一种碳纤维复合材料导线芯棒及其复合导线制造技术

本实用新型专利技术公开了一种碳纤维复合材料导线芯棒及其复合导线，该导线芯棒采用以碳纤维为主体增强纤维的多种纤维混杂复合材料制备，从内到外由刚性芯、韧性层、抗劈裂层和表面耐磨层组成，刚性芯采用高性能碳纤维复合材料保证整体芯棒的抗变形能力，柔韧层采用玻璃纤维复合材料保证芯棒的韧性以达到一定曲率的卷绕，抗劈裂层采用混杂纤维螺旋缠绕结构避免导线芯棒在卷绕中的劈裂问题，表面耐磨层采用碳纤维表面毡或二维编织高性能纤维混杂保证表面耐磨特性以有效保护芯棒内部结构稳定性。本实用新型专利技术的多层结构碳纤维复合材料导线芯棒可提高目前导线钢芯或传统复合材料导线芯棒的综合力学性能，有效延长使用寿命。

Carbon fiber composite material wire core rod and composite conductor thereof

The utility model discloses a carbon fiber composite core wire and composite wire, the wire rod by using carbon fiber as the main variety of hybrid fiber reinforced composites are prepared, from the inside to the outside of a rigid core, ductile layer, anti cracking layer and wear resistant surface layer, a rigid core with high performance carbon fiber composite material to ensure the anti deformation ability of integral mandrel, flexible layer by winding glass fiber composite material to ensure the mandrel toughness to reach a certain curvature, anti cracking layer using hybrid fiber spiral structure in the winding mandrel to avoid wire splitting, wear resistant surface layer using the two-dimensional surface of carbon fiber felt or woven fiber with high performance ensure the surface wear resistance of hybrid to protect the stability of the internal structure of mandrel. The multi layer structure carbon fiber composite material wire core rod can improve the comprehensive mechanical performance of the current steel core or the traditional composite material lead wire mandrel, and effectively prolong the service life.

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维复合材料导线芯棒及其复合导线
本技术属于电力输电领域，特别涉及一种碳纤维复合材料导线芯棒及其复合导线。
技术介绍
现代工业技术的发展对电力传输系统的要求越来越高，不仅需要电话通信，对于兼备遥控、遥测、视频传输等大容量的信息集成传输的要求越来越迫切和必要，同时随着电力设备自动控制的配备以及计算机监控系统的应用广泛，巨大信息量的传输成为电力系统的必要工作。因此对电力传输的要求越来越向高速、大容量、耐久性等方面发展。这种发展趋势要求输电线路向着特高压、快速输电方向侧重，这必然导致输电线路的规格和自重的提高。传统的输电线路采用钢芯作为支撑材料，钢芯外部采用铝绞线作为主要输电传导载体，而这种钢芯铝绞线的输电线路结构由于全部采用金属材料，出现了诸多问题，如：自重大、不耐腐蚀、弧垂大易变形、环境适应性差等等。