物或三轴向织物还包括绑缚纱，所述绑缚纱形成的编链组织或经平组织。捆绑纱为柔软无脆性，抗强冲击、便于成圈的高强涤纶或超高分子聚乙烯纤维。
该用于架空输电线路的高性能碳纤维复合芯与普通纤维复合芯相比，具有以下有益效果：
(1)本实用新型由于将碳纤维复合芯的增强层和保护层设置为多轴向织物结构，使用这种织物结构增强复合芯，可以增强复合芯各个方向上的拉伸力。贯穿于长度方向上的增强纱可以吸收由于弯曲而在复合芯表面产生的拉伸应力。该织物中横向的纱可以吸收复合芯受力区域的横向应力，并避免长度方向上的增强纤维在横截面上的受压区域受压弯曲。当复合芯横截面上出现扭转应力时，压应力和张应力与长度方向呈+45°或-45°处于结构的表面。这时，该织物可以直接吸收拉伸应力而不偏离扭转力的受力方向。
(2)本实用新型由于绑缚纱的存在提高了层间的剪切强度和各个方向上的尺寸稳定性，将分层的可能降低到最低程度，故这种织物设计灵活、拉伸性能、层间剪切性能和抗撕裂性能好。采用这种织物结构作为增强材料较纤维分层缠绕，减少了缠绕层数，提高了整体性、消除了纤维缠绕层之间可能出现的分层问题。
(3)本实用新型中的多轴向织物结构碳纤维复合芯采用普通的拉挤工艺或拉缠工艺就可以一次成型，因此工艺简单，加工方便。
附图说明
图1：本实用新型用于架空输电线路的高性能碳纤维复合芯的横断面结构示意图；
图2：本实用新型用于架空输电线路的高性能碳纤维复合芯的另一种横断面结构示意图；
图3：本实用新型四轴向织物结构示意图；
图4：碳纤维复合芯包覆-拉挤法成型工艺示意图；
图5：包覆-拉挤法所用预成型板第一种结构示意图；
图6：包覆-拉挤法所用预成型板第二种结构示意图；
图7：包覆-拉挤法所用预成型板第三种结构示意图；
图8：本实用新型轴向包覆多轴向织物碳纤维复合芯的第一种纵向结构示意图；
图9：本实用新型轴向包覆多轴向织物碳纤维复合芯的第二种纵向结构示意图；
图10：碳纤维复合芯包缠-拉挤法成型工艺示意图；
图11：第一种角度包缠多轴向织物碳纤维复合芯的纵向结构示意图；
图12：第二种角度包缠多轴向织物碳纤维复合芯的纵向结构示意图；
图13：第三种角度包缠多轴向织物碳纤维复合芯的纵向结构示意图；
图14：第四种角度包缠多轴向织物碳纤维复合芯的纵向结构示意图；
图15：第五种角度包缠多轴向织物碳纤维复合芯的纵向结构示意图；
图16：第六种角度包缠多轴向织物碳纤维复合芯的纵向结构示意图；
附图标记说明：
1-内芯；2-增强层；3-保护层；21-绑缚纱；22-第一组衬纱；23-第二组衬纱；24-第三组衬纱；25-第四组衬纱；
401-纱架；402-碳纤维；403-多轴向织物带；404-预处理装置；405-浸胶装置；406-预成型区；407-拉挤模具；408-后固化炉；409-牵引机；410-收卷盘；
51-圆孔；52-内圆弧狭缝；53-外圆弧狭缝；
61-内芯；62-增强层；63-接缝；64-保护层；
701-纱架；702-碳纤维；703-预处理装置；704-浸胶装置；705-预成型区；706-第一缠绕区；707-多轴向织物带；708-第二缠绕区；709-拉挤模具；710-后固化炉；711-牵引机；712-收卷盘；
81-内芯；82-增强层；83-保护层。
具体实施方式
下面结合图1至图16，对本实用新型做进一步说明：
如图1所示，一种用于架空输电线路的高性能碳纤维复合芯，包括内芯1、增强层2以及保护层3；所述内芯1为碳纤维沿轴向单一取向的圆柱体，所述增强层2包覆在所述内芯1表面，所述保护层3包覆在所述增强层2表面，所述增强层2和保护层3为多轴向织物结构。所述增强层2和所述保护层3共用一个多轴向织物。
如图2所示，所述增强层2和所述保护层3分别使用一多轴向织物。
