專利名稱：一種纖維增強復合材料芯及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高強纖維增強復合材料技術，具體而言，是一種纖維增強復合材料芯及其制備方法。
背景技術：
碳纖維復合鋁芯絞線是一種新一代的電力電纜，其結構由輕型的纖維增強樹脂基復合材料芯、外層纏繞高性能的梯形鋁絞線組成。由于纖維增強樹脂基復合材料芯具有輕質、高強、耐高溫、熱膨脹系數低等優(yōu)點，由其制備的輸送電纜可以在提高同條電力線路輸送容量的同進又能利用已有鐵塔，不增加線路走廊用地。這對探索我國電網改造，提高原有線路利用率的途徑，構建安全、環(huán)保、高效節(jié)能、節(jié)約型輸電網絡具有重要的意義。碳纖維復合鋁絞線是由輕型的碳纖維復合材料芯、外層纏繞高性能的梯形鋁絞線組成。碳纖維復合材料芯是復合鋁絞線的承載單元，其性能決定了鋁絞線的制備、運輸、應用、性能及其安全性等各個方面。碳纖維復合材料芯結構的中心層為碳纖維束與高溫環(huán)氧樹脂浸潰；外層由玻璃纖維(或其它非導電纖維，如Kevlar、芳綸纖維、玄武巖纖維等)束或布與同樣的高性能環(huán)氧樹脂浸潰，利用拉擠工藝，樹脂固化，成型碳纖維復合材料芯。碳纖維復合材料芯線的外層結構是避免碳纖維復合材料與導電鋁結構接觸，形成電弧等損失。上述碳纖維復合鋁絞線已經在電力部門得以推廣與應用，如福建龍巖電業(yè)局在 220kV曹園線改造中首次使用該導線，隨后，江蘇省常州供電公司、無錫供電公司在老線路增容改造中相繼應用該導線，并獲得較好的社會與經濟效益。盡管如此，碳纖維復合鋁絞線的推廣與應用，特別是在主干線路推廣應用遇到極大的技術難題，即上述碳纖維復合材料芯性脆，易折斷，在制備、運輸、按裝過程中產生的微小損傷(如表面微小裂紋)，在輸電過程中，芯線將收到高溫、動靜應力等作用下，將導致鋁絞線斷裂，輸電中斷。我國在近期發(fā)生多起碳纖維鋁絞線斷裂狀況，并帶來了極大的經濟與社會問題。因此，在保證現有碳纖維復合芯高力學性能(沿纖維方向)、高熱性能、低熱膨脹率的基礎上，提高其橫向抗剪性能、耐疲勞性能，這將大幅度促進碳纖維復合鋁絞線的可靠性與安全性，從而在輸電行業(yè)得以進一步推廣與應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種纖維增強復合材料芯及其制備方法。本發(fā)明的目的是這樣實現的本發(fā)明纖維增強復合材料芯是由內部結構和外層絕緣結構組成的，內部結構由3 40根平行或螺旋扭轉的纖維增強耐高溫樹脂基細桿粘結而成，外層絕緣結構為耐高溫不導電樹脂涂層或耐高溫、非導電纖維增強樹脂層，其厚度為導線芯直徑的10 40%，并且沿周長厚度均勻。本發(fā)明纖維增強復合材料芯的制備方法，步驟如下步驟一纖維增強耐高溫樹脂基細桿的制備纖維增強耐高溫樹脂基細桿是由連續(xù)纖維束與耐高溫樹脂經拉擠工藝制備的
