KR20110025997A - 섬유-중합체 복합재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 섬유-중합체 복합 코어 및 관형 금속 도체를 구비한 섬유-중합체 복합재-지지 도체이다. 관형 금속 도체는 코어상에 있다. 도체의 배치(disposition)로 인해 발생하는 실질적으로 모든 기계적 장력은 섬유-중합체 복합 코어가 지탱한다.
Description
본 발명은 지지 오버헤드 전력 케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 섬유-중합체 복합재-지지 오버헤드 전력 케이블에 관한 것이다.
현재, 알루미늄 도체 강철 강화형(ACSR) 및 알루미늄 도체 강철 지지형(ACSS)과 같은 베어(bare) 알루미늄 도체 오버헤드 와이어는 그 중량을 지탱할 강철 코어(steel core)로 구성한다. 섬유 강화 중합체 복합 재료를 사용하여 강철 코어를 대체할 수 있다.
섬유 강화 중합체 복합 재료는 중량 및 강도에 관하여 장점을 제공할 수 있다. 반면, 중합체 복합 재료는 피로 내구성, 비틀림 강도, 및 표면 프레팅 저항성에 관하여 단점을 또한 갖는다. 오버헤드 와이어는 60년 초과의 유효 수명을 가져야하기 때문에, 피로, 비틀림 강도, 및 표면 프레팅 이슈를 해결하는 것은 강철 코어 와이어에 대한 대안의 유용성에 있어서 중요하다.
피로, 비틀림, 및 표면 프레팅 저항성과 관련된 단점을 극복하는 알루미늄 도체 섬유-중합체 복합재 지지 오버헤드 와이어를 제공할 필요가 있다. 추가로, 섬유 강화 중합체 복합 코어는 ASTM B 341/B 341M-02를 충족시키기 충분한 기계적 특성을 나타내야 하고, 높은 신장률과 높은 모듈러스를 가져야 한다. 복합 코어는 고온 내성 및 높은 파괴 인성을 또한 나타내야 한다. 또한, 인발하기 전에 느슨한 연속 섬유를 특정 미세구조로 예비-성형함으로써 인발 공정의 복잡도를 줄일 필요가 있다. 더욱이, 강철 코어를 더 가볍고 더 강한 합성 재료(즉, 더 높은 강도 대 중량 비)로 대체하는 것이 바람직하다.
알루미늄 도체 섬유-중합체 복합 지지체는 오버헤드 요건을 해결하는 데 충분해야하지만, 본 기술분야의 당업자는 해저 광섬유 케이블을 포함하는 다른 응용을 위한 지지체의 유용성을 쉽게 인식한다.
도 1은 본 발명에 따른 섬유-중합체 복합재의 미세구조를 도시하는데, 미세구조는 코어의 종 방향으로 정렬된 축 방향 섬유뿐만 아니라 특정 나선 각도로 축 방향 섬유 주위에 브레이디드된(braided) 트위스트형 섬유로 이루어진다.
도 2는 섬유-중합체 복합재-지지 알루미늄 도체를 도시한다.
도 2는 섬유-중합체 복합재-지지 알루미늄 도체를 도시한다.
본 발명은 (a) 섬유-중합체 복합 코어 및 (b) 관형 금속 도체를 포함하는 섬유-중합체 복합재-지지 오버헤드 도체이다. 관형 금속 도체는 코어상에 있고, 모든 도체 동작 온도에서 주위 온도가 얼음 및 눈이 도체상에 쌓이는 온도를 초과하는 경우 도체의 긴장된-오버헤드 배치(strung-overhead disposition)로부터 발생하는 실질적으로 모든 기계적 장력은 섬유-중합체 복합 코어가 지탱하는, 조성 및 연질 템퍼(temper)의 것이고, 관형 금속 도체는 그로 인해 생긴 임의의 응력을 견딜 필요가 있는 경우 비탄성적으로 신장하여 섬유-중합체 복합 코어가 이러한 응력을 지탱하도록 한다.