所述增强层2和保护层3为四轴向织物或三轴向织物结构，如图3所示，所述四轴向织物由四组衬纱22、23、24、25组成，包括：第一组衬纱22、第二组衬纱23、第三组衬纱24以及第四组衬纱25；所述四组衬纱22、23、24、25依次按照0°、+45°、-45°以及90°的衬入次序和方向排布。这是一种合适的增强结构，在其纵向、横向和斜向(+45°和-45°)都有增强纱。
当所述增强层2和保护层3共用一个所述四轴向织物或三轴向织物时，所述第三组衬纱24和第四组衬纱25或者所述第二组衬纱23、所述第三组衬纱24和第四组衬纱25作为所述增强层，所述增强层的材质为高强度的碳纤维或芳纶纤维中的一种或两种，剩余的一组或两组衬纱采用绝缘保护的玻璃纤维或玄武岩纤维。
当所述增强层2和所述保护层3分别采用所述四轴向织物或三轴向织物时，所述增强层2中的四组或三组衬纱的材质为碳纤维或芳纶纤维中的一种或两种，所述保护层中的四组或三组衬纱的材质为绝缘作用好的玻璃纤维或玄武岩纤维。
复合芯的成型工艺可以采用两种方法：“包覆-拉挤法”和“包缠-拉挤法”。
从操作性、简便性和性能上，首先选择前种方法。
如图4所示，“包覆-拉挤法”包括以下处理步骤：
1、首先，根据复合芯外部增强层、保护层的外径，将对应的织物裁剪成外径的1/2，收卷成筒；若增强层、保护层共用一个织物，则根据保护层的外径进行裁剪；
2、然后如图4所示，碳纤维402、多轴向织物带403分别从纱架401的中间、上下处引出，经过预处理装置404除去纤维及织物上的水分、挥发性物质，进入浸胶装置405，经浸胶装置中挤胶辊的挤胶作用控制胶含量；
3、浸胶完成后的碳纤维402、多轴向织物带403进入预成型区406，在预成型区406中，碳纤维402、多轴向织物带403依次进入一系列特殊的预成型板进行预成型，
如图5、6、7所示，碳纤维依次从图5、图6、图7中的圆孔51中通过逐渐集束，多轴向织物带依次从从图5、图6、图7中的内圆弧狭缝52、从图5、图6、图7中的外圆弧狭缝53中通过实现逐层逐次逐渐的包覆在碳纤维内芯上；
4、出了预成型区后，碳纤维集束成内芯，多轴向织物从上下、左右方向完全包覆在碳纤维内芯上形成外部的增强层和保护层，内芯、外部的增强层和保护层共同进入拉挤模具407进行成型固化；
5、成型的复合芯再通过后固化炉408，进一步提高产品固化度；
6、最后复合芯通过牵引机409牵引出，在收卷盘410处收卷。
图8和图9为采用包覆-拉挤法生产的碳纤维复合芯的纵向结构示意图，其中图8为增强层62和保护层64分别使用多轴向织物，图9为增强层62和保护层64共用一个多轴向织物，图8和图9中的63为织物带之间的接缝。
如图10所示，为碳纤维复合芯包缠-拉挤法成型工艺示意图。包括以下步骤：
1、首先，根据复合芯外部增强层、保护层的外径，将对应的织物裁剪成外径的几分之一(例如：1/4，1/5等)收卷成筒；若增强层、保护层共用一个织物，则根据保护层的外径进行裁剪；
2、碳纤维702从纱架701引出，经过预处理装置703除去纤维及织物上的水分、挥发性物质，进入浸胶装置704，经浸胶装置中挤胶辊的挤胶作用控制胶含量；
3、浸胶完成后的碳纤维702进入预成型区705，碳纤维702逐渐集束形成碳纤维内芯；
4、出了预成型区后进入第一缠绕区706，多轴向织物带707由以顺时针方向一定转速转动的缠绕盘周围的筒子上引出，经浸胶装置，以一定的包缠角集束包缠在碳纤维内芯上形成外部的增强层；
5、然后进入第二缠绕区708，多轴向织物带由以逆时针方向一定转速转动的缠绕盘周围的筒子上引出，经浸胶装置，以一定的包缠角集束包缠在碳纤维内芯上形成外部的保护层，若外部的增强层和保护层共用一个织物，则只需通过一个缠绕区；
6、碳纤维内芯、外部包缠好的增强层和保护层共同进入拉挤模具709进行成型固化；
7、成型的复合芯再通过后固化炉710，进一步提高产品固化度；
8、最后复合芯通过牵引机711牵引出，在收卷盘712处收卷。