(I)選用連續(xù)碳纖維束或芳綸纖維束或超高分子量聚乙烯纖維束作為連續(xù)纖維束，選用玻璃化溫度在100 250°C之間的環(huán)氧樹脂或乙烯基聚酯作為耐高溫樹脂；(2)利用拉擠機拉擠成型拉擠機包括紗架、浸潰槽、圓形高溫口模、后固化爐及牽拉裝置，纖維輥固定在紗架上；耐高溫樹脂置于浸潰槽內，在牽拉裝置以10 180cm/min 拉擠速率的牽引作用下，連續(xù)纖維束從紗架褪下，進入浸潰槽內，并被耐高溫樹脂充分浸潰，然后通過圓形高溫口模，固化成型，進一步通過后固化爐，進行后固化，形成連續(xù)纖維增強耐高溫樹脂基細桿；通過控制連續(xù)纖維束用量與拉擠口模直徑，調節(jié)纖維增強耐高溫樹脂基細桿的直徑在O. 5-2mm之間，制備的纖維增強耐高溫樹脂基細桿纏繞在輥筒上；步驟二 選用3 40根纖維增強耐高溫樹脂基細桿，使其通過注入膠黏劑的楔形口模，粘合成細棒狀，并進一步通過注入高性能樹脂的圓形口模，使細棒表面均勻涂覆高性能樹脂涂層；或通過導軌直接均勻包覆高性能樹脂浸潰的玻璃纖維布或芳綸纖維布或玄武巖纖維布，或高性能樹脂浸潰的玻璃纖維束或芳綸纖維束或玄武巖纖維束，最后通過高溫口模，固化成型為纖維增強復合材料芯；具體過程如下利用粗砂紙或噴砂工藝對纖維增強耐高溫樹脂基細桿進行連續(xù)機械打磨，丙酮清洗，并晾干；3 40根處理后的纖維增強耐高溫樹脂基細桿完全平行或小角度扭轉O 10度狀態(tài)下，通過一楔形口模；楔形口模的入口口徑大，出口口徑小，在楔形口入口區(qū)域開有膠黏劑注入口 ；將耐高溫環(huán)氧樹脂作為膠黏劑，連續(xù)注入到楔形口模入口區(qū)域；為增加其模量與固化前粘度，可以添加I 5%的氣相二氧化硅粉料；纖維增強耐高溫樹脂基細桿通過楔形口模后，3 40根纖維增強耐高溫樹脂基細桿緊緊地并在一起，纖維增強耐高溫樹脂基細桿間充滿未固化膠黏劑，稱之為多根纖維增強耐聞溫樹脂基細桿粘合體；玻璃纖維或芳綸纖維或玄武巖纖維非導電纖維布或非導電纖維束包覆的纖維增強復合材料芯的制備玻璃纖維或芳綸纖維或玄武巖纖維非導電纖維布或非導電纖維束通過浸潰槽充分浸潰，然后均勻包埋上述多根纖維增強耐高溫樹脂基細桿粘合體的表面；進一步通過圓形高溫口模，樹脂基體固化，制備出玻璃纖維或芳綸纖維或玄武巖纖維非導電纖維布或非導電纖維束包覆的纖維增強復合材料芯；樹脂層包覆的纖維增強復合材料芯的制備上述多根纖維增強耐高溫樹脂基細桿粘合體通過低溫口模，低溫口模的直徑與確定的纖維增強復合材料芯直徑一致，并且在靠近低溫口模的入口處開有膠黏劑注入口 ；當上述多根纖維增強耐高溫樹脂基細桿粘合體通過低溫口模時，同時注入膠黏劑，通過低溫口模后，膠黏劑均勻涂覆在纖維增強耐高溫樹脂基細桿的表面，最后，通過圓形高溫口模，樹脂基體固化，成型出樹脂層包覆的纖維增強復合材料芯。本發(fā)明制備的纖維增強復合材料芯在彎折作用下，由于纖維增強細桿間膠粘劑的良好韌性，在芯桿內部未形成脫層或纖維增強細桿的斷裂；表面或樹脂內部裂紋伸展到纖維細桿后終止，而不會引起纖維細桿的斷裂破壞；在纖維增強細桿方向，由于纖維細桿有一定的扭轉，在拉伸方向的斷裂伸長率明顯提高，韌性增強。本發(fā)明制備的纖維增強復合材料芯在輕質、高強、耐高溫、熱膨脹系數小的基礎上，具有大幅度改善的橫向抗剪性能、抗壓性能、韌性及抗疲勞性能，能夠避免現有碳纖維復合芯性脆、易折斷等缺陷，從而避免相應鋁絞線在應用過程中的斷裂，大幅度提高其安全性能與壽命。


