一种用于增强电缆的复合材料芯及其制备工艺和增强电缆的制作方法

专利名称：一种用于增强电缆的复合材料芯及其制备工艺和增强电缆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料芯，特别涉及一种用于增强电缆的复合材料芯。另外，本发明还涉及复合材料芯的制备工艺，以及使用复合材料芯的增强电缆。
背景技术：
目前，在远距离电缆架设及传输方面，电缆的承重部件多采用钢芯。而采用钢 芯作为承重部件存在诸多缺点和不足。如易受热膨胀致使电缆下垂，钢芯自身导电会 消耗大量电能，且重量较大，导致输电塔和电线杆的结构需要相应加强。为了解决钢芯作为承重部件存在的诸多问题，现有技术中提出了复合材料芯的 方案。采用玻璃纤维、碳纤维和树脂材料进行复合而成。不仅重量相比钢芯大大减轻， 且具有极低的膨胀系数，在电缆温度升高时不增加电缆的下垂。拉伸强度较钢芯有显 著提高，可以增加塔距。目前已开始使用。但其仍存在问题，由于采用玻璃纤维、碳 纤维、树脂材料进行复合，结构为内芯和外芯，有的结构还分为内芯、中间层和外芯。 当复合芯在生产、运输、施工时会发生弯曲，弯曲时复合芯外层纤维受拉，纤维产生应 变，并随复合芯截面增大外层纤维会产生更大的应力和应变，当纤维应变大于纤维断裂 延伸率时，纤维发生断裂。如国家知识产权局于2008年12月17日公布的、专利申请号为200710110870.4、 名称为“碳纤维复合加强芯线缆”的发明专利申请公布文本中，其包括内芯和外芯。内 芯包含碳纤维和环氧树脂，外芯包含玻璃纤维和环氧树脂。相对于传统钢芯材料，本发 明强度高、使用范围广、加工容易。在该专利申请的方案中，加强芯分为内芯和外芯， 内芯的复合材料中采用碳纤维，外芯的复合材料中采用玻璃纤维，当复合芯在生产、运 输、施工时会发生弯曲，弯曲时复合芯外层纤维受拉，纤维产生应变，并随复合芯截面 的增大，外层纤维会产生更大的应力和应变，当纤维应变大于纤维断裂延伸率时，纤维 发生断裂。所以只能制做小直径的复合芯。又如国家知识产权局于2009年1月14日授权公告的、专利号为03809284.0、名 称为“铝导体复合芯增强电缆以及制造方法”的发明专利中，ACCC电缆具有由至少一 层铝导体围绕的复合材料芯。该复合材料芯包括内芯和外芯。在该专利申请方案中，同 样存在在复合芯弯曲时外层纤维产生应力应变和纤维断裂的问题。所以也只能制做小直 径的复合芯.对于制做直径大于IOmm的复合芯只能分段制做，之后再复合，不能一体成 型，由于张力不勻势必影响强度。同时，除了上述提到的缺点外，现有复合芯还存在一个问题是，复合芯的耐磨 性和抗老化较差。由于复合芯的外芯裸露在外，日晒雨淋以及安装铺设过程中的磨损都 会造成外芯的损坏，缩短了外芯的使用寿命。给使用带来影响。为了解决内芯、外芯的防护问题，现有复合芯在外芯外设置保护膜的方案。如 国家知识产权局于2007年1月17日公布的、专利申请号为200480038529.7、名称为“铝 导体复合材料芯增强电缆及其制备方法”的发明专利申请文件中，ACCC电缆具有由外芯部膜和至少一层铝导体围绕的复合材料芯。该复合材料芯包括一种或多种基体材料中 的多根纤维，该纤维来自至少一种纤维类型。在该专利方案中，在其说明书第9页第2 段提到具有保护性涂层或膜305围绕复合材料芯303。这里保护性涂层或膜305起到保 护、防磨损的性能。但其仅为一层膜结构，易破损且耐久性较差，而且是涂敷于外芯上 的，实际应用中容易脱落，导致局部裸露，不能完全包裹的情况，影响复合芯的使用寿 命。在其权利要求5记载的技术方案中，外部膜选自Kapton、Teflon、TefzeL Tedlar、 Mylar、Melonix> Tednex> PEN和PET等材料。由于是膜结构，导致电缆在实际铺设 时，保护膜极易磨损或破损，另外，保护膜在实际应用中容易脱落，导致局部没有完全 包裹的情况出现。以上所举例的专利及现有的技术存在一个共同的缺点，其增强电缆用的复合芯 只有纵向纤维增强，而没有横向纤维增强，复合芯的抗疲劳强度和抗疲劳次数较低，电 缆的使用寿命受到影响。并且在制作电缆时由于受到铝导体的挤压，复合芯易开裂，而 且还不能检验出来，势必影响到复合芯和输电线缆的强度和使用寿命。

发明内容
