專利名稱：一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及復(fù)合材料技術(shù)，具體說就是一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯。
背景技術(shù)：
碳纖維復(fù)合鋁芯絞線是一種新一代的電力電纜，其結(jié)構(gòu)由輕型的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)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(qiáng)樹脂基復(fù)合材料芯具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、熱膨脹系數(shù)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(jìn)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(wǎng)改造，提高原有線路利用率的途徑，構(gòu)建安全、環(huán)保、高效節(jié)能、節(jié)約型輸電網(wǎng)絡(luò)具有重要的意義。碳纖維復(fù)合鋁絞線是由輕型的碳纖維復(fù)合材料芯、外層纏繞高性能的梯形鋁絞線組成。碳纖維復(fù)合材料芯是復(fù)合鋁絞線的承載單元，其性能決定了鋁絞線的制備、運輸、應(yīng)用、性能及其安全 性等各個方面。碳纖維復(fù)合材料芯結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(fù)合材料芯。碳纖維復(fù)合材料芯線的外層結(jié)構(gòu)是避免碳纖維復(fù)合材料與導(dǎo)電鋁結(jié)構(gòu)接觸，形成電弧等損失。上述碳纖維復(fù)合鋁絞線已經(jīng)在電力部門得以推廣與應(yīng)用，如福建龍巖電業(yè)局在220kV曹園線改造中首次使用該導(dǎo)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(yīng)用該導(dǎo)線，并獲得較好的社會與經(jīng)濟(jì)效益。盡管如此，碳纖維復(fù)合鋁絞線的推廣與應(yīng)用，特別是在主干線路推廣應(yīng)用遇到極大的技術(shù)難題，即上述碳纖維復(fù)合材料芯性脆，易折斷，在制備、運輸、按裝過程中產(chǎn)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(yīng)力等作用下，將導(dǎo)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(jīng)濟(jì)與社會問題。因此，在保證現(xiàn)有碳纖維復(fù)合芯高力學(xué)性能(沿纖維方向)、高熱性能、低熱膨脹率的基礎(chǔ)上，提高其橫向抗剪性能、耐疲勞性能，這將大幅度促進(jìn)碳纖維復(fù)合鋁絞線的可靠性與安全性，從而在輸電行業(yè)得以進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯。本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的它是由纖維增強(qiáng)細(xì)棒、膠粘劑和包覆層組成的，纖維增強(qiáng)細(xì)棒置于包覆層內(nèi)部，纖維增強(qiáng)細(xì)棒和包覆層之間充滿膠粘劑。本實用新型還有以下技術(shù)特征(I)所述的纖維增強(qiáng)細(xì)棒由20根平行或螺旋扭轉(zhuǎn)的纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿粘結(jié)而成。(2)所述的包覆層為耐高溫不導(dǎo)電樹脂涂層或耐高溫、非導(dǎo)電纖維增強(qiáng)樹脂層，其厚度為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯直徑的10 40%，并且沿周長厚度均勻。本實用新型一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯，在彎折作用下，由于纖維增強(qiáng)細(xì)桿間膠粘劑的良好韌性，在芯桿內(nèi)部未形成脫層或纖維增強(qiáng)細(xì)桿的斷裂；表面或樹脂內(nèi)部裂紋伸展到纖維細(xì)桿后終止，而不會引起纖維細(xì)桿的斷裂破壞；在纖維增強(qiáng)細(xì)桿方向，由于纖維細(xì)桿有一定的扭轉(zhuǎn)，在拉伸方向的斷裂伸長率明顯提高，韌性增強(qiáng)。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯在輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小的基礎(chǔ)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(xiàn)有碳纖維復(fù)合芯性脆、易折斷等缺陷，從而避免相應(yīng)鋁絞線在應(yīng)用過程中的斷裂，大幅度提高其安全性能與壽命。

圖I為本實用新型的主視圖；圖2為圖I的剖視圖；圖3為本實用新型的表面包覆纖維復(fù)合材料的纖維復(fù)合芯制備工藝示意圖；圖4為本實用新型的表面包覆樹脂層的纖維復(fù)合芯制備工藝示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖舉例對本實用新型作進(jìn)一步說明。實施例I :本實用新型一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯，它是由纖維增強(qiáng)細(xì)棒(I)、膠粘劑(2)和包覆層(3)組成的，纖維增強(qiáng)細(xì)棒(I)置于包覆層(3)內(nèi)部，纖維增強(qiáng)細(xì)棒(I)和包覆層(3)之間充滿膠粘劑(3)。本實用新型還有以下技術(shù)特征所述的纖維增強(qiáng)細(xì)棒(I)由20根平行或螺旋扭轉(zhuǎn)的纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿粘結(jié)而成。所述的包覆層(3)為耐高溫不導(dǎo)電樹脂涂層或耐高溫、非導(dǎo)電纖維增強(qiáng)樹脂層，其厚度為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯直徑的10 40%，并且沿周長厚度均勻。實施例2 :結(jié)合圖I-圖5，本發(fā)明一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯，它是由內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外層絕緣結(jié)構(gòu)組成的，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由多根平行或螺旋扭轉(zhuǎn)的纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿粘結(jié)而成，外層絕緣結(jié)構(gòu)為耐高溫不導(dǎo)電樹脂涂層或耐高溫、非導(dǎo)電纖維增強(qiáng)樹脂層，其厚度為導(dǎo)線芯直徑的10 40%，并且沿周長厚度均勻。