圖I為本發(fā)明的細碳纖維棒扭轉并股結構示意圖；圖2為本發(fā)明的細碳纖維棒平行并股結構示意圖；圖3為本發(fā)明的表面包覆纖維復合材料的纖維復合芯制備工藝示意圖；圖4為本發(fā)明的表面包覆樹脂層的纖維復合芯制備工藝示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發(fā)明作進一步說明。實施例I :結合圖I-圖4，本發(fā)明一種纖維增強復合材料芯，它是由內部結構和外層絕緣結構組成的，內部結構由3 40根平行或螺旋扭轉的纖維增強耐高溫樹脂基細桿粘結而成，外層絕緣結構為耐高溫不導電樹脂涂層或耐高溫、非導電纖維增強樹脂層，其厚度為導線芯直徑的10 40%，并且沿周長厚度均勻。本發(fā)明纖維增強復合材料芯的制備方法，步驟如下步驟一纖維增強耐高溫樹脂基細桿的制備纖維增強耐高溫樹脂基細桿是由連續(xù)纖維束與耐高溫樹脂經拉擠工藝制備的(I)選用12k的連續(xù)碳纖維束或芳綸纖維束或超高分子量聚乙烯纖維束作為連續(xù)纖維束，選用玻璃化溫度在100 250°C之間的環(huán)氧樹脂或乙烯基聚酯作為耐高溫樹脂；(2)利用拉擠機拉擠成型拉擠機包括紗架、浸潰槽、圓形高溫口模、后固化爐及牽拉裝置，纖維輥固定在紗架上；耐高溫樹脂置于浸潰槽內，在牽拉裝置以10 180cm/min 拉擠速率的牽引作用下，連續(xù)纖維束從紗架褪下，進入浸潰槽內，并被耐高溫樹脂充分浸潰，然后通過圓形高溫口模，固化成型，進一步通過后固化爐，進行后固化，形成連續(xù)纖維增強耐高溫樹脂基細桿；通過控制拉擠口模直徑，控制纖維增強耐高溫樹脂基細桿的直徑在
O.5-2mm之間，制備的纖維增強耐高溫樹脂基細桿纏繞在輥筒上；步驟二 選用3 40根纖維增強耐高溫樹脂基細桿，使其通過注入膠黏劑的楔形口模，粘合成細棒狀，并進一步通過注入高性能樹脂的圓形口模，使細棒表面均勻涂覆高性能樹脂涂層；或通過導軌直接均勻包覆高性能樹脂浸潰的玻璃或芳綸或玄武巖纖維布或高性能樹脂浸潰的玻璃或芳綸或玄武巖纖維束，最后通過高溫口模，固化成型為纖維增強復合材料芯；具體過程如下利用粗砂紙或噴砂工藝對纖維增強耐高溫樹脂基細桿進行連續(xù)機械打磨，丙酮清洗，并晾干；3 40根處理后的纖維增強耐高溫樹脂基細桿完全平行或小角度扭轉O 10度狀態(tài)下，通過一楔形口模；楔形口模的入口口徑大，出口口徑小，在楔形口入口處開有膠黏劑注入口 ；將耐高溫環(huán)氧樹脂作為膠黏劑，連續(xù)注入到楔形口模入口區(qū)域；為增加其模量與固化前粘度，添加I 5%的氣相二氧化硅粉料；
纖維增強耐高溫樹脂基細桿通過楔形口模后，3 40根纖維增強耐高溫樹脂基細桿緊緊地并在一起，纖維增強耐高溫樹脂基細桿間充滿未固化膠黏劑，稱之為多根纖維增強耐聞溫樹脂基細桿粘合體；玻璃纖維或芳綸纖維或玄武巖纖維非導電纖維布或非導電纖維束包覆的纖維增強復合材料芯的制備玻璃纖維或芳綸纖維或玄武巖纖維非導電纖維布或非導電纖維束通過浸潰槽充分浸潰，然后均勻包埋上述多根纖維增強耐高溫樹脂基細桿粘合體的表面；進一步通過圓形高溫口模，樹脂基體固化，制備出玻璃纖維或芳綸纖維或玄武巖纖維非導電纖維布或非導電纖維束包覆的纖維增強復合材料芯；樹脂層包覆的纖維增強復合材料芯的制備上述多根纖維增強耐高溫樹脂基細桿粘合體通過低溫口模，低溫口模的直徑與確定的纖維增強復合材料芯直徑一致，并且在靠近低溫口模的入口處開有膠黏劑注入口 ；當上述多根纖維增強耐高溫樹脂基細桿粘合體通過低溫口模時，同時注入膠黏劑，通過低溫口模后，膠黏劑均勻涂覆在纖維增強耐高溫樹脂基細桿的表面，最后，通過圓形高溫口模，樹脂基體固化，成型出樹脂層包覆的纖維增強復合材料芯。