于是关于复合材料材质导线结构的研究开始出现，目前应用较多的是在输电导线芯部采用复合材料导线芯棒作为替代材料，提高整体刚性，减小弧垂，同时提高对冰冻、积雪等恶劣气候的环境适应性最终提高使用寿命。然而，目前单一复合材料的导线芯棒虽然解决的自重和抗变形等问题，但是由于材质的局限性也出现了复合材料固有的种种弊端，例如：芯棒结构的功能单一化，仅仅以力学刚性的提升为主，韧性不足导致芯棒在运输、安装或卷绕中出现劈裂损伤；复合材料芯棒表面的致密性不够导致耐磨性差，施工过程容易出现磕碰、刮擦造成的力学缺陷。这些问题都会为复合材料芯棒的长期使用带来缺陷隐患。因此，目前亟需一种综合性能较好的导线芯棒来解决以上技术问题。
技术实现思路
为了解决单一材质复合材料导线芯棒的这一问题，本技术提出了一种多层结构的碳纤维复合材料混杂材质的输电导线芯棒的结构及碳纤维复合导线，通过碳纤维为主的不同高性能纤维的混杂使用以及多种功能层的综合特性发挥，可有效提高导线芯棒整体的耐磨性、抗劈裂性、高柔韧性等多种性能，在保证芯棒刚性和耐腐蚀性的基础上有效提高整体特性，延长复合材料导线芯棒的使用寿命。本技术的技术方案如下：本技术的第一个目的是提供了一种碳纤维复合材料导线芯棒，从芯部到表面依次由刚性芯、柔韧层、抗劈裂层和耐磨层四个部分构成；所述刚性芯是由高性能碳纤维与热固性树脂复合成型；所述柔韧层是由玻璃纤维与热塑改性热固性树脂复合成型；或者，所述柔韧层是由玻璃纤维和碳纤维两者的混杂纤维与热塑改性热固性树脂复合成型；所述抗劈裂层是由玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维中的一种纤维或多种混杂纤维的二维织物与热固性树脂复合成型；所述耐磨层是由碳纤维表面毡或玻璃纤维或芳纶纤维的二维织物与热塑性树脂复合成型。本技术所述的刚性芯，其增强纤维为高性能碳纤维，基体为热固性树脂；所述高性能碳纤维为高强度碳纤维或高模量碳纤维，或者所述高性能纤维为高强度碳纤维和高模量碳纤维的混杂纤维；优选的，所述高强度碳纤维选用T300、T700、T800中的一种或多种；所述高模量碳纤维选用M40J、M60J中的一种或两种。进一步优选的，所述高强型碳纤维和高模量碳纤维的混杂质量比例为1：1～10：1。所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的一种。优选的，所述刚性芯中的树脂含量为30～50％从制备得到的刚性芯的强度来讲，所述热固性树脂与高性能碳纤维采用拉挤成型工艺制备得到刚性芯；最终成型的刚性芯的直径为3～15mm。刚性芯采用高性能碳纤维复合材料保证整体芯棒的抗变形能力。本技术所述的柔韧层位于刚性芯的外表面，其增强纤维为玻璃纤维或玻璃纤维和碳纤维两者的混杂纤维，基体为热塑改性热固性树脂。所述玻璃纤维选用S玻纤或E玻纤的一种或两种，同时混杂高强度碳纤维(所述高强度碳纤维选用T300、T700、T800中的一种或多种)作为刚性调节，其中，所述玻璃纤维与碳纤维的混杂质量比例为1：1～10：1。或者可单独使用玻璃纤维作为增强纤维。所述热塑改性热固性树脂选用聚氨酯改性环氧树脂、聚氨酯改性不饱和聚酯树脂中的一种。优选的，所述柔韧层中的树脂含量为30～50％。从制备得到的柔韧层的性能来讲，本技术的柔韧层采用拉挤成型或缠绕成型制备；最终成型的柔韧层的厚度为0.5～5mm。柔韧层采用玻璃纤维复合材料保证芯棒的韧性以达到一定曲率的卷绕。本技术所述的抗劈裂层位于柔韧层的表面，采用缠绕成型工艺制备，缠绕采用二维织物，浸渍热固性树脂基体之后缠绕在柔韧层表面，缠绕角度为30～60度。优选的，所述二维织物的宽度为5～15mm。优选的，所述二维织物的所用纤维选择以玻璃纤维和/或芳纶纤维作为混杂纤维的主体纤维，其他纤维为辅助纤维，所述辅助纤维为玄武岩纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维中的一种或多种。其中，主体纤维与辅助纤维的混杂质量比例为2：1～10：1。所述热固性树脂选用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的一种；优选的，所述抗劈裂层中的树脂含量为30～50％；最终成型的抗劈裂层的厚度为0.5～2mm。抗劈裂层采用混杂纤维螺旋缠绕结构避免导线芯棒在卷绕中的劈裂问题。本技术的耐磨层位于抗劈裂层的表面，采用缠绕成型工艺制备，缠绕采用碳纤维表面毡或高性能纤维二维织物，浸渍热塑性树脂基体之后缠绕在抗劈裂层表面。