具有整体结构纤维增强的复合芯及电缆制造技术

本发明专利技术涉及复合芯技术领域，尤其涉及一种具有整体结构纤维增强的复合芯及包括该具有整体结构纤维增强的复合芯的电缆。具有整体结构纤维增强的复合芯由三维预制体浸润树脂并拉挤成型获得，三维预制体为由若干纤维束通过规律性交替互锁构成的三维立体织物，三维预制体形成有相互交织成一体的内部结构和外轮廓，三维预制体为不分层的整体结构。三维预制体为由纤维束构成完整、不分层、没有皮芯结构形态的整体结构，可一体化净尺寸成型，具有多轴向纤维增强的分布特点，使得具有整体结构纤维增强的复合芯具有更突出的抗拉、抗压、抗弯和抗扭等综合性能，同时兼备动态疲劳和抗冲击性能，综合力学性能优异。综合力学性能优异。综合力学性能优异。

【技术实现步骤摘要】
具有整体结构纤维增强的复合芯及电缆


[0001]本专利技术涉及复合芯
，尤其涉及一种具有整体结构纤维增强的复合芯及一种包括该具有整体结构纤维增强的复合芯的电缆。

技术介绍

[0002]高性能纤维凭借其优秀的机械性能，与树脂结合制备成复合芯替代钢绞芯作为承力结构，被广泛应用于输电线缆中。其中以具有重量轻、高耐腐蚀性、非磁性、高热传导率、极低热膨胀系数、高拉伸强度及高拉伸弹性等特征的碳纤维为主要应用。
[0003]常规的复合芯通过将高性能纤维沿轴向集束排列(或增加缠绕与管套编织工艺)并浸润树脂后拉挤得到具有一定截面形状的复合芯。
[0004]其中，使用单向纤维拉挤工艺制备的纤维增强复合芯，各纤维单丝仅沿轴向平行排列，其轴向拉伸强度表现优秀，但其周向无纤维增强，平行的纤维单丝间仅靠树脂黏合，因此所得复合芯的径向抗压缩、轴向抗弯曲能力不足。特别是当复合芯径向受压时，易沿直径方向劈裂，并在频繁外力作用下，裂纹会迅速沿纤维单丝与树脂胶黏较差的界面扩散并导致复合芯失效。
[0005]使用单向纤维拉挤工艺制备的部分做轴芯，在轴芯外侧沿圆周方向增加纤维缠绕工艺，制备得到的具有表面螺旋结构的纤维增强复合芯，其缠绕的纤维将轴芯纤维捆绑扎紧，约束了轴芯纤维的移动，提高了径向抗压缩性能和轴向抗弯曲性能，但缠绕的纤维仅为沿某一圆周方向的螺旋堆叠，纤维螺旋环之间接触面较小，仅通过树脂黏合固定，所得复合芯的抗扭转、耐疲劳性能仍表现不佳。
[0006]使用单向纤维拉挤工艺制备的部分做轴芯，在轴芯外侧沿圆周方向增加纤维管状编织工艺，制备得到的具有编织管套面层的纤维增强复合芯，其编织的纤维在轴芯纤维外形成一层管套，各编织成管的纤维束与轴线成一定夹角进行规律的交叉互锁，此结构在增强复合芯径向抗压缩性和环向刚度的同时，还提高了其抗扭转性能和部分轴向拉伸性能，属于缠绕工艺的升级。
[0007]缠绕和编织工艺在不同程度上提高了单向纤维拉挤复合芯的一部分周向性能，但二者与单向纤维拉挤工艺组合后，均形成了“皮芯结构”，缠绕层与编织层均为表皮层，单向纤维拉挤部分为轴芯。在此类构件生产中，当缠绕或编织的速率与拉挤速率匹配异常时易形成分层，严重影响产品性能。此外，表皮层无法对轴芯内部的裂纹扩散进行有效的控制，一旦轴芯受损，复合芯仍有快速失效的趋势。因此具有“皮芯结构”的复合芯的耐疲劳、抗冲击等性能表现不佳。而综合力学性能的不佳表现限制了复合芯的应用，难以满足更加苛刻的使用要求。

