專利名稱：碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜的制作方法
碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及復(fù)合材料領(lǐng)域，特別是含有碳纖維的復(fù)合材料。 發(fā)明背景碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、低密度等傳統(tǒng)材料所不具備的有點(diǎn)。在 現(xiàn)在高技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。碳纖維的不足是價(jià)格昂貴、容易產(chǎn)生脆 性斷裂、高溫抗氧化性差等。這些限制了碳纖維的應(yīng)用。因此，實(shí)際生產(chǎn) 中應(yīng)用更多的是碳纖維復(fù)合材料。但是傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合材料價(jià)格仍然非 常昂貴，加工過(guò)程也非常復(fù)雜，所以其應(yīng)用范圍往往僅限于航空、航天、 軍工等特殊領(lǐng)域。碳纖維的高強(qiáng)度、高模量、低密度等優(yōu)點(diǎn)使其在普通民 用工程領(lǐng)域具有潛在的廣大的應(yīng)用前景，例如用于橋梁復(fù)合拉索、遠(yuǎn)洋捕 魚(yú)線纜、電力線纜等。在這些領(lǐng)域的應(yīng)用，出于經(jīng)濟(jì)上的考慮，傳統(tǒng)碳纖 維復(fù)合材料是不合適的。因此人們一直在尋找一種成本低、加工工藝簡(jiǎn)單的實(shí)用的碳纖維復(fù)合材料。例如，2003年1月1日公開(kāi)的中國(guó)專利申請(qǐng)02135239.9公開(kāi)了一種 鋁基混合碳纖維復(fù)合材料線芯傳輸電纜。該電纜的線芯由多根鋁或鋁合金 為基體材料，其上均勻分布著混合碳纖維，纖維所占體積比為50—60%，該鋁基碳纖維復(fù)合材料線芯直接置于多層鋁線的中心，形成鋁基碳纖維復(fù) 合材料線芯傳輸電纜。據(jù)稱，該線纜導(dǎo)電性號(hào)、重量輕、強(qiáng)度高。但是以 鋁合金作為基體材料，其與碳纖維的相容性并不好，熱膨脹系數(shù)也不匹 配，所以在實(shí)際應(yīng)用中還存在一定問(wèn)題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明公開(kāi)了一種成本低、加工工藝簡(jiǎn)單的實(shí)用的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯 線纜，包括沿軸向平行排列、均勻分布于第一環(huán)氧樹(shù)脂固化物中的碳纖維的內(nèi)層；沿軸向平行排列、均勻分布于第二環(huán)氧樹(shù)脂固化物中的玻璃纖維的外層；其中碳纖維與玻璃纖維的纖維體積率為40 — 70%，所述碳纖維復(fù)合加 強(qiáng)芯的拉伸強(qiáng)度為1000 — 3000MPa之間。另一方面，本發(fā)明還公開(kāi)了制造上述碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜的方法，包括提供碳纖維和玻璃纖維；引導(dǎo)碳纖維和玻璃纖維通過(guò)裝有預(yù)定組成的樹(shù)脂組合物的浸漬槽；經(jīng)預(yù)固化和固化兩段操作使所述樹(shù)脂組合物固化。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜10的示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜IO橫截面的示意圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜10的制造工藝流程圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的復(fù)合加強(qiáng)芯線纜使用相對(duì)較低彈性模量的玻璃纖維與相對(duì)較 高彈性模量的碳纖維組合，以便結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，獲得拉伸強(qiáng)度和柔性的 平衡，從而滿足各種使用場(chǎng)合的不同需求。本發(fā)明復(fù)合加強(qiáng)芯線纜采用熱固性環(huán)氧樹(shù)脂材料作為基體材料。環(huán)氧 樹(shù)脂材料與碳纖維、玻璃纖維相容性較好，可以獲得更優(yōu)異的復(fù)合材料性 能；而且可供選擇的商業(yè)環(huán)氧樹(shù)脂材料種類繁多，可以滿足各種各樣的實(shí) 踐需求，實(shí)現(xiàn)不同的性能。