所述碳纤维表面毡选用高强度短切碳纤维制备，短切碳纤维长度为1～5cm；所述高性能纤维二维织物是选用玻璃纤维或芳纶纤维的平纹、斜纹或缎纹织物。所述热塑性树脂选用聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚中的一种；优选的，所述耐磨层中的树脂含量为30～50％；最终成型的耐磨层的厚度为0.5～2mm。表面耐磨层采用碳纤维表面毡或二维编织高性能纤维混杂保证表面耐磨特性以有效保护芯棒内部结构稳定性。导线芯棒中的增强纤维和基体都对其性能产生影响，而不同结构的组合同样对导线芯棒的性能产生影响。技术人通过大量的实验和研究分析得到本技术使用的材料以及结构可以有效的提升导线芯棒的整体性能。本技术还提供了上述碳纤维复合材料导线芯棒的制备方法，包括以下步骤：(1)高性能碳纤维与热固性树脂采用拉挤成型工艺制备得到刚性芯；(2)在所述刚性芯的表面采用拉挤成型工艺或缠绕成型工艺制备柔韧层，所述柔韧层中的增强纤维选用玻璃纤维或玻璃纤维和碳纤维两者的混杂纤维，基体选用热塑改性热固性树脂；(3)在所述柔韧层的表面采用缠绕成型工艺制备抗劈裂层，所述抗劈裂层的增强纤维选用玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维中的一种或多种混杂纤维的二维纤维织物，基体选用热固性树脂；(4)在所述抗劈裂层的表面采用缠绕成型工艺制备耐磨层，所述耐磨层的增强纤维选用碳纤维表面毡或高性能纤维二维织物，基体选用热塑性树脂。本技术的第二个目的是提供一种碳纤维复合芯导线，包括所述碳纤维复合材料导线芯棒和包裹在其外表面的环形导电层。所述环形导电层可由铜、铝或铝合金等金属制成，属于本领域的公知常识。上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：1、本技术的导线芯棒采用以碳纤维为主体增强纤维的多种纤维混杂复合材料制备，从内到外由刚性芯、韧性层、抗劈裂层和表面耐磨层构成，具体是：(1)本技术以高性能碳纤维与热固性树脂复合成型制备得到刚性芯，得到的芯体抗拉强度较大，保证了整体芯棒的抗变形能力，为导线芯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纤维复合材料导线芯棒，其特征是：该导线芯棒从芯部到表面依次由刚性芯、柔韧层、抗劈裂层和耐磨层四个部分构成；所述刚性芯是由高性能碳纤维与热固性树脂复合成型；所述柔韧层是由玻璃纤维与热塑改性热固性树脂复合成型；所述抗劈裂层是由玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维中的一种纤维的二维织物与热固性树脂复合成型；所述耐磨层是由碳纤维表面毡或玻璃纤维或芳纶纤维的二维织物与热塑性树脂复合成型。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维复合材料导线芯棒，其特征是：该导线芯棒从芯部到表面依次由刚性芯、柔韧层、抗劈裂层和耐磨层四个部分构成；所述刚性芯是由高性能碳纤维与热固性树脂复合成型；所述柔韧层是由玻璃纤维与热塑改性热固性树脂复合成型；所述抗劈裂层是由玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维中的一种纤维的二维织物与热固性树脂复合成型；所述耐磨层是由碳纤维表面毡或玻璃纤维或芳纶纤维的二维织物与热塑性树脂复合成型。2.如权利要求1所述的导线芯棒，其特征是：在刚性芯中，所述高性能碳纤维为高强型碳纤维或高模量碳纤维；所述高强型碳纤维选用T300、T700、T800中的一种；所述高模量碳纤维选用M40J、M60J中的一种。3.如权利要求1所述的导线芯棒，其特征是：在刚性芯中，所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的一种；所述高性能碳纤维与热固性树脂采用挤拉成型工艺制备得到刚性芯；最终成型的刚性芯的直径为3~15mm。4.如权利要求1所述的导线芯棒，其特征是：在柔韧层中，所述玻璃纤维选用S玻纤或E玻纤的一种。5.如权利要求1所述的导线芯棒，其特征是：在柔韧层中，所述热塑改性热固性树脂选用聚氨酯改性环氧树脂、...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱波，曹伟伟，乔琨，王永伟，于宽，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：新型
国别省市：山东,37