为了解决上述现有技术中的问题，本发明提供一 种用于增强电缆的复合材料 芯。外层由编织而成的纤维编织管与热固性树脂材料复合而成。由于纤维编织管为由多 根纤维束相互交错编织而成的网状结构，具有很好的纵向、横向的抗拉伸、延展性，可 以大大提高复合芯的抗疲劳强度和抗疲劳次数。在电缆生产、运输、施工时发生弯曲情 况，可以很好的避免纤维断裂，提高电缆的性能。另外，本发明还提供制备复合材料芯的工艺。以及使用复合材料芯的增强电缆。本发明提供的一种用于增强电缆的复合材料芯采用的主要技术方案为一种用 于增强电缆的复合材料芯，包括内芯、外层，所述内芯由纤维与热固性树脂复合而成， 所述外层包括纤维编织管和热固性树脂，所述纤维编织管和热固性树脂复合形成所述外 层，所述纤维编织管为由多根纤维束相互交错编织而成的网状结构。本发明提供的一种用于增强电缆的复合材料芯还采用如下附属技术方案所述 内芯与外层采用同一热固性树脂，一体成形；所述内芯中的纤维包含碳纤维、或玄武岩纤维、或玻璃纤维、或芳纶纤维、或 它们之间的混合物；所述纤维编织管采用的纤维包含玄武岩纤维、或玻璃纤维、或芳纶 纤维、或它们的混合物；所述热固性树脂包含环氧树脂、或改性环氧树脂、或它们的混 合物；所述内芯的横截面为1层、或2层、或多层结构；所述横截面为1层结构的内 芯，其纤维包含碳纤维、或玄武岩纤维、或玻璃纤维、或芳纶纤维、或它们之间的混合 物；所述横截面为2层或多层结构的内芯，其每层分别包含碳纤维、或玄武岩纤维、或 玻璃纤维、或芳纶纤维、或它们之间的混合物；所述内芯和外层中所包含的纤维占所述复合材料芯总重量的50% 85% ；还包括富树脂层，所述富树脂层包覆于所述外层，所述富树脂层包含聚酯毡、 或玻纤毡。
本发明提供的制备复合材料芯的工艺采用的主要技术方案为包括如下步骤a、将纱架上的纤维纱经集合、烘干、浸胶、刮胶工艺处理，使纤维纱的表面包 敷热固性树脂材料；b、将包敷有热固性树脂材料的纤维纱进行预成形处理，形成增强电缆材料芯的 所述内芯；C、经预成形处理后的内芯在牵引机的作用下进入编织机，编织机围绕内芯进行 编织，在内芯的表面编织形成所述纤维编织管；d、对表面形成有纤维编织管的内芯进行挤压溢脂处理，使内芯中的热固性树脂 被挤压、溢出到纤维编织管中，使纤维编织管也浸润包敷热固性树脂材料，形成所述外 层；e、之后，进入模具加热固化定形、后固化工艺处理，制得所述的增强电缆复合 材料芯。本发明提供的制备复合材料芯的工艺还采用如下附属技术方案在所述步骤 C中，至少有一台编织机围绕内芯进行编织，在内芯的表面至少编织一层所述纤维编织 管；编织机的编织速度与复合材料芯的牵引速度基本同步；在所述步骤d中，采用预成形板对表面形成有纤维编织管的内芯进行挤压溢脂 处理，所述预成形板上开有通孔，所述通孔的横截面积小于表面形成有纤维编织管的尚 未进入其通孔的内芯的横截面积，所述表面形成有纤维编织管的内芯在牵引机的作用下 穿过所述通孔61 ；在所述步骤d中，采用多块预成形板相间隔排列的结构对表面形成有纤维编织 管的内芯逐步进行挤压溢脂处理；所述多块间隔排列的预成形板上的通孔，其横截面积依次减小；在所述步骤d中，所述表面形成有纤维编织管的内芯(1)在经挤压溢脂处理步骤 中可在纤维编织管上包裹一层聚酯毡、或玻纤毡，形成所述的富树脂层；或在所述步骤 e中，进入模具加热固化定形之前在纤维编织管上包裹一层聚酯毡、或玻纤毡，形成所述 的富树脂层；本发明提供的使用复合材料芯的增强电缆采用的技术方案为复合材料芯，包 括内芯、外层，所述内芯由纤维与热固性树脂复合而成，其特征在于所述外层包括纤 维编织管和热固性树脂，所述纤维编织管和热固性树脂复合形成所述外层，所述纤维编 织管为由多根纤维束相互交错编织而成的网状结构，所述复合材料芯的外表面至少绞绕
有一层软铝线。 采用本发明提供的复合材料芯带来的有益效果为(1)外层纤维编织管为由多 根纤维束相互交错编织而成的网状结构，有效解决了复合芯没有横向纤维增强的问题。 相互交错的编织结构大大增强了复合材料芯的横向强度，从而大大提高了复合芯的抗疲 劳强度和抗疲劳次数，大大延长复合芯的使用寿命(2)外层纤维编织管为由多根纤维束 相互交错编织而成的网状结构。相互交错的编织结构大大增强了复合材料芯的横向强 度，完全避免在制造电缆过程中由于导体绞绕挤压而使复合芯开裂破损的问题。(3)由于 外层采用了纤维编制管，相互交错编织的结构大大增加了外层的柔性，可以满足制造大 直径复合材料芯的要求。(4)在制备复合材料芯时，通过调整编织机的编织角度，使编织管纵向和横向的编织角度发生变化，以此来调解纤维编织管的强度，实现了纤维编织管 强度的可设计性。可以根据实际需要和要求进行生产。适用性更好。(5)在外层的外表 面包覆有富树脂层。