MX2011000169A - Compuesto de fibra-polimero. - Google Patents
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Abstract
La presente invención es un conductor soportado por compuesto de fibra-polímero con un núcleo de compuesto de fibra-polímero y un conductor de metal tubular. El conductor de metal tubular está sobre el núcleo. Substancialmente toda la tensión mecánica que resulta de la disposición del conductor es soportada por el núcleo de compuesto de fibra-polímero.
Description
COMPU ESTO DE FI BRA-POLI M ERO
La invención se refiere a cables de alta tensión soportados. De manera específica, la invención se refiere a cables de alta tensión soportados por compuesto de fibra-polímero.
Actualmente, los alambres de aéreos de conductor de aluminio desnudo tal como conductor de aluminio de acero reforzado (ACSR) y conductor de aluminio de acero soportado (ACSS) son construidos con un núcleo de acero para portar su peso. Los materiales de compuestos poliméricos reforzados con fibra pueden ser usados para reemplazar el núcleo de acero.
Los materiales de compuestos poliméricos reforzados con fibra pueden proporcionar ventajas con respecto a peso y fuerza. Por otra parte, los materiales de compuestos poliméricos también tienen desventajas con respecto a la durabilidad de fatiga, fuerza de torsión y resistencia a corrosión de superficie. Debido a que los alambres aéreos deberían tener una vida de servicio que exceda 60 años, resolver cuestiones de fatiga, resistencia de torsión y corrosión de superficie son críticas para la utilidad de alternativas a alambre de núcleo de acero.
Existe la necesidad de proporcionar un alambre aéreo soportado con compuesto de fibra-polímero de conductor de aluminio que supere las desventajas asociadas con la fatiga, torsión y resistencia a corrosión de superficie. De manera adicional, el núcleo de compuesto polimérico reforzado con fibra debería demostrar las propiedades mecánicas suficientes para satisfacer ASTM B 341 /% 341 M - 02 y tener alta
elongación y alto módulo. El núcleo de compuesto también debería demostrar resistencia a altas temperaturas y alta dureza a fractura. También existe la necesidad de reducir la complejidad del proceso de pultrusión al pre-formar las fibras continuas sueltas en microestructuras específicas antes de la pultrusión. Adicionalmente, es deseable reemplazar núcleos de acero con materiales sintéticos más ligeros y más fuertes (es decir, mayores proporciones de fuerza a peso).
Aunque el soporte de compuesto de fibra-polímero de conductor de aluminio debería ser suficiente para resolver las necesidades aéreas, una persona de habilidad ordinaria en la técnica reconocería fácilmente la utilidad del soporte para otras aplicaciones, incluyendo cable óptico de fibra submarina.
La Figura 1 muestra una microestructura del compuesto de fibra-polímero inventado, en donde las microestructuras consisten de fibras axiales alineadas en la dirección longitudinal del núcleo así como fibras retorcidas trenzadas alrededor de las fibras axiales con ciertos ángulos de hélice.
La Figura 2 muestra un conductor de aluminio soportado por compuesto de fibra-polímero.
La presente invención es un conductor aéreo soportado por compuesto de fibra-polímero que comprende: (a) un núcleo de compuesto de fibra-polímero, y (b) un conductor de metal tubular. El conductor de metal tubular es de composición tal y temple suave que para todas las temperaturas de operación de conductor, cuando la temperatura ambiente está por arriba de aquélla a la cual el hielo y la
nieve se acumularían sobre el conductor, substancialmente toda la tensión mecánica que resulta de la disposición encordada-superior del conductor es soportada por el núcleo de compuesto de fibra-polímero, y el conductor de metal tubular, si es llamado a soportar cualquier tensión consecuente se alargaría, en su lugar, de manera inelástica dejando que tal tensión sea soportada por el núcleo de compuesto de fibra-polímero.