實施例2 :纖維增強復合材料芯的制備方法步驟如下步驟一纖維增強耐高溫樹脂基細桿的制備纖維增強耐高溫樹脂基細桿是由連續(xù)纖維束與耐高溫樹脂經拉擠工藝制備的(I)選用日本東麗公司的12k_T700連續(xù)碳纖維束或美國杜邦公司的 KeVlar-3000D芳綸纖維束或北京威頓國際貿易有限公司的2400D超高分子量聚乙烯纖維束作為連續(xù)纖維束、選用玻璃化溫度在100 250°C之間的環(huán)氧樹脂或乙烯基聚酯作為耐聞溫樹脂；(2)利用拉擠機拉擠成型拉擠機包括紗架、浸潰槽、圓形高溫口模、后固化爐及牽拉裝置，纖維輥固定在紗架上；耐高溫樹脂置于浸潰槽內，浸潰槽溫度40°C，在牽拉裝置以80cm/min拉擠速率的牽引作用下，連續(xù)纖維束從紗架褪下，進入浸潰槽內，并被耐高溫樹脂充分浸潰，然后通過I. 3mm圓形高溫口模，固化成型，進一步通過后固化爐，進行后固化，形成連續(xù)纖維增強耐高溫樹脂基細桿；通過控制拉擠口模直徑，控制纖維增強耐高溫樹脂基細桿的直徑在O. 5-2mm之間，纖維含量為70%，拉伸強度為2. 5GPa，制備的纖維增強耐高溫樹脂基細桿纏繞在輥筒上；步驟二 多根纖維增強耐高溫樹脂基細桿通過注入膠黏劑的楔形口模，纖維增強耐高溫樹脂基細桿通過膠黏劑粘合在一起，進一步被涂覆纖維增強樹脂復合材料層或樹脂涂層，最后通過高溫口模，固化成型纖維增強復合材料芯；具體過程如下利用粗砂紙對20根纖維增強耐高溫樹脂基細桿進行連續(xù)打磨，丙酮清洗，并晾干;20根處理后的纖維增強耐高溫樹脂基細桿完全平行或小角度扭轉O 10度狀態(tài)下，通過一楔形口模；楔形口模的入口口徑大，出口口徑小，在楔形口入口處離開口 50mm處開有膠黏劑注入口 ；膠黏劑的制備常熟佳發(fā)化學有限責任公司的JEH-001環(huán)氧樹脂與濟南贏創(chuàng)化工有限公司2%氣相二氧化硅T40通過匯龍混合設備有限公司的FS30高速攪拌機在1500轉 /min下攪拌5分鐘制備；將膠黏劑連續(xù)注入到楔形口模入口區(qū)域；纖維增強耐高溫樹脂基細桿通過楔形口模后，多根纖維增強耐高溫樹脂基細桿緊緊地并在一起，纖維增強耐高溫樹脂基細桿間充滿未固化膠黏劑；對非導電纖維布或束包覆的纖維增強復合材料芯非導電纖維布或束通過浸潰槽充分浸潰，然后均勻包埋上述多根纖維增強耐高溫樹脂基細桿粘合體的表面；進一步通過圓形、高溫口模，樹脂基體固化，制備出纖維束或布包覆的纖維增強復合材料芯；對樹脂層包覆的纖維增強復合材料芯上述多根纖維增強耐高溫樹脂基細桿粘合體通過一低溫口模，低溫口模的直徑與確定的纖維增強復合材料芯直徑一致，并且在靠近低溫口模的入口處開有膠黏劑注入口 ；當上述多根纖維增強耐高溫樹脂基細桿粘合體通過低溫口模時，同時注入膠黏劑，通過低溫口模后，膠黏劑均勻涂覆在纖維增強耐高溫樹脂基細桿的表面，最后，通過圓形、高溫口模，樹脂基體固化，成型出樹脂層包覆的纖維增強復合材料芯。實施例3 :纖維增強復合材料制備方法首先，利用拉擠工藝制備Imm直徑的碳纖維增強細桿，其中碳纖維為東麗T700，樹脂為耐高溫環(huán)氧樹脂(玻璃化溫度為210°C )，制備的碳纖維增強細桿的纖維體積含量為69 %。