本發(fā)明纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯的制備方法步驟如下步驟一纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿的制備纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿是由連續(xù)纖維束與耐高溫樹脂經(jīng)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(mào)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(jī)拉擠成型拉擠機(jī)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(nèi)，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(jìn)入浸潰槽內(nèi)，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(jìn)一步通過后固化爐，進(jìn)行后固化，形成連續(xù)纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿；通過控制拉擠口模直徑，控制纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿的直徑在O. 5-2mm之間，制備的纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿纏繞在輥筒上；步驟二 多根纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿通過注入膠黏劑的楔形口模，纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿通過膠黏劑粘合在一起，進(jìn)一步被涂覆纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)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(qiáng)復(fù)合材料芯；具體過程利用粗砂紙對纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿進(jìn)行連續(xù)打磨，丙酮清洗，并晾干；多根處理后的纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿完全平行或小角度扭轉(zhuǎn)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 ；將JEH-001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2%的氣相二氧化硅T40 ；纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿通過楔形口模后，多根纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿緊緊地并在一起，纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿間充滿未固化膠黏劑；對非導(dǎo)電纖維布或束包覆的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯非導(dǎo)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(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿粘合體的表面；進(jìn)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(qiáng)復(fù)合材料芯；對樹脂層包覆的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯上述多根纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)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(qiáng)復(fù)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(dāng)上述多根纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)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(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)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(qiáng)復(fù)合材料芯。實施例3 :纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯的制備方法步驟如下步驟一纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿的制備纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿是由連續(xù)纖維束與耐高溫樹脂經(jīng)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(mào)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(jī)拉擠成型拉擠機(jī)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(nèi)，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(jìn)入浸潰槽內(nèi)，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(jìn)一步通過后固化爐，進(jìn)行后固化，形成連續(xù)纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿；通過控制拉擠口模直徑，控制纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿的直徑在O. 5-2mm之間，纖維含量為70%，拉伸強(qiáng)度為2. 5GPa，制備的纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿纏繞在輥筒上；步驟二 多根纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿通過注入膠黏劑的楔形口模，纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿通過膠黏劑粘合在一起，進(jìn)一步被涂覆纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)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(qiáng)復(fù)合材料芯；具體過程[0039]利用粗砂紙對20根纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿進(jìn)行連續(xù)打磨，丙酮清洗，并晾干;20根處理后的纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿完全平行或小角度扭轉(zhuǎn)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(xué)有限責(zé)任公司的JEH-001環(huán)氧樹脂與濟(jì)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(shè)備有限公司的FS30高速攪拌機(jī)在1500轉(zhuǎn)/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