因富树脂层含有聚酯毡或玻纤毡，可进一步提高复合材料芯的耐磨 性能，在输电电缆制作和施工时有效的保护纤维编织管不磨损，即使表面磨损也不会损 坏纤维编织管。(6)富树脂层的设置使复合芯更耐腐蚀，更耐雨水冲刷，更抗老化，更好 的保护好复合材料芯中的纤维，延长使用寿命。其强度和坚固性方面较现有的保护膜而 言有大幅提升。可以保护好复合材料芯不受日晒雨林以及磨损的影响。(7)富树脂层进 一步提高了复合芯的绝缘程度，提高复合芯的使用寿命。(8)内芯、富树脂层与外层采用 同一热固性树脂材料复合，一体成形，没有分层，不存在脱落的问题。与现有采用保护 涂层或膜的方案相比，不仅耐磨损、防雨淋日晒性能好，而且强度高，耐久性长，对复 合材料芯起到很好的保护，大大延长复合材料芯的使用寿命。采用本发明提供的增强电缆带来的有益效果为外层纤维编织管为由多根纤维 束相互交错编织而成的网状结构大大增强了复合材料芯的横向强度，从而大大提高了电 缆的抗疲劳强度和抗疲劳次数，大大延长电缆的使用寿命。复合材料芯外层中纤维编织 管的设计使复合芯的柔性进一步提升，抗横向的拉伸性能也显著提高。在生产大截面复 合芯方面也能满足复合芯和电缆的弯曲半径要求，一是能提高电缆的柔性，从而提高其 操作性；二是能生产大截面的电缆，增加输电容量。另外，富树脂层的设置使电缆铺设 时产生的弯曲、拉伸不会造成复合材料芯纤维的断裂，表面耐磨层也不会脱落。从而延 长电缆的使用寿命。



图1为本发明复合材料芯的立体结构示意图，示出内芯、外层的结构，重点示 出外层中纤维编织管的网状结构；图2为本发明复合材料芯的截面剖示图；图3为本发明复合材料芯具有富树脂层的立体结构示意图，示出外层之外的富 树脂层的结构；图4为图3的截面剖示图；图5为本发明复合材料芯制备工艺流程图；图6为本发明包含有富树脂层的复合材料芯制备工艺流程图；图7为本发明复合材料芯中内芯为2层结构的截面剖示图，示出内芯的内层和次 外层结构；图8为本发明复合材料芯制备工艺中，当制备具有2层结构的内芯时，在步骤b 中第一块预成形板的正面结构示意图；图9为本发明使用复合材料芯的增强电缆的截面剖示图；图10为本发明使用包含有富树脂层的复合材料芯的增强电缆的另一截面剖示 图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的详述
如图1至图4、图7所示，为本发明提供的一种用于增强电缆的复合材料芯，包 括内芯1、外层2，所述内芯1由纤维与热固性树脂复合而成，所述外层2包括纤维编织 管和热固性树脂，所述纤维编织管和热固性树脂复合形成所述外层2，所述纤维编织管为 由多根纤维束相互交错编织而成的网状结构。在图1、图2、图3中外层2上纵横交错的 线条示出了多根纤维束相互交错编织而成的网状结构。
外层纤维编织管为由多根纤维束相互交错编织而成的网状结构，有效解决了复 合芯没有横向纤维增强的问题。相互交错的编织结构大大增强了复合材料芯的横向强 度，不仅大大提高了复合芯的抗疲劳强度和抗疲劳次数，大大延长复合芯的使用寿命， 而且完全避免在制造电缆过程中由于导体绞绕挤压而使复合芯开裂破损的问题。相互交 错编织的结构大大增加了外层2的柔性，可以满足制造大直径复合材料芯的要求。
而且通过选择多根纤维束相互交错的不同角度的纤维编织管，可以根据需要改 变纤维编织的强度，在实际生产和使用的情况中针对性和适用性更强。
所述内芯1与外层2采用同一热固性树脂，一体成形，没有分层，不存在脱落的 问题。所述内芯1中的纤维包含碳纤维、或玄武岩纤维、或玻璃纤维、或芳纶纤维、或 它们之间的混合物。当内芯1中纤维采用它们之间的混合物时(即内芯1中的纤维种类 超过一种)，其纤维排布包含混合排布或分层排布两种方式。混合排布是内芯1所用纤 维混合为一体，在截面上看是1层结构。分层排布是内芯1所用纤维按纤维种类分层布 置，在截面上看是多层结构。如图7所示，内芯1中的纤维采用碳纤维和玻璃纤维混合 并按照分层的方式布置，在截面上看即形成内层11和次外层12的2层结构。内层11包 含碳纤维，次外层12包含玻璃纤维。除此以外，内层11和次外层12也可分别包含多种 纤维。多层结构依次类推。
通过对上述内芯1结构的叙述，旨在说明内芯1可以为1层的单层结构也可为2 层或多层的结构，这些不同的结构都不影响在内芯1外形成外层2。
所述纤维编织管采用的纤维包含玄武岩纤维、或玻璃纤维、或芳纶纤维、或它 们的混合物；所述热固性树脂包含环氧树脂、或改性环氧树脂、或它们的混合物。