바람직하게는, 섬유-중합체 복합 코어는 탄소 섬유 및 에폭시 수지를 포함하는 탄소 섬유-강화 중합체 조성물이다. 더욱 바람직하게는, 탄소 섬유는 약 70 중량% 내지 약 90 중량%, 더욱 바람직하게는 약 75 중량% 내지 약 85 중량%, 더 더욱 바람직하게는 약 78 중량% 내지 약 85 중량%의 양으로 존재해야 한다.
바람직하게는, 탄소 섬유는 약 80㎬ 이상의 탄성 모듈러스를 가질 것이다. 더욱 바람직하게는, 탄성 모듈러스는 약 120㎬ 이상일 것이다. 더욱이, 탄소 섬유는 바람직하게는 약 1.5% 이상의 파괴 최대 신장률을 가질 것이다.
에폭시 수지는 단일 수지 또는 1종 초과 수지의 혼합물일 수도 있다. 바람직하게는, 에폭시 수지는 약 10 중량% 내지 약 30 중량%, 더욱 바람직하게는 약 15 중량% 내지 약 25 중량%, 더 더욱 바람직하게는 약 15 중량% 내지 약 23 중량%의 양으로 존재해야 한다. 바람직하게는, 에폭시 수지는 열경화성 에폭시 수지이다. 더욱 바람직하게는, 수지는 약 150℃ 초과의 유리 전이 온도를 가질 것이다.
탄소 섬유-강화 중합체 조성물은 절단형 탄소 섬유(chopped carbon fiber), 탄소 나노튜브, 또는 둘 다를 더 포함할 수도 있다. 존재하는 경우, 탄소 섬유 또는 탄소 나노튜브는 바람직하게는 약 0.5 중량% 내지 약 10 중량%, 더욱 바람직하게는 약 1 중량% 내지 7 중량%, 더 더욱 바람직하게는 약 1 중량% 내지 약 5 중량%의 양으로 존재한다.
탄소 섬유-강화 중합체 조성물은 경화제를 더 포함할 수도 있다. 존재하는 경화제의 양은 조성물을 제조하는 데 사용한 에폭시의 양과 종류에 좌우될 것이다.
관형 금속 도체는 전도성 금속으로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 금속 도체는 알루미늄일 것이다. 더욱 바람직하게는, 관형 알루미늄 도체는 61% IACS 이상의 전기 전도율을 갖는다.
본 발명의 다른 실시양태는 인발 공정 전에 연속 섬유를 특정 미세구조로 예비-성형한다. 이러한 미세구조는 코어의 종 방향으로 정렬된 축 방향 섬유뿐만 아니라 특정 나선 각도로 축 방향 섬유 주위에 브레이디드된 트위스트형 섬유로 이루어진다. 더 높은 나선 각도는 일반적으로 비틀림 강도를 증가시킬 것으로 생각된다.
바람직하게는, 인발 공정 동안 절단형 탄소 섬유 또는 나노튜브를 에폭시 수지에 부가한다.
바람직하게는, 축 방향 섬유 대 축 방향 섬유 주위에 브레이디드된 트위스트형 섬유의 비는 약 50% 내지 약 95%이다. 인장 강도와 비틀림/굽힘 강성 간의 균형이 이루어져야 한다고 생각된다. 따라서, 비의 증가는 복합 코어의 인장 강도를 증가시킬 것이지만 비틀림/굽힘 강도의 감소를 발생시킬 것이기 때문에 비는 주의해서 선택하여 이용해야 한다고 생각된다.
바람직하게는, 엮인 섬유의 나선 각도는 약 15도 내지 약 55도의 범위이어야 한다. 축 방향 섬유 대 트위스트형 섬유의 비와 함께, 인장 강도와 비틀림/굽힘 강성 간의 균형이 이루어져야 한다고 생각된다. 따라서, 나선 각도의 증가는 복합 코어의 인장 강도를 감소시킬 것이지만 비틀림/굽힘 강도를 증가시킬 것이기 때문에 나선 각도는 주의해서 선택하여 이용해야 한다고 생각된다.