圖l是根據(jù)本發(fā)明的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜IO的示意圖。圖2是根據(jù) 本發(fā)明的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜10的橫截面示意圖。碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯 線纜IO包括由碳纖維ll和固化環(huán)氧樹(shù)脂15構(gòu)成的內(nèi)層12和由玻璃纖維13和固化環(huán)氧樹(shù)脂17構(gòu)成的外層14。碳纖維ll和玻璃纖維13沿軸向平 行排列，均勻分布于固化環(huán)氧樹(shù)脂15和17之中。注意這里示出的僅是碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)示意圖，本領(lǐng) 域技術(shù)人員明白其實(shí)際結(jié)構(gòu)可能包含更多的層。作為最終應(yīng)用的產(chǎn)品，不 排除在外層14之外還有其它結(jié)構(gòu)層，例如作為電力線纜應(yīng)用時(shí)，可以有 纏繞的鋁絞線?；蛘撸鳛闃蛄豪鲿r(shí)，外面可以涂有保護(hù)涂層，并且由 多根這樣的加強(qiáng)芯線纜進(jìn)行編制，形成纜繩。碳纖維11均勻分布于固化環(huán)氧樹(shù)脂15之中。圖2示出的僅是示意性 的分布圖。實(shí)際的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜10中通常含有幾百到幾千個(gè)碳 纖維細(xì)絲線(直徑在5 —30/mi之間)，其均勻分布于環(huán)氧樹(shù)脂中，其分 布的圖案可以在加工制造時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并不限于某一個(gè)具體的圖案?；?者，也可以使用幾個(gè)到幾十個(gè)碳纖維束(直徑在數(shù)十微米到一毫米之 間)，使其均勻分布于固化環(huán)氧樹(shù)脂中。這同樣適用于玻璃纖維13在環(huán) 氧樹(shù)脂17之中的分布。另外，這里內(nèi)層12和外層14的區(qū)分是為了描述的方便，是從兩層材 料組成的不同來(lái)區(qū)分的。實(shí)際產(chǎn)品中可能有這樣明顯不同的兩層，也可能 在外觀上兩層并無(wú)明顯區(qū)別，而是看起來(lái)是一個(gè)均勻、單一的實(shí)心體。碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜10的橫截面為圓形，其總直徑一般在2—25 mm之間，優(yōu)選在5 — 15mm之間，更優(yōu)選在6_ 10 mm之間。內(nèi)層12的 直徑與外層14的寬度(即總直徑減去內(nèi)層12的直徑)之比一般在1: 5_ 5: l之間，例如根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同在1: 3 — 3: l之間，或1: 2 — 2: 1 之間，或者是大約l: 1。表示碳纖維、玻璃纖維與環(huán)氧樹(shù)脂相對(duì)量之比的一個(gè)重要參數(shù)是纖維 體積率，即纖維所占的體積與纖維與環(huán)氧樹(shù)脂體積和之比。根據(jù)本發(fā)明的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜的纖維體積率在40_70%之間，優(yōu)選50 — 60%之間。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜IO的總長(zhǎng)度可以在幾十米 到幾十千米的范圍，例如IO米一IOOOO米，例如100米一5000米。 這樣的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜10的制造工藝將在下文詳述。影響碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜10的性能的主要因素是各層材料的選擇。 碳纖維是一種公知的高強(qiáng)度纖維。商業(yè)上獲得的碳纖維拉伸強(qiáng)度可達(dá)5000MPa左右，彈性模量約200GPa左右。商業(yè)上獲得的玻璃纖維的拉伸 強(qiáng)度通常為1000Mpa左右，彈性模量約為幾十GPa。因此這種高強(qiáng)度碳纖 維與低模量玻璃纖維的組合可以充分利用兩者各自的優(yōu)點(diǎn)，得到兼有高強(qiáng) 度和較好的柔性的復(fù)合芯，這樣既適用于高應(yīng)力的應(yīng)用場(chǎng)合，又便于巻曲 盤(pán)繞，從而可以方便地儲(chǔ)存和運(yùn)輸。