所述纤维编织管的截面厚度一般控制在0.1mm-1.5mm之间。在该区间内，纤维 编织管即满足横向抗拉伸、扭曲的性能，也不会由于纤维编织管占用部分纵向纤维的空 间而使复合芯不能满足其拉伸强度的要求。所述内芯1和外层2中所包含的纤维占所述 复合材料芯总重量的50% 85%。具体是指内芯1中所含的纤维与外层2中所含的纤维 编织管的份量之和占到复合材料芯总重量的50% 85%。在保证整体复合材料芯质轻的 前提下，耐腐蚀、抗弯曲等效果达到最优。
除了上述提供的包含内芯1和外层2的复合材料芯的方案外，复合材料芯还包括 富树脂层3，所述富树脂层3包覆于所述外层2，所述富树脂层3包含聚酯毡或玻纤毡。
因富树脂层3含有聚酯毡或玻纤毡，可进一步提高复合材料芯的耐磨性能，在 输电电缆制作和施工时有效的保护纤维编织管不磨损，即使表面磨损也不会损坏纤维编 织管。富树脂层3的设置使复合芯更耐腐蚀，更耐雨水冲刷，更抗老化，更好的保护复 合材料芯中的纤维，延长使用寿命。其强度和坚固性方面较现有的保护膜而言有大幅提 升。可以保护好复合材料芯不受日晒雨淋以及磨损的影响。而且进一步提高了复合芯的 绝缘程度，提高复合芯的使用寿命。
另外，内芯1、富树脂层3与外层2采用同一热固性树脂材料复合，一体成形， 没有分层，不存在脱落的问题。与现有采用保护涂层或膜的方案相比，不仅耐磨损、防 雨淋日晒性能好，而且强度高，耐久性长，对复合材料芯起到很好的保护，大大延长复 合材料芯的使用寿命。
本发明还提供使用所述复合材料芯的增强电缆，如图9、图10所示，在复合材 料芯的外表面至少绞绕有一层软铝线4。这里所述的复合材料芯的外表面，当复合材料芯 不包括富树脂层3时，是指外层2;当包括富树脂层3时，是指富树脂层3。
如图5、图6、图8所示，为本发明提供的制备上述方案中所述的复合材料芯的 工艺，参见图5工艺流程图中生产线上的设备依次对应的标号是纱架1、集纱器2、烘 干机3、浸胶槽4、刮胶器5、预成型板6、编织机7、预固化炉9、定型模具10、后固化 炉11、冷却器12、计米器13、牵引机14、收线机15。图6的工艺流程图中生产线上的 设备依次对应的标号同图5，但比图5多了毡盘8。
整个工艺主要包括如下步骤
a、首先将纱架1上的纤维纱经集合、烘干、浸胶、刮胶工艺处理，使纤维纱的 表面包敷热固性树脂材料。
具体操作为内芯1用连续纤维纱摆放在带有张力的纱架(1)上，张力最佳为可 调的，从纱架上引出纤维纱引到集纱器2上，集纱器2上布有许多小孔，纤维纱穿过小孔 把纱架上的纱集合在一起，纤维纱通过集纱器2后进入烘干机3，去除纤维束上的水分， 烘干机3的温度控制在40°C 100°C，去除水分后纤维束含水率应小于2%。烘干机3 可以是热风机或远红外烘干机。通过烘干机3的纤维束进入浸胶槽4浸胶，胶槽中贮有 预先配制好的树脂液体，胶槽4中配有压纱辊，压纱辊数量为1 3个，根据需要设定， 胶槽4最佳配置是带有加热器，以便加热树脂并使其恒温，便于树脂浸透纤维纱。胶槽 4的树脂温度不宜大于80°C。浸完胶的纤维束从胶槽4中出来通过刮胶器5刮去多余的 胶液。刮胶器5由二只张力辊组成，一上一下，组成一对。纤维束在二只张力辊之间经 过刮去多余的胶。刮胶量通过调节张力辊的张力来控制，根据需要可配备一至三个刮胶 器。经过上述工艺处理后，纤维纱的表面包敷有热固性树脂材料，并且达到纤维束完全 浸透了树脂。
b、将包敷有热固性树脂材料的纤维纱进行预成形处理，形成增强电缆材料芯的 所述内芯1 ；
具体操作为包覆有树脂的纤维纱通过刮胶器5后进入预成型板6，如图5、图 6中预成型板6的结构放大图所示。预成型板6中心开有的通孔61其形状与需要制作的 内芯的形状相同。预成型板由1 6块依次排列组成，依次排列的预成型板6，其中心通 孔61的面积由大变小逐渐变化。经过多个预成型板后，形成了内芯1。
C、经预成形处理后的内芯1在牵引机的作用下进入编织机，编织机围绕内芯进 行编织，在内芯1的表面编织形成所述纤维编织管；
具体操作为遍织机7在内芯1的表面进行编织形成纤维编织管，编织机7可以 是卧式的，也可以是立式，编织机7纱锭数量从2 144锭中选择，一个纱锭对应一束纤 维，根据纤维编织管的厚度及纤维型号，纤维束的数量从2 144束中选择。编织速度 基本与牵引速度同速。
d、对表面形成有纤维编织管的内芯1进行挤压溢脂处理，使内芯1中的热固性 树脂被挤压、溢出到纤维编织管中，使纤维编织管也浸润包敷热固性树脂材料，形成所 述外层2 ；