图11至图16为采用包缠-拉挤法生产的碳纤维复合芯的纵向结构示意图，包括内芯81、增强层82以及保护层83。其中图11、图12、图13、图14、图15、图16的包缠角依次为90°(双层、环向)、90°(单层、环向)、±10°(双层、扭绞)、10°(单层、扭绞)、±45°(双层、扭绞)、45°(单层、扭绞)，包缠角定义为织物带与轴向的夹角。
上述方法均采用湿法浸润树脂的工艺，除此之外，也可将多轴向织物制成预浸料后，再裁剪成预浸带，然后以干法不用浸胶的方式按上述二种方法成型。
上面结合附图对本实用新型进行了示例性的描述，显然本实用新型的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围内。
Claims (9)
1.一种用于架空输电线路的高性能碳纤维复合芯，包括内芯(1)、增强层(2)以及保护层(3)；所述内芯(1)为碳纤维沿轴向单一取向的圆柱体，所述增强层(2)包覆在所述内芯(1)表面，所述保护层(3)包覆在所述增强层(2)表面，其特征在于：所述增强层(2)和保护层(3)为多轴向织物结构，取向角为0°、90°和±θ，θ在30°～90°之间变化。
2.根据权利要求1所述用于架空输电线路的高性能碳纤维复合芯，其特征在于：所述增强层(2)和所述保护层(3)共用一个多轴向织物。
3.根据权利要求1所述用于架空输电线路的高性能碳纤维复合芯，其特征在于：所述增强层(2)和所述保护层(3)分别使用一多轴向织物。
4.根据权利要求2所述用于架空输电线路的高性能碳纤维复合芯，其特征在于：所述增强层(2)和保护层(3)共同形成多轴向织物结构，其中包括三轴向和四轴向织物结构，所述四轴向织物由四组衬纱(22、23、24、25)组成，包括：第一组衬纱(22)、第二组衬纱(23)、第三组衬纱(24)以及第四组衬纱(25)；所述四组衬纱(22、23、24、25)依次按照0°、+45°、-45°以及90°的衬入次序和方向排布。所述三轴向织物由三组衬纱组成，所述三组衬纱依次按照0°、θ以及90°的衬入次序和方向排布。
5.根据权利要求3所述用于架空输电线路的高性能碳纤维复合芯， 其特征在于：所述增强层(2)和保护层(3)分别为多轴向织物结构，其中所述四轴向织物由四组衬纱(22、23、24、25)组成，包括：第一组衬纱(22)、第二组衬纱(23)、第三组衬纱(24)以及第四组衬纱(25)；所述四组衬纱(22、23、24、25)依次按照0°、+45°、-45°以及90°的衬入次序和方向排布。所述三轴向织物由三组衬纱组成，所述三组衬纱依次按照0°、θ以及90°的衬入次序和方向排布。
6.根据权利要求4所述用于架空输电线路的高性能碳纤维复合芯，其特征在于：所述增强层(2)和保护层(3)共用一个所述四轴向织物或三轴向织物，所述第三组衬纱(24)和第四组衬纱(25)或者所述第二组衬纱(23)、所述第三组衬纱(24)和第四组衬纱(25)作为所述增强层，所述增强层的衬纱为高强度的碳纤维或芳纶纤维，为了便于织造，衬纱可适当加捻，剩余的一组或两组衬纱为绝缘保护的玻璃纤维或玄武岩纤维。
7.根据权利要求5所述用于架空输电线路的高性能碳纤维复合芯，其特征在于：所述增强层(2)和所述保护层(3)分别采用所述四轴向织物或三轴向织物，所述增强层(2)中的四组或三组衬纱的材质为碳纤维或芳纶纤维，所述保护层中的四组或三组衬纱的材质为绝缘作用好的玻璃纤维或玄武岩纤维。
8.根据权利要求4或5所述用于架空输电线路的高性能碳纤维复合芯，其特征在于：所述四轴向织物还包括绑缚纱(21)，所述绑缚纱(21)形成的编链组织或经平组织。
9.根据权利要求4或5所述用于架空输电线路的高性能碳纤维复合芯，其特征在于：所述捆绑纱(21)为柔软无脆性，抗强冲击、便于成圈的高强涤纶或超高分子聚乙烯纤维。
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