De preferencia, el núcleo de compuesto de fibra-polímero es una composición polimérica reforzada con fibra de carbono comprendiendo una fibra de carbono y una resina epóxica. Más preferiblemente, la fibra de carbono debería estar presente en una cantidad entre aproximadamente 70 por ciento en peso hasta aproximadamente 90 por ciento en peso, más preferiblemente, entre aproximadamente 75 por ciento en peso y aproximadamente 85 por ciento en peso, y aún más preferiblemente, entre aproximadamente 78 por ciento en peso y aproximadamente 85 por ciento en peso.
De preferencia, las fibras de carbono tendrán un módulo elástico mayor que o igual a aproximadamente 80GPa. Más preferiblemente, el módulo elástico será mayor que o igual a aproximadamente 120 GPa. Adicíonalmente, las fibras de carbono de preferencia tendrán una elongación final a falla sobre aproximadamente 1 .5 por ciento.
La resina epóxica puede ser una resina simple o una mezcla de más de una resina. De preferencia, la resina epóxica debería estar presente en una cantidad entre aproximadamente 10 por ciento en peso y aproximadamente 30 por ciento en peso, más preferiblemente, entre aproximadamente 1 5 por ciento en peso y aproximadamente 25 por
ciento en peso, y aún más preferiblemente, entre aproximadamente 15 por ciento en peso y aproximadamente 23 por ciento en peso. De preferencia, la resina epóxica es una resina epóxica termofijada. Más preferiblemente, la resina tendrá una temperatura de transición de vidrio por arriba de aproximadamente 1 50 grados Celsius.
La composición polimérica reforzada con fibra de carbono puede comprender además fibras de carbono cortadas, nanotubos de carbono o ambos. Cuando están presentes, las fibras de carbono o nanotubos de carbono están de preferencia presentes en una cantidad entre aproximadamente 0.5 por ciento en peso hasta aproximadamente 10 por ciento en peso, más preferiblemente, entre aproximadamente 1 por ciento en peso y 7 por ciento en peso, y aún más preferiblemente, entre aproximadamente 1 por ciento en peso y aproximadamente 5 por ciento en peso.
La composición polimérica reforzada con fibra de carbono puede comprender además un endurecedor. La cantidad de endurecedor presente deberá depender de la cantidad de y tipo de epoxi usado para preparar la composición.
El conductor de metal tubular puede estar comprendido sobre metal conductor. De preferencia, el conductor será aluminio. Más preferiblemente, el conductor de aluminio tubular tiene una conductividad eléctrica no menor que 61 por ciento de IACS.
Una modalidad alterna de la presente invención resulta en pre-formar fibras continuas en microestructuras específicas antes del proceso de pultrusión. Estas microestructuras consisten de fibras
axiales alineadas en la dirección longitudinal del núcleo así como fibras retorcidas trenzadas alrededor de las fibras axiales con ciertos ángulos de hélice. Se cree que ángulos de hélice mayores usualmente incrementarán la fuerza de torsión.
De preferencia y durante el proceso de pultrusión, las fibras de carbono cortadas o nanotubos son adicionados a la resina epóxica.
De preferencia, la proporción de fibras axiales versus fibras retorcidas trenzadas alrededor de las fibras axiales está entre aproximadamente 50% y aproximadamente 95%. Se cree que el balance debería ser logrado entre la fuerza de tensión y la rigidez de torsión/doblado. Como tal, se cree que debería tenerse cuidado al elegir la proporción debido a que un aumento en la proporción aumentará la fuerza de tensión pero producirá una reducción en la fuerza de torsión/doblado del núcleo de compuesto.
De preferencia, el ángulo de hélice de las fibras trenzadas debería estar en el rango de aproximadamente 1 5 grados hasta aproximadamente 55 grados. Como con la proporción de fibras axiales a fibras retorcidas, se cree que el balance debería ser logrado entre la fuerza de tensión y rigidez de torsión/doblado. Como tal, se cree que debería tenerse cuidado al elegir el ángulo de hélice debido a que un aumento en el ángulo disminuirá la fuerza de tensión pero aumentará la fuerza de torsión/doblado del núcleo de compuesto.