具体操作为如图5至图6所示。在所述步骤d中，采用预成形板6对表面形成 有纤维编织管的内芯1进行挤压溢脂处理，预成形板的数量为多个，且相互间隔排列。 所述预成形板6上开有通孔61，所述通孔61的横截面积小于表面形成有纤维编织管但尚 未进入所述通孔61的内芯1的横截面积，并且相排列的预成形板6上的通孔61的横截面 积依次减小。所述表面形成有纤维编织管的内芯1在牵引机的作用下依次穿过每块预成 形板6上的所述通孔61，多块预成形板6相间隔排列的结构对表面形成有纤维编织管的内 芯1逐步进行挤压溢脂处理，将内芯1中的热固性树脂挤出、外溢到纤维编织管上。使 纤维编织管浸润并浸透热固性树脂。
e、之后，进入模具加热固化定形、后固化工艺处理，制得所述的增强电缆复合 材料芯。
具体操作为之后进入预固化炉9，预固化炉9可以是热风加热或远红外加热或 微波加热或电热管加热，预固化炉9的温度为50 190°C可调，从预固化炉9出来后进入 定型模具10，定型模具10分三段加热，三段温度从前到后分别为120 220°C，140 240120 220°C，复合芯从模具出来时树脂固化成度应大于55%。复合芯需要后固 化，在后固化炉11进行后固化，后固化炉11可以是热风加热或远红外加热或微波加热或 电热管加热，后固化炉11的温度为150 270°C可调，可分为1 4个区间，本领域技术 人员可根据芯棒的直径大小和拉速以及树脂的配比进行调节和选择，已完全固化的复合 芯通过冷却器12、计米器13、牵引机14直到收线机15。冷却器12为风冷却，牵引机 14为履带牵引机。收线机15为通用的电缆用收线机。整个拉挤速度为30 120厘米/ 分钟。
在所述步骤C中，至少有一台编织机围绕内芯1进行编织，在内芯1的表面至少 编织一层所述纤维编织管；编织机的编织速度与复合材料芯的牵引速度基本同步。
在所述步骤d中，在经挤压溢脂处理步骤中可在纤维编织管上包裹一层聚酯毡 或玻纤毡，形成所述的富树脂层3。或在所述步骤e中，在进入模具加热固化定形之前在 纤维编织管上包裹一层聚酯毡或玻纤毡，形成所述的富树脂层3。图6所示的工艺流程图 中，内芯1进入预成形板6进行挤压溢脂处理之前由毡盘8弓丨出聚酯毡或玻纤毡经过预成 形板6’定位后处于编织管的左右或上下两侧，之后内芯1、编织管与两侧的聚酯毡共同 进入预成形板6。由预成形板6中的通孔61逐渐挤压，从而完成热固性树脂的外溢、浸 润。从预成形板6出来后含有聚酯毡的富树脂层3即形成，在经后续的加热固化等工艺 处理后即形成具有富树脂层的复合材料芯。图6中示出了预成形板6’的结构，其中间 为所述的通孔61，左右两侧为用于聚酯毡或玻纤毡经过的毡逢通道63。
在所述步骤b中，用于预成形处理的预成形板6为多个并依次间隔排列，所述多 个间隔排列的预成形板上也开有所述的通孔61。该结构适用于内芯1采用单一纤维或采 用多种纤维且为混合分布的结构时使用。
或是在间隔排列的多个预成形板的第一块预成形板上开有通孔61、围绕着所述 通孔61间隔的开有次外层通孔62，该结构如图8所示，这一组的最后一块预成形板上仅开有所述通孔61，结构如图8和预成型板上仅开有所述通孔61的预成型板的数量本领域 的工程人员可根据需要来定。该预成形板的结构适用于内芯1采用多种纤维且为分层布 置的结构。如内芯1采用碳纤维和玻璃纤维，碳纤维作为内芯1的内层11，从通孔61中 穿过，玻璃纤维作为内芯1的次外层12，从次外层通孔62中穿过。这样变形成玻璃纤 维围绕碳纤维的结构，最后再一同进入到下一块预成形板的通孔61中，整合成形为具有 2层结构的内芯1。该2层结构的内芯即为图7中所示的截面结构。
下面给出基于上述工艺制备复合材料的实施例。
实施例一内层1截面积约50平方毫米、外层2截面积约20平方毫米。内芯1 选用12K的碳纤维60根，纤维直径为7微米；外层2选用E玻璃纤维，用16束玻璃纤维 编织，每束玻璃纤维为400Tex;选用一台16锭卧式编织机；热固性树脂选用环氧树脂， 玻璃化转变温度Tg为约125°C，用酸酐作固化剂，咪唑作促进剂。环氧树脂胶配比环 氧树脂甲基四氢苯酐1-甲基咪唑硬脂酸锌=100 80 2 2。内芯1中的碳纤 维和外层2中的E玻璃纤维重量之和占复合芯总重量的约50%。
具体制作步骤如下