將25束細碳纖維增強細桿通過圖2所示工藝制備碳纖維復合芯控制轉動導軌的速率與牽拉速率的比值，確定碳纖維細桿沿牽拉方向的纏繞角度為10度；碳纖維增強細桿進入轉動導軌前，首先通過膠粘劑漕，在通過固定導軌后，多余膠粘劑及氣泡被擠出；連續(xù)玻璃纖維束(浙江巨石集團連續(xù)無捻粗紗，型號316)， 通過環(huán)氧樹脂漕(與碳纖維細桿樹脂基體一致)，然后包覆在通過導軌的碳纖維棒材；繼續(xù)通過高溫拉擠模具，膠粘劑、包覆層樹脂基體高溫固化；繼續(xù)牽引，轉繞到輥筒上，成型出碳纖維復合芯。拉擠成型工藝為料槽溫度50°C，模具溫度(三段)1801、2201、2301，后固化溫度250°C，拉擠速率為50mm/mi。成型的芯材直徑為8mm。該碳纖維芯的拉伸強度為2. 4GPa， 模量135GPa，斷裂伸長率為2% ;其玻璃化溫度達到210°C，抗壓強度大于30MPa。實施例4 :纖維增強復合材料制備方法首先，利用拉擠工藝制備Imm直徑的碳纖維增強細桿，其中碳纖維為東麗T700，樹脂為耐高溫環(huán)氧樹脂(玻璃化溫度為210°C )，制備的碳纖維增強細桿的纖維體積含量為69%。將25束細碳纖維增強細桿通過圖3所示工藝制備碳纖維復合芯控制轉動導軌的速率與牽拉速率的比值，確定碳纖維細桿沿牽拉方向的纏繞角度為10度；碳纖維增強細桿進入轉動導軌前，首先通過膠粘劑漕，在通過固定導軌后，多余膠粘劑及氣泡被擠出；輕度絞合的碳纖維棒束繼續(xù)進入樹脂包覆口模，在表面均勻包覆一層約1_的改性高韌性、耐高溫樹脂層；包覆后的棒材進入高溫拉擠模具，膠粘劑、包覆層樹脂基體高溫固化；繼續(xù)牽引，轉繞到輥筒上，成型出碳纖維復合芯。拉擠成型工藝為料槽溫度50°C，模具溫度(三段)180°C、220°C、230°C，后固化溫度250°C，拉擠速率為 50mm/mi。成型的芯材直徑為8mm。該碳纖維芯的拉伸強度為2. 3GPa，模量135GPa，斷裂伸長率為2% ;其玻璃化溫度達到210°C。
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權利要求
1.一種纖維增強復合材料芯，它是由內部結構和外層絕緣結構組成的，其特征在于 內部結構由3 40根平行或螺旋扭轉的纖維增強耐高溫樹脂基細桿粘結而成，外層絕緣結構為耐高溫不導電樹脂涂層或耐高溫、非導電纖維增強樹脂層，其厚度為導線芯直徑的 10 40%，并且沿周長厚度均勻。
2.一種如權利要求I所述的纖維增強復合材料芯的制備方法其特征在于步驟如下步驟一纖維增強耐高溫樹脂基細桿的制備纖維增強耐高溫樹脂基細桿是由連續(xù)纖維束與耐高溫樹脂經拉擠工藝制備的(1)選用12k的連續(xù)碳纖維束或芳綸纖維束或超高分子量聚乙烯纖維束作為連續(xù)纖維束，選用玻璃化溫度在100 250°C之間的環(huán)氧樹脂或乙烯基聚酯作為耐高溫樹脂；(2)利用拉擠機拉擠成型拉擠機包括紗架、浸潰槽、圓形高溫口模、后固化爐及牽拉裝置，纖維輥固定在紗架上；耐高溫樹脂置于浸潰槽內，在牽拉裝置以10 180cm/min拉擠速率的牽引作用下，連續(xù)纖維束從紗架褪下，進入浸潰槽內，并被耐高溫樹脂充分浸潰， 