用于本發(fā)明的碳纖維可以直接從商業(yè)途徑獲得。例如日本東麗株式會(huì) 社、日本GRAFIL公司、美國(guó)杜邦公司、美國(guó)Hexcel公司的碳纖維產(chǎn)品。 這些商用碳纖維的拉伸強(qiáng)度通常在2000—6000MPa，優(yōu)選選用拉伸強(qiáng)度高 的產(chǎn)品，例如拉伸強(qiáng)度在5000MPa左右或更高的產(chǎn)品。用于本發(fā)明的玻璃纖維可以直接從商業(yè)途徑獲得。例如美國(guó)PPG公 司、中國(guó)玻纖股份有限公司等的產(chǎn)品。適用于本發(fā)明的玻璃纖維拉伸強(qiáng)度 通常在大約1000—2000MPa之間。顯然，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)踐要求和簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)來(lái)從各種商用產(chǎn) 品中篩選出適合本發(fā)明的碳纖維和玻璃纖維。另外，為了獲得更優(yōu)異的組 合性能，本發(fā)明不排除在除了碳纖維碳纖維和玻璃纖維之外，復(fù)合加強(qiáng)芯 線纜中還存在其它纖維，例如Kevlar纖維、玄武巖纖維、芳族聚酰胺、液 晶纖維、高性能聚乙烯纖維等等。這些纖維也都可通過(guò)商業(yè)途徑獲得。適用本發(fā)明的環(huán)氧樹(shù)脂基體材料由環(huán)氧樹(shù)脂低聚物或聚合物與適當(dāng)?shù)?固化劑經(jīng)固化反應(yīng)而得到。作為原料的環(huán)氧樹(shù)脂低聚物或聚合物來(lái)源廣泛，是常見(jiàn)的化工原料。 可以選用脂環(huán)族環(huán)氧樹(shù)脂、雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂、氫化雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂、雙酚 F環(huán)氧樹(shù)脂、縮水甘油胺一醚型環(huán)氧樹(shù)脂、雙酚A酚醛型環(huán)氧樹(shù)脂等等。 可以從Dow化學(xué)公司、Ciba公司、Shell公司等獲得各種型號(hào)和牌號(hào)的環(huán) 氧樹(shù)脂。作為環(huán)氧樹(shù)脂固化劑，可以選擇各種常見(jiàn)的環(huán)氧樹(shù)脂固化劑，例 如酸酐型固化劑、胺型固化劑，具體的例子如乙二胺、己二胺、二乙烯三 胺、三乙胺、三乙醇胺、六次甲基四胺、順丁烯二酸酐、鄰苯二甲酸酐等 等。具體的環(huán)氧樹(shù)脂低聚物或聚合物、固化劑的選擇依賴于應(yīng)用環(huán)境的要求和碳纖維、玻璃纖維的選擇。值得注意的是，環(huán)氧樹(shù)脂固化物15和17的組成可以相同，也可以不同?？紤]到制造工藝簡(jiǎn)化的要求，優(yōu)選的是環(huán)氧樹(shù)脂固化物15和17具有相同的組成。本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，環(huán)氧樹(shù)脂固化物15、 17除了基本的環(huán)氧樹(shù)脂低 聚物或聚合物和固化劑之外，還可以含有各種添加劑以便改善最終產(chǎn)品的 性能，例如增韌劑、增塑劑、表面活性劑、粘度調(diào)節(jié)劑、稀釋劑、填料、 偶聯(lián)劑、溶劑等等。下面具體描述本發(fā)明的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜10的制造工藝。 圖3是發(fā)明的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜10的制造工藝流程示意圖。 首先提供預(yù)定數(shù)量的碳纖維11和玻璃纖維13 (步驟30)。然后，在 步驟31對(duì)碳纖維11和玻璃纖維13進(jìn)行預(yù)處理，例如通過(guò)預(yù)熱去除水汽。 然后在步驟32通過(guò)涂布或浸漬，將環(huán)氧樹(shù)脂組合物均勻分布于纖維表面 和纖維之間。接下來(lái)在步驟33進(jìn)行預(yù)成型，即樹(shù)脂的預(yù)固化。然后在步 驟34進(jìn)行樹(shù)脂的固化成型，得到線纜粗產(chǎn)品；再可選地利用熱處理等后 續(xù)處理消除產(chǎn)品應(yīng)力(步驟35)，最后進(jìn)行產(chǎn)品收巻(步驟36)得到可 儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)木€纜盤(pán)。