60卷碳纤维平放在带有张力的纱架上，60束碳纤维从纱架引出到集纱器，集纱 器由聚四氟乙烯做成；通过烘干器蒸发掉水分，烘干器温度控制在50°C，烘干器用热风 烘干器；碳纤维进入浸胶槽浸胶，浸过胶的碳纤维由括胶器括掉多余的胶后进入到预成 型板预成型成直径约8.5MM的内芯，预成型板由3块组成，预成型板中的通孔的形状为 圆形，3块依次排列的预成形板上的圆孔的面积逐步变小；内芯1进到编织机7编织纤维 编织管，调整编织速度大约为0.6米/分钟，与牵引速度同步，纤维编织管的截面厚度约 为0.75mm。纤维编织管编织好后复合芯进到预成形板6中进行挤压溢脂处理；再进行预 加热，预加热温度为80°C，预加热长度为1000MM，远红外加热；之后进入定型模具10 加热固化定型，定型模具10长度900MM，模腔直径9.5MM，模具分三段加热，分别为 140160150°C ；复合芯出来进入后固化炉11后固化，固化炉温度为180°C，炉长 1200MM ；之后复合芯再通过冷却、牵引、收卷完成整个工序。
用此配比选材用以制造外径为9.5mm的复合材料芯，拉伸强度约1250MPa，内 芯1中的碳纤维和外层2中的E玻璃纤维重量之和占复合芯总重量的约50%。外层2为 玻璃纤维编织层。输电线运行温度达到100°C。
实施例二 内层1截面积约四平方毫米、外层2截面积约2.6平方毫米。内芯 1选用12K的碳纤维46根，纤维直径为7微米；外层2选用E玻璃纤维，用M束玻璃纤 维编织，每束玻璃纤维为120支二股；选用一台M锭卧式编织机7 ；热固性树脂选用环 氧树脂，玻璃化转变温度Tg为约160°C，用酸酐作固化剂，咪唑作促进剂。环氧树脂胶 配比环氧树脂甲基四氢苯酐1-甲基咪唑硬脂酸锌=100 80 1.5 2。内芯 1中的碳纤维和外层2中的E玻璃纤维重量之和占复合芯总重量的约75%。
具体制作步骤如下
46卷碳纤维平放在带有张力的纱架1上，46束碳纤维从纱架1引出到集纱器2， 集纱器2由聚四氟乙烯做成；通过烘干器3蒸发掉水分，烘干器3温度控制在50°C，烘干 器3用热风烘干器；碳纤维进入浸胶槽4浸胶，浸过胶的碳纤维由括胶器5括掉多余的胶 后进入到预成型板6预成型成直径约6.3MM的内芯，预成型板6由3块组成；内芯1进到编织机7编织纤维编织管，调整编织速度大约为0.6米/分钟，与牵引速度同步，纤维 编织管的截面厚度约为0.15_。纤维编织管编织好后复合芯进到预成形板6中进行挤压 溢脂处理；再进行预加热，预加热温度为80°C，预加热长度为1000MM，远红外加热； 之后进入定型模具10加热固化定型，模具长度900MM，模腔直径6.35MM，模具分三段 加热，分别为150°C、170°C、160°C ；复合芯出来进入后固化炉11后固化，固化炉温度 为180°C，炉长1200MM;之后复合芯再通过冷却、牵引、收卷完成整个工序。
用此配比选材用以制造外径为6.35mm的复合材料芯，拉伸强度1800MPa，内芯 1中的碳纤维和外层2中的E玻璃纤维重量之和占复合芯总重量的约75%。外层2为玻 璃纤维编织层。输电线运行温度达到130°C。
实施例三内芯1截面积约74平方毫米、外层2截面积约52平方毫米。内芯 1选用12K的碳纤维100根，纤维直径为7微米，和SOOTex玄武岩纤维50根，纤维直径 9微米，内芯1所用碳纤维和玄武岩纤维混合排布；外层2选用二台卧式编织机7编织， 第一台编织机7为M锭，第二台编织机7为16锭，M锭的编织机7用对束￡玻璃纤维 编织，每束玻璃纤维为400Tex ； 16锭的编织机7用16束芳纶纤维编织，每束芳纶纤维选 用Kevlar49;热固性树脂选用环氧树脂，玻璃化转变温度Tg为约190°C，用酸酐作固化 剂，咪唑作促进剂。环氧树脂胶配比环氧树脂甲基四氢苯酐1-甲基咪唑硬脂酸 锌12 14烷基缩水甘油醚=100 80 1.6 2 5。内芯1中的碳纤维、玄武岩 纤维和外层2中的E玻璃纤维、芳纶纤维的重量之和占复合芯总重量的约85%。
具体制作步骤如下
100卷碳纤维和50卷玄武岩纤维平放在带有张力的纱架上，100束碳纤维和50 束玄武岩纤维从纱架引出到集纱器，二束碳纤维合一束玄武岩纤维并在集纱器的一个孔 中，集纱器由聚四氟乙烯做成；通过烘干器蒸发掉水分，烘干器温度控制在50°C，烘干 器用热风烘干器；碳纤维和玄武岩纤维混合进入浸胶槽浸胶，浸过胶的混和纤维由括胶 器括掉多余的胶后进入到预成型板预成型成直径约10.4MM的内芯，预成型板由4块组 成；内芯1进到第一台编织机7编织外层，第一台编织机为M锭编织机，纤维为E玻璃 纤维，调整编织速度大约为0.45米/分钟，与牵引速度同步，形成第一层纤维编织管， 第一层纤维编织管的截面厚度为约1mm。纤维编织管编织好后复合芯进到第一组预成形 板6中进行挤压溢脂处理；挤压溢脂处理后再进行第二层芳纶纤维的编织，第二台编织 机为16锭编织机，纤维为芳纶纤维，调整编织速度大约为0.45米/分钟，与牵引速度同 步，形成第二层纤维编织管，编完第二层纤维编织管后的截面总厚度约为1.5mm。外层 编织好后复合芯进到第二组预成形板6中进行挤压溢脂处理；出来后进行预加热，预加 热温度为90°C，预加热长度为1000MM，远红外加热；之后进入定型模具10加热固化定 型，模具长度900MM，模具分三段加热，分别为160°C、180°C, 170°C ；复合芯出来进 入后固化炉11后固化，固化炉温度为180°C，炉长1200MM;之后复合芯再通过冷却、 牵引、收卷完成整个工序。