然后通過圓形高溫口模，固化成型，進一步通過后固化爐，進行后固化，形成連續(xù)纖維增強耐高溫樹脂基細桿；通過控制拉擠口模直徑，控制纖維增強耐高溫樹脂基細桿的直徑在 O. 5-2mm之間，制備的纖維增強耐高溫樹脂基細桿纏繞在輥筒上；步驟二 選用3 40根纖維增強耐高溫樹脂基細桿，使其通過注入膠黏劑的楔形口模， 粘合成細棒狀，并進一步通過注入高性能樹脂的圓形口模，使細棒表面均勻涂覆高性能樹脂涂層；或通過導軌直接均勻包覆高性能樹脂浸潰的玻璃或芳綸或玄武巖纖維布或高性能樹脂浸潰的玻璃或芳綸或玄武巖纖維束，最后通過高溫口模，固化成型為纖維增強復合材料芯；具體過程如下利用粗砂紙或噴砂工藝對纖維增強耐高溫樹脂基細桿進行連續(xù)機械打磨，丙酮清洗， 并晾干；3 40根處理后的纖維增強耐高溫樹脂基細桿完全平行或小角度扭轉O 10度狀態(tài)下，通過一楔形口模；楔形口模的入口口徑大，出口口徑小，在楔形口入口處開有膠黏劑注入口 ；將耐高溫環(huán)氧樹脂作為膠黏劑，連續(xù)注入到楔形口模入口區(qū)域；為增加其模量與固化前粘度，添加I 5%的氣相二氧化硅粉料；纖維增強耐高溫樹脂基細桿通過楔形口模后，3 40根纖維增強耐高溫樹脂基細桿緊緊地并在一起，纖維增強耐高溫樹脂基細桿間充滿未固化膠黏劑，稱之為多根纖維增強耐聞溫樹脂基細桿粘合體；玻璃纖維或芳綸纖維或玄武巖纖維非導電纖維布或非導電纖維束包覆的纖維增強復合材料芯的制備玻璃纖維或芳綸纖維或玄武巖纖維非導電纖維布或非導電纖維束通過浸潰槽充分浸潰，然后均勻包埋上述多根纖維增強耐高溫樹脂基細桿粘合體的表面；進一步通過圓形高溫口模，樹脂基體固化，制備出玻璃纖維或芳綸纖維或玄武巖纖維非導電纖維布或非導電纖維束包覆的纖維增強復合材料芯；樹脂層包覆的纖維增強復合材料芯的制備上述多根纖維增強耐高溫樹脂基細桿粘合體通過低溫口模，低溫口模的直徑與確定的纖維增強復合材料芯直徑一致，并且在靠近低溫口模的入口處開有膠黏劑注入口 ；當上述多根纖維增強耐高溫樹脂基細桿粘合體通過低溫口模時，同時注入膠黏劑，通過低溫口模后，膠黏劑均勻涂覆在纖維增強耐高溫樹脂基細桿的表面，最后，通過圓形高溫口模，樹脂基體固化，成型出樹脂層包覆的纖維增強復合材料芯。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種纖維增強復合材料芯及其制備方法。纖維增強復合材料芯是由內部結構和外層絕緣結構組成的，內部結構由多根平行或螺旋扭轉的纖維增強耐高溫樹脂基細桿粘結而成，外層絕緣結構為耐高溫不導電樹脂涂層或耐高溫、非導電纖維增強樹脂層，其厚度為導線芯直徑的10～40％，并且沿周長厚度均勻。多根纖維增強耐高溫樹脂基細桿通過注入膠黏劑的楔形口模，纖維增強耐高溫樹脂基細桿通過膠黏劑粘合在一起，涂覆纖維增強樹脂復合材料層或樹脂涂層，通過高溫口模，固化成型。本發(fā)明橫向抗剪性能、抗壓性能、韌性及抗疲勞性能顯著增強，避免現有碳纖維復合芯性脆、易折斷、鋁絞線使用中斷裂等缺陷，大幅度提高其安全性能與壽命。
文檔編號B32B17/10GK102602083SQ2012100743
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月20日 優(yōu)先權日2012年3月20日
發(fā)明者咸貴軍, 張躍峰 申請人:咸貴軍, 浙江順天復合材料有限公司