碳纖維束和玻璃纖維束通常是在線軸上，在工藝開(kāi)始時(shí)通過(guò)一個(gè)牽引 裝置拉動(dòng)各線軸上的多個(gè)纖維束，穿過(guò)一個(gè)有預(yù)定圖案的引導(dǎo)件(引導(dǎo)件 的圖案決定了各纖維束在最終產(chǎn)品中的分布圖案)依次進(jìn)行各個(gè)工藝步 驟。首先是通過(guò)一個(gè)預(yù)熱爐進(jìn)行預(yù)熱，以便烘干去除水汽。預(yù)熱溫度可以 為50—15(TC。然后預(yù)熱的纖維束被牽引通過(guò)一個(gè)浸漬槽。取決于環(huán)氧樹(shù) 脂固化物15、 17的組成是否相同，可以使用一個(gè)或兩個(gè)浸漬槽。浸漬槽 內(nèi)裝有由環(huán)氧樹(shù)脂低聚物或聚合物以及固化劑、增韌劑等組成的樹(shù)脂組合 物。本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，除了浸漬之外，還可以采用噴涂等手段將樹(shù)脂 組合物施加到纖維束之上。接下來(lái)進(jìn)行樹(shù)脂組合物的快速預(yù)固化，這可以 通過(guò)熱固化或輻射固化進(jìn)行。例如，熱固化可以通過(guò)90—15(TC的高溫進(jìn) 行，輻射固化可以通過(guò)紫外光輻照進(jìn)行。接下來(lái)是產(chǎn)品的固化，這可通過(guò) 8后固化工藝。之后，將固化后的產(chǎn)品牽引收巻即可完成碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯 線纜的制造。如果需要，還可以在收巻之前進(jìn)行冷卻或消除產(chǎn)品應(yīng)力等操根據(jù)本發(fā)明的碳纖維復(fù)合芯的拉伸強(qiáng)度在大約1000 — 3000MPa之間， 優(yōu)選大約1500—2500MPa之間，彈性模量在大約50 — 200GPa之間，工作 溫度在大約-40 — 25(TC之間，且熱膨脹系數(shù)在大約0 — 5X1(T6 m/mrC之間。這種高的拉伸強(qiáng)度使其適合作為橋梁復(fù)合拉索、纜車(chē)空中線索、遠(yuǎn)洋 捕魚(yú)線纜等承力繩索。另外，它的工作溫度范圍光、熱膨脹系數(shù)較低，適 合作為電力線纜、通訊線纜等，尤其是適合遠(yuǎn)程大功率輸電。下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。這里的實(shí)施例僅是 作為解釋說(shuō)明只用，而并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例一碳纖維是購(gòu)自日本東麗公司的T700碳纖維，玻璃纖維為中國(guó)玻纖提 供的連續(xù)玻璃纖維紗。樹(shù)脂組合物包含70。/^DOW化學(xué)公司的331J雙酚A 環(huán)氧樹(shù)脂和30。％的Ciba公司的Araldite 720，固化劑采用二乙胺基丙垸 (相對(duì)于樹(shù)脂組合物總量約6%)。利用上述原料采用前文所述工藝來(lái)制造碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜。工藝 中，預(yù)熱溫度為80°C，預(yù)固化溫度為120°C，固化溫度為180°C。所得復(fù) 合加強(qiáng)芯線纜的纖維體積率為50。％，碳纖維內(nèi)層直徑4mm，總直徑為8 mm,拉伸強(qiáng)度為1540MPa，彈性模量165 GPa，線膨脹系數(shù)為1.9X10—6 m/m/°C 。上述碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜可以進(jìn)一步編織處理，用于船舶纜繩、橋 梁拉索等。實(shí)施例二碳纖維是購(gòu)自日本東麗公司的T700碳纖維，玻璃纖維為中國(guó)玻纖提 供的連續(xù)玻璃纖維紗。采用Ciba公司的Amldite 720作為環(huán)氧樹(shù)脂低聚物，固化劑采用鄰苯二甲酸酐(相對(duì)于樹(shù)脂組合物總量約15%)。利用上述原料采用前文所述工藝來(lái)制造碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜。工藝中，預(yù)熱溫度為80°C，預(yù)固化溫度為IO(TC，固化溫度為150°C。所得復(fù) 合加強(qiáng)芯線纜的纖維體積率為60%，碳纖維內(nèi)層直徑5 mm,外層直徑為 7.75 mm,拉伸強(qiáng)度為2120 MPa，彈性模量115GPa，線膨脹系數(shù)為1.6X l(r6m/m/°C。實(shí)施例三采用實(shí)施例二制備的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜來(lái)替換傳統(tǒng)鋁導(dǎo)體鋼增強(qiáng) 電纜的鋼芯，即在實(shí)施例二制備的加強(qiáng)芯線纜上纏繞雙層梯形鋁絞線。