技术实现思路

[0008]鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术要解决的技术问题是提供一种具有整体结构纤维增强的复合芯，具有优异的综合力学性能。
[0009]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0010]本专利技术提供一种具有整体结构纤维增强的复合芯，复合芯由三维预制体浸润树脂并拉挤成型获得，三维预制体为由若干纤维束通过规律性交替互锁构成的三维立体织物，三维预制体形成有相互交织成一体的内部结构和外轮廓，三维预制体为不分层的整体结构。
[0011]优选地，三维预制体的外轮廓上布置有沿周向分布的连续纤维束。
[0012]优选地，三维预制体由纤维束通过三维机织工艺制备而成。
[0013]优选地，三维预制体浸润树脂采用树脂压力注射浸润的方式。
[0014]优选地，纤维束为碳纤维、玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维、PBO纤维、混杂纤维、改性纤维和植物纤维中的任意一种或多种的组合。
[0015]优选地，树脂为热塑性树脂和热固性树脂中的任意一种或两种的结合。
[0016]本专利技术还提供一种电缆，包括如上所述的具有整体结构纤维增强的复合芯。
[0017]与现有技术相比，本专利技术具有显著的进步：
[0018]本专利技术采用三维预制体浸润树脂并拉挤成型获得具有整体结构纤维增强的复合芯，三维预制体为由纤维束构成完整、不分层、没有皮芯结构形态的整体结构，可一体化净尺寸成型，具有多轴向纤维增强的分布特点，使得具有整体结构纤维增强的复合芯具有更突出的抗拉、抗压、抗弯和抗扭等综合性能，同时兼备动态疲劳和抗冲击性能，综合力学性能优异，并且具有一体化结构成型度高、可仿形设计能力突出、多轴向性能可设计性强、坚固强韧且质轻的优势。本专利技术将三维预制体成型与复合芯拉挤成型工艺相结合，充分发挥了复合芯拉挤成型工艺的连续性、低成本、高效率、高质量控制的特点和三维预制体可有效提高层间抗剪切、抗冲击、耐疲劳等综合性能以及可一体化净尺寸成型的特点。
附图说明
[0019]图1是本专利技术实施例的具有整体结构纤维增强的复合芯的结构示意图。
[0020]图2是本专利技术实施例的具有整体结构纤维增强的复合芯中，三维预制体的局部结构示意图。
[0021]图3是本专利技术实施例的具有整体结构纤维增强的复合芯中，三维预制体的侧面结构示意图。
[0022]图4是本专利技术实施例中采用的三维纺织机的结构示意图。
[0023]图5是本专利技术实施例中采用的纤维束预成型集束装置的结构示意图。
[0024]图6是本专利技术实施例的具有整体结构纤维增强的复合芯中，三维预制体的截面结构示意图。
[0025]图7是本专利技术实施例的具有整体结构纤维增强的复合芯的截面结构示意图。
[0026]图8是本专利技术实施例的具有整体结构纤维增强的复合芯的制造工艺路线示意图。
[0027]图9是本专利技术实施例中采用的预成型装置的结构示意图。
[0028]图10是本专利技术实施例中采用的压缩装置的结构示意图。
[0029]图11是本专利技术实施例中采用的定型模具的结构示意图。
[0030]其中，附图标记说明如下：
[0031]100
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三维预制体
[0032]101
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经纱
[0033]102、102a
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纬纱
[0034]200
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树脂
[0035]201
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树脂面层
[0036]202
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树脂填充层
[0037]300
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三维纺织机
[0038]301
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钢筘
[0039]302
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布纱区域
[0040]400
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纤维束预成型集束装置
[0041]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
纱架
[0042]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
三维预制体成型装置
[0043]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
预成型装置
[0044]31
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有整体结构纤维增强的复合芯，其特征在于，所述复合芯由三维预制体浸润树脂并拉挤成型获得，所述三维预制体为由若干纤维束通过规律性交替互锁构成的三维立体织物，所述三维预制体形成有相互交织成一体的内部结构和外轮廓，所述三维预制体为不分层的整体结构。2.根据权利要求1所述的具有整体结构纤维增强的复合芯，其特征在于，所述三维预制体的外轮廓上布置有沿周向分布的连续纤维束。3.根据权利要求1所述的具有整体结构纤维增强的复合芯，其特征在于，所述三维预制体由所述纤维束通过三维机织工艺制备而成。4.根据权利要求1所述的具有整体...

【专利技术属性】
技术研发人员：王昆，刘旌平，黄崇祺，
申请(专利权)人：上海电缆研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：