또 다른 실시양태에서, 본 발명은 (a) 섬유-중합체 복합 코어; (b) 코어상에 수용되고, 모든 도체 동작 온도에서 도체의 긴장된 배치로 인해 발생하는 실질적으로 모든 기계적 장력은 섬유-중합체 복합 코어가 지탱하는, 조성 및 연질 템퍼의 관형 금속 도체로서, 그로 인해 생긴 임의의 응력을 견딜 필요가 있는 경우 비탄성적으로 신장하여 섬유-중합체 복합 코어가 이러한 응력을 지탱하도록 하는, 관형 도체를 포함하는 섬유-중합체 복합재-지지 도체이다. 관형 도체는 전력 또는 정보를 전달한다.
또 다른 실시양태에서, 본 발명은 섬유-중합체 복합 코어이다. 복합재는 하나 이상의 브레이디드된 "매크로-와이어(macro-wire)"로 구성된다. "매크로-와이어"는 예비-성형 공정 후 정사각형 단면을 갖거나 갖지 않을 수도 있다. 바람직하게는, "매크로-와이어"는 원형 다이를 통해 인발되는 경우 원형 단면으로 될 것이다.
Claims (10)
- 섬유-중합체 복합재-지지 오버헤드 도체로서,
(a) 섬유-중합체 복합 코어;
(b) 상기 코어상에 수용되고, 모든 도체 동작 온도에서 주위 온도가 얼음 및 눈이 상기 도체상에 쌓이는 온도를 초과하는 경우 도체의 긴장된-오버헤드 배치(strung-overhead disposition)로 인해 발생하는 실질적으로 모든 기계적 장력은 섬유-중합체 복합 코어가 지탱하는, 조성 및 연질 템퍼(temper)의 관형 금속 도체로서, 임의의 응력을 지탱할 필요가 있는 경우 비탄성적으로 신장하여 섬유-중합체 복합 코어가 이러한 응력을 지탱하도록 하는, 관형 금속 도체
를 포함하는 섬유-중합체 복합재-지지 오버헤드 도체. - 제1항에 있어서,
섬유-중합체 복합 코어는 미세구조-예비성형된 연속 섬유를 포함하는 섬유-중합체 복합재-지지 오버헤드 도체. - 제1항에 있어서,
섬유-중합체 복합 코어의 섬유는 코어의 종 방향으로 축 방향으로 정렬되는 섬유-중합체 복합재-지지 오버헤드 도체. - 제1항에 있어서,
섬유-중합체 복합 코어의 섬유는 코어의 종 방향으로 축 방향으로 정렬되는 제1 세트의 섬유 및 제1 세트의 축 방향 섬유 주위에 브레이디드된(braided) 제2 세트의 트위스트형 섬유인 섬유-중합체 복합재-지지 오버헤드 도체. - 제1항에 있어서,
섬유-중합체 복합 코어는 적어도 하나의 브레이디드된 매크로-와이어로 구성되는 섬유-중합체 복합재-지지 오버헤드 도체. - 제1항에 있어서,
관형 금속 도체는 알루미늄 도체인 섬유-중합체 복합재-지지 오버헤드 도체. - 제6항에 있어서,
관형 알루미늄 도체는 61% IACS 이상의 전기 전도율을 갖는 섬유-중합체 복합재-지지 오버헤드 도체. - 섬유-중합체 복합재-지지 도체로서,
(a) 섬유-중합체 복합 코어;
(b) 상기 코어상에 수용되고, 모든 도체 동작 온도에서 도체의 긴장된 배치로 인해 발생하는 실질적으로 모든 기계적 장력은 섬유-중합체 복합 코어가 지탱하는, 조성 및 연질 템퍼의 관형 금속 도체로서, 임의의 응력을 지탱할 필요가 있는 경우 비탄성적으로 신장하여 섬유-중합체 복합 코어가 이러한 응력을 지탱하도록 하는, 관형 도체
를 포함하는 섬유-중합체 복합재-지지 도체. - 제8항에 있어서,
관형 도체는 전력을 전달하는 섬유-중합체 복합재-지지 도체. - 제8항에 있어서,
관형 도체는 정보를 전달하는 섬유-중합체 복합재-지지 도체.
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