用此配比选材用以制造外径为12.7mm的复合材料芯，拉伸强度1950MPa，内芯 1中的碳纤维、玄武岩纤维和外层2中的E玻璃纤维、芳纶纤维的重量之和占复合芯总重 量的约85%。外层2为纤维编织层。输电线运行温度达到160°C。
实施例四内芯1截面积约50平方毫米、外层2截面积约11平方毫米。内芯121选用12K的碳纤维M根，纤维直径为7微米，和SOOTex的S玻璃纤维18根，纤维直 径11微米，碳纤维和S玻璃纤维分层布置，最内层为碳纤维，次内层为S玻璃纤维；外 层2选用一台立式编织机编织，为48锭编织机，玻璃纤维选用40支8股；采用二片宽度 为15MM的聚酯毡，毡重为M克/平方米；热固性树脂选用改性环氧树脂，玻璃化转变 温度Tg为约230°C，用酸酐作固化剂，咪唑作促进剂。改性环氧树脂胶配比改性环氧 树脂甲基四氢苯酐1-甲基咪唑硬脂酸锌=100 80 2 2
具体制作步骤如下
54卷碳纤维和18卷S玻璃纤维平放在带有张力的纱架上，M束碳纤维和18束 玄武岩纤维从纱架引出到集纱器，碳纤维排在集纱器的内圈，S玻璃纤维排在集纱器的外 圈，集纱器由聚四氟乙烯做成；通过烘干器蒸发掉水分，烘干器温度控制在50°c，烘干 器用热风烘干器；碳纤维和S玻璃纤维分别进入浸胶槽浸胶，浸过胶的碳纤维和S玻璃纤 维由括胶器括掉多余的胶后进入到预成型板，同样碳纤维排在预成型板的内层通孔61，S 玻璃纤维排在预成型板的次外层通孔62，逐步预成型成直径约8.5MM的内芯，内芯1中 碳纤维排在最内层，S玻璃纤维排在次内层，预成型板由6块组成；内芯1从预成型板出 来进到立式编织机编织，48束40支8股玻璃纤维编织复合芯外层，调整编织速度大约为 0.65米/分钟，与牵引速度同步，编织好后复合芯进到一块预成型板，如图6所示，此预 成型板带有二条用于固定聚酯毡的毡逢通道63，毡逢通道长15MM，宽1MM，二片聚酯 毡分别穿过毡逢通道63，出来后包覆在纤维编织管外层上，一起进入预成形板6进行挤 压溢脂处理；浸完胶出来后进行预加热，预加热温度为90°C，预加热长度为1000MM， 远红外加热；之后进入定型模具10加热固化定型，定型模具10长度900MM，模腔直径 为8.8MM模具分三段加热，分别为160°C、180°C, 170°C ；复合芯出来进入后固化炉11 后固化，固化炉温度为180°C，炉长1200MM;之后复合芯再通过冷却、牵引、收卷完成 整个工序。
用此配比选材用以制造外径为8.8mm的复合材料芯，拉伸强度1750MRi，内芯 1中的碳纤维、S玻璃纤维和外层2中的玻璃纤维的重量之和占复合芯总重量的约72%。 外层2为纤维编织层，截面厚度约0.4mm。输电线运行温度达到200°C。
在上述实施例中，因采取的是玻璃钢的拉挤工艺，工艺步骤中通过理论计算 确定纱的根数，所用纱在胶槽浸胶，再通过刮胶及挤胶装置去掉多余的胶，进入模具加 热固化。从此工艺看出胶的含量是不能精确的，因不是可以计量的，从而纱的含量也不 能在做制品前能精确知道，只能是大约数，要得出制品纱含量的精确值是通过烧灼法检 测得出的，而这个值是不衡定的，是变化的。由于上述实际制备工艺特点造成的原因， 涉及组分含量、面积、厚度等数值时，因测得的具体值是离散的，不是一个固定值，所 以均在数值前面使用“约”字。但并不影响实施例的实施。在本领域中，上述制备工 艺带来的数值无法衡定的问题是公知的常识。
在上述4个实施例中，实施例1、3、4制成的复合材料芯根据需要可以至少绞绕 一层铝导体4，一般绞绕1 2层电工软铝线，亦可绞绕3至4层软铝线。实施例2制 成的复合材料芯根据需要可以绞绕1 2层电工软铝线。铝导体横截面一般为圆形、梯 形。
权利要求
1.一种用于增强电缆的复合材料芯，包括内芯(1)、外层(2)，所述内芯(1)由纤维 与热固性树脂复合而成，其特征在于所述外层(2)包括纤维编织管和热固性树脂，所 述纤维编织管和热固性树脂复合形成所述外层(2)，所述纤维编织管为由多根纤维束相互 交错编织而成的网状结构。