(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿通過楔形口模后，多根纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿緊緊地并在一起，纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿間充滿未固化膠黏劑；對非導(dǎo)電纖維布或束包覆的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯非導(dǎo)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(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿粘合體的表面；進(jìn)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(qiáng)復(fù)合材料芯；對樹脂層包覆的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯上述多根纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)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(qiáng)復(fù)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(dāng)上述多根纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)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(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)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(qiáng)復(fù)合材料芯。實施例4 :纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)細(xì)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(qiáng)細(xì)桿的纖維體積含量為69 %。將25束細(xì)碳纖維增強(qiáng)細(xì)桿通過圖3所示工藝制備碳纖維復(fù)合芯控制轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌的速率與牽拉速率的比值，確定碳纖維細(xì)桿沿牽拉方向的纏繞角度為10度；碳纖維增強(qiáng)細(xì)桿進(jìn)入轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌前，首先通過膠粘劑漕，在通過固定導(dǎo)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(tuán)連續(xù)無捻粗紗，型號316)，通過環(huán)氧樹脂漕(與碳纖維細(xì)桿樹脂基體一致)，然后包覆在通過導(dǎo)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(zhuǎn)繞到輥筒上，成型出碳纖維復(fù)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(qiáng)度為2. 4GPa，模量135GPa，斷裂伸長率為2% ;其玻璃化溫度達(dá)到210°C，抗壓強(qiáng)度大于30MPa。實施例5 :纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)細(xì)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(qiáng)細(xì)桿的纖維體積含量為69%。將25束細(xì)碳纖維增強(qiáng)細(xì)桿通過圖3所示工藝制備碳纖維復(fù)合芯控制轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌的速率與牽拉速率的比值，確定碳纖維細(xì)桿沿牽拉方向的纏繞角度為10度；碳纖維增強(qiáng)細(xì)桿進(jìn)入轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌前，首先通過膠粘劑漕，在通過固定導(dǎo)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(jìn)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(jìn)入高溫拉擠模具，膠粘齊U、包覆層樹脂基體高溫固化；繼續(xù)牽引，轉(zhuǎn)繞到輥筒上，成型出碳纖維復(fù)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(qiáng)度為2. 3GPa，模量135GPa，斷裂伸長率為2% ;其玻璃化 溫度達(dá)到210°C。
權(quán)利要求1.一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯，它是由纖維增強(qiáng)細(xì)棒(I)、膠粘劑(2)和包覆層(3)組成的，其特征在于纖維增強(qiáng)細(xì)棒(I)置于包覆層(3)內(nèi)部，纖維增強(qiáng)細(xì)棒(I)和包覆層(3)之間充滿膠粘劑(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯，其特征在于所述的纖維增強(qiáng)細(xì)棒(I)由3 40根平行或螺旋扭轉(zhuǎn)的纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿粘結(jié)而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯，其特征在于所述的包覆層(3)為耐高溫不導(dǎo)電樹脂涂層或耐高溫非導(dǎo)電纖維增強(qiáng)樹脂層，其厚度為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯直徑的10 40%，并且沿周長厚度均勻。
專利摘要本實用新型提供一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯。它是由纖維增強(qiáng)細(xì)棒、膠粘劑和包覆層組成的，纖維增強(qiáng)細(xì)棒置于包覆層內(nèi)部，纖維增強(qiáng)細(xì)棒和包覆層之間充滿膠粘劑。纖維增強(qiáng)細(xì)棒由20根平行或螺旋扭轉(zhuǎn)的纖維增強(qiáng)耐高溫樹脂基細(xì)桿粘結(jié)而成。包覆層為耐高溫不導(dǎo)電樹脂涂層或耐高溫、非導(dǎo)電纖維增強(qiáng)樹脂層，其厚度為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯直徑的10～40％，并且沿周長厚度均勻。本實用新型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(xiàn)有碳纖維復(fù)合芯性脆、易折斷等缺陷，從而避免相應(yīng)鋁絞線在應(yīng)用過程中的斷裂，大幅度提高其安全性能與壽命。
文檔編號B29C70/52GK202540829SQ20122010537
公開日2012年11月21日 申請日期2012年3月20日 優(yōu)先權(quán)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(fù)合材料有限公司