Todavía en otra modalidad, la presente invención es un conductor soportado por compuesto de fibra-polímero comprendiendo (a) un núcleo de compuesto de fibra-polímero; (b) un conductor tubular recibido sobre
el núcleo y de composición tal y temple suave que para todas las temperaturas de operación d conductor substancialmente toda la tensión mecánica que resulta de la disposición encordada del conductor es soportada por el núcleo de compuesto de fibra-polímero, y el conductor tubular, si es llamado a soportar cualquier tensión consecuente se alargaría, en su lugar, de manera inelástica dejando que tal tensión sea soportada por el núcleo de compuesto de fibra-polímero. El conductor tubular transmite energía eléctrica o información.
Todavía en otra modalidad, la presente invención es un núcleo de compuesto de fibra-polímero. El compuesto está comprendido por uno o más de los "macro-alambres" trenzados. Los "macro-alambres" pueden tener o no una sección transversal cuadrada después del proceso de pre-formado. De preferencia, los "macro-alambres" serán conformados en secciones transversales circulares cuando son sometidos a pultrusion a través de un dado circular.
Claims (10)
1 . Un conductor aéreo soportado por com puesto de fibra-pol ímero que com prende: (a) un núcleo de com puesto de fibra-pol ímero; (b) un conductor de metal tubular recibido sobre dicho núcleo y que es de composición tal y temple suave que para todas las temperaturas de operación de conductor, cuando la temperatura am biente está por arriba de aquélla a la cual el hielo y la nieve se acum ularían sobre dicho conductor, substancialmente toda la tensión mecánica que resulta de la disposición encordada-aérea del conductor es soportada por el núcleo de compuesto de fibra-pol ímero, y el conductor de metal tubular, si el llamado a soportar cualquier tensión consecuente se alargaría, en su lugar, de manera inelástica dejando que tal tensión sea soportada por el núcleo de compuesto de fibra-polímero .
2. El cond uctor aéreo soportado por compuesto de fibra-pol ímero de la reivindicación 1 , en donde el núcleo de compuesto de fibra-pol ímero comprende fibras continuas preformadas de m icroestructura .
3. El conductor aéreo soportado por compuesto de fibra-polímero de la reivindicación 1 , en donde las fibras del núcleo de compuesto de fibra-pol ímero están ali neados axialmente en la dirección longitud inal del núcleo.
4. El conductor aéreo soportado por compuesto de fibra-pol ímero de la reivindicación 1 , en donde las fibras del n úcleo de compuesto de fibra-polímero son un primer conjunto de fibras axialmente alineadas en la dirección longitudinal del núcleo y un segundo conjunto de fibras retorcidas trenzadas alrededor del primer conjunto de fibras axiales.
5. El conductor aéreo soportado por compuesto de fibra-polímero de la reivindicación 1 , en donde el núcleo de compuesto de fibra-pol ímero está comprendido por al menos un macro-alambre trenzado.
6. El conductor aéreo soportado por compuesto de fibra-polímero de la reivindicación 1 , en donde el conductor de metal tubular es un conductor de aluminio.
7. El conductor aéreo soportado por compuesto de fibra-polímero de la reivindicación 6, en donde el conductor de aluminio tubular tiene una conductividad eléctrica no menor que 61 por ciento de IACS.
8. Un conductor soportado por compuesto de fibra-pol ímero, que comprende: (a) un núcleo de compuesto de fibra-polímero; (b) un conductor tubular recibido sobre dicho núcleo y que es de composición tal y temple suave que para todas las temperaturas de operación de conductor substancialmente toda la tensión mecánica que resulta de la disposición encordada del conductor es soportada por el núcleo de compuesto de fibra-polímero, y el conductor tubular, si es llamado a soportar tal tensión consecuente se alargaría, en su lugar de manera inelástica dejando que tal tensión sea soportada por el núcleo de compuesto de fibra-polímero.
9. El conductor soportado por compuesto de fibra-polímero de la reivindicación 8, en donde el conductor tubular transmite energ ía eléctrica.
10. El conductor soportado por compuesto de fibra-polímero de la reivindicación 8, en donde el conductor tubular transmite información .
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