該 線纜經(jīng)3公里實(shí)驗(yàn)線路檢驗(yàn)，證實(shí)可以在230kV下穩(wěn)定傳輸1000A電流， 而沒(méi)有明顯的由于熱效應(yīng)而導(dǎo)致的線纜下垂現(xiàn)象。與傳輸同樣電流的鋁導(dǎo) 體鋼增強(qiáng)電纜相比，其重量大約減少了 30%。另外，實(shí)施例三的電纜還可 以穩(wěn)定傳輸更大的電流，可以達(dá)到1200A。而傳統(tǒng)的鋁導(dǎo)體鋼增強(qiáng)電纜在 這樣大的電流下，其下垂程度已超過(guò)安全標(biāo)準(zhǔn)。上述實(shí)施例證明了本發(fā)明的碳纖維復(fù)合增強(qiáng)芯具有拉伸強(qiáng)度高、制造 工藝簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。但是本發(fā)明并不局限與此，本領(lǐng)域技術(shù)人 員在本說(shuō)明書(shū)的教導(dǎo)下，顯然可以調(diào)整產(chǎn)品配方和工藝參數(shù)，從而制造出 適合其它領(lǐng)域應(yīng)用的線纜產(chǎn)品。這些都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜，包括沿軸向平行排列、均勻分布于第一環(huán)氧樹(shù)脂固化物中的碳纖維的內(nèi)層；沿軸向平行排列、均勻分布于第二環(huán)氧樹(shù)脂固化物中的玻璃纖維的外層；其中碳纖維與玻璃纖維的纖維體積率為40-70％，所述碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯的拉伸強(qiáng)度為1000-3000MPa之間。
2. 如權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜，其中第一環(huán)氧樹(shù)脂固 化物與第二環(huán)氧樹(shù)脂固化物組成相同。
3. 如權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜，其還包括選自Kevlar 纖維、玄武巖纖維、芳族聚酰胺、液晶纖維、高性能聚乙烯纖維的其它纖 維。
4. 如權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜，其纖維體積率為50 — 60%。
5. 如權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜，其拉伸強(qiáng)度為1500 — 2500MPa之間。
6. 如權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜，其中所述第一、第二 環(huán)氧樹(shù)脂固化物由包括環(huán)氧樹(shù)脂低聚物或聚合物和固化劑的樹(shù)脂組合物固 化而得到。
7. 如權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜，其直徑為2—25 mm 之間。
8. 如權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜，其內(nèi)層直徑與外層寬 度之比一般在l: 5 — 5: l之間。
9. 制造如權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜的方法，包括 提供碳纖維和玻璃纖維；引導(dǎo)碳纖維和玻璃纖維通過(guò)裝有預(yù)定組成的環(huán)氧樹(shù)脂組合物的浸漬槽；經(jīng)預(yù)固化和固化兩段操作使所述樹(shù)脂組合物固化。
10.如權(quán)利要求9所述方法，還包括在固化之后進(jìn)行的后固化工藝。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳纖維復(fù)合加強(qiáng)芯線纜。其具有包括碳纖維、玻璃纖維和熱固性環(huán)氧樹(shù)脂的多層結(jié)構(gòu)。相對(duì)于傳統(tǒng)碳纖維或碳纖維復(fù)合材料，本發(fā)明具有強(qiáng)度高、使用范圍廣泛、加工容易等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明還涉及該線纜的制造方法。
文檔編號(hào)H01B7/18GK101325098SQ200710110870
公開(kāi)日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2007年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月12日
發(fā)明者忠 劉, 李玉國(guó) 申請(qǐng)人:李玉國(guó);劉 忠