2.根据权利要求1所述的复合材料芯，其特征在于所述内芯(1)与外层(2)采用同 一热固性树脂，一体成形。
3.根据权利要求1所述的复合材料芯，其特征在于所述内芯(1)中的纤维包含碳 纤维、或玄武岩纤维、或玻璃纤维、或芳纶纤维、或它们之间的混合物；所述纤维编织 管采用的纤维包含玄武岩纤维、或玻璃纤维、或芳纶纤维；所述热固性树脂包含环氧树 脂、或改性环氧树脂、或它们的混合物。
4.根据权利要求1所述的复合材料芯，其特征在于所述内芯(1)的横截面为1层、 或2层、或多层结构；所述横截面为1层结构的内芯(1)，其纤维包含碳纤维、或玄武岩 纤维、或玻璃纤维、或芳纶纤维、或它们之间的混合物；所述横截面为2层或多层结构 的内芯(1)，其每层分别包含碳纤维、或玄武岩纤维、或玻璃纤维、或芳纶纤维、或它们 之间的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种增强电缆复合材料芯，其特征在于所述内芯(1)和外 层(2)中所包含的纤维占所述复合材料芯总重量的50% 85%。
6.根据权利要求1所述的一种增强电缆复合材料芯，其特征在于还包括富树脂层 (3)，所述富树脂层(3)包覆于所述外层(2)，所述富树脂层(3)包含聚酯毡、或玻纤毡。
7.制备上述权利要求1至5任一所述的增强电缆复合材料芯的工艺，其特征在于包括 如下步骤a、将纱架上的纤维纱经集合、烘干、浸胶、刮胶工艺处理，使纤维纱的表面包敷热 固性树脂材料；b将包敷有热固性树脂材料的纤维纱进行预成形处理，形成增强电缆材料芯的所述内 芯⑴；C、经预成形处理后的内芯(1)在牵引机的作用下进入编织机，编织机围绕内芯进行 编织，在内芯(1)的表面编织形成所述纤维编织管；d、对表面形成有纤维编织管的内芯(1)进行挤压溢脂处理，使内芯(1)中的热固性 树脂被挤压、溢出到纤维编织管中，使纤维编织管也浸润包敷热固性树脂材料，形成所 述外层⑵；e、之后，进入模具加热固化定形、后固化工艺处理，制得所述的增强电缆复合材料-I-H心。
8.根据权利要求7所述的制备工艺，其特征在于在所述步骤C中，至少有一台编 织机围绕内芯(1)进行编织，在内芯(1)的表面至少编织一层所述纤维编织管；编织机的 编织速度与复合材料芯的牵引速度基本同步。
9.根据权利要求7所述的制备工艺，其特征在于在所述步骤d中，采用预成形板 (6)对表面形成有纤维编织管的内芯(1)进行挤压溢脂处理，所述预成形板(6)上开有通 孔(61)，所述通孔(61)的横截面积小于表面形成有纤维编织管且未进入所述通孔(61)前 的内芯(1)的横截面积，所述表面形成有纤维编织管的内芯(1)在牵引机的作用下穿过所述通孔61。
10.根据权利要求9所述的制备工艺，其特征在于在所述步骤d中，采用多块预成 形板(6)相间隔排列的结构对表面形成有纤维编织管的内芯(1)逐步进行挤压溢脂处理。
11.根据权利要求10所述的制备工艺，其特征在于所述多块间隔排列的预成形板 (6)上的通孔(61)，其横截面积依次减小。
12.根据权利要求7所述的制备工艺，其特征在于在所述步骤d中，所述表面形成 有纤维编织管的内芯(1)在经挤压溢脂处理步骤中可在纤维编织管上包裹一层聚酯毡、 或玻纤毡，形成所述的富树脂层(3)；或在所述步骤e中，进入模具加热固化定形之前在 纤维编织管上包裹一层聚酯毡、或玻纤毡，形成所述的富树脂层(3)。
13.—种应用上述权利要求1至6任一所述复合材料芯的电缆，其特征在于所述复 合材料芯的外表面至少绞绕有一层软铝线(4)。
全文摘要
本发明涉及一种用于增强电缆的复合材料芯及其制备工艺和增强电缆，所述复合材料芯包括内芯、外层，内芯由纤维与热固性树脂复合而成，外层包括纤维编织管和热固性树脂，纤维编织管和热固性树脂复合形成外层，外层纤维编织管为由多根纤维束相互交错编织而成的网状结构。相互交错的编织结构大大增强了复合材料芯的横向强度，大大提高了复合芯的抗疲劳强度，延长复合芯和输电电缆的使用寿命；并且完全避免在制造电缆过程中由于导体绞绕挤压而使复合芯开裂破损的问题。由于外层采用了纤维编制管，相互交错编织的结构大大增加了外层的柔性，可以满足制造大直径复合材料芯的要求。
文档编号H01B7/18GK102024517SQ20091017217
公开日2011年4月20日 申请日期2009年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者冯毅 申请人:江苏嘉泰科技材料股份公司