专利名称：具有高伸长率的碳纤维复合材料电缆芯材及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种具有高伸长率的碳纤维复合材料电缆芯材结构及其制造方法。
背景技术：
以碳纤维复合材料芯材增强的铝电缆(ACCC)替代传统的钢芯材增强的铝电缆(ACSR)是目前高压电缆发展的方向。和同样直径的ACSR电缆相比，ACCC电缆可以提供双倍的载流容量。具有低弛度特性:在高温条件下弧垂不到钢芯铝绞线的1/2，可防止发生电弧，使地面生物更加安全，也可降低电缆架的高度。工作温度最高可达200 230°C。抗腐蚀性好:不存在双金属间电位腐蚀。延缓电缆老化，使用寿命高于普通电缆的2倍。重量轻:碳纤维复合芯的比重约为钢的1/LACCC电缆单位长度重量比常规ACSR电缆轻10-20%，从而降低了工程成本。强度高:为普通电缆的2倍。普通钢丝的抗拉强度为1240Mpa-1410Mpa，而ACCC电缆的碳纤维玻璃纤维混合芯材的强度达2100Mpa-2400Mpa。高强度线芯可以有效减少电缆架的数量20%，节省用地。传输损耗低:由于ACCC电缆不存在钢丝材料引起的磁损和热效应，可以减少输电损失约6%等。但目前的碳纤维复合材料电缆芯材在使用中还存在一些问题，首先碳纤维是电缆芯材中主要的承力纤维，但由于碳纤维是脆性材料，使碳纤维电缆芯材韧性较差。以直径为IOmm的ACCC电缆芯材为例,若外层玻璃纤维为E玻璃纤维，层厚度为Imm,内层碳纤维为T700碳纤维，层直径为8mm，按标准此电缆芯材需在相当于直径55倍的圆筒上绕一圈。此时电缆芯材外层的周长大于内层周长，如假设内层纤维长度不变，则外层纤维处于拉伸状态。计算可得，玻璃纤维最大的拉伸应变为3.65%，碳纤维为3.47%。而我们知道玻璃纤维的断裂伸长率为4.8%，完全可以满足使用要求。而碳纤维为2.1%，这样就会产生很大的内应力，甚至导致界面的破坏。这情况在架设过程和使用环境中都存在，而且电缆芯直径越大，这一问题就越严重。其次是由于两种芯材伸长率的差异，芯材中玻璃纤维强度性能并未充分发挥作用，仍旧以T700碳纤维和E玻璃纤维为例，E玻璃纤维的拉伸强度为3.4GPa，断裂伸长率比碳纤维大一倍，也就是说在外界拉应力的作用下，当芯材的伸长率达到碳纤维的极限伸长率，而导致碳纤维芯材断裂时，玻璃纤维的强度的发挥效率只有近1/2左右。如果能提高碳纤维层的断裂伸长率和玻璃纤维相近，则可充分发挥玻璃纤维的强度性能。高伸长率电缆芯材由于碳纤维采用编织结构，使复合材料电缆芯的韧性增加，更有利于电缆的施工和应用。国外曾有通过合股和加捻，提高碳纤维结构的伸长率的技术。此方法简单，但有所限制，过高的捻度，导致碳纤维在拉伸时的相互剪切，造成纤维强度的损失。
发明内容
本发明的目的是提供具有高伸长率的碳纤维复合材料电缆芯材结构及其制造方法，通过改变碳纤维复合材料电缆芯材的结构，提高其伸长率，从而可充分发挥芯材中各种材料的性能，并提高电缆芯材的韧性，从而提高其在铺设和使用中的性能。
为了达到上述目的，本发明提供了一种多层碳纤维复合材料电缆芯材结构，其特征在于，至少包括玻璃纤维绝缘层以及玻璃纤维绝缘层内的2D编织碳纤维层。优选地，所述的2D编织碳纤维层采用绳索结构，所述绳索结构由轴向纱以及编织纱构成，轴向纱采用芳纶纤维，编织纱采用碳纤维。更优选地，所述的2D编织碳纤维层内侧设有高强玻璃纤维或芳纶纤维层，从而组
成三层结构。优选地，所述的2D编织碳纤维层也可采用绳编结构。本发明还提供了上述碳纤维复合材料电缆芯材结构的制造方法，其特征在于，具体步骤为:通过2D编织机编织2D编织碳纤维层，将从玻纤纱架上下来的玻璃纤维包覆在2D编织碳纤维层的外侧一同进入预成型模，环氧树脂从树脂供料泵压入预成型模，浸溃后的纤维复合结构依次通过加热成型模和后固化炉，由牵引设备拉出，缠绕到芯材架上，形成碳纤维复合材料电缆芯材结构。 优选地，在编织2D编织碳纤维层前，高强玻璃纤维或芳纶纤维从纱架上通过供料辊进入胶槽，经过浸溃辊，浸以环氧树脂，再通过刮胶辊，进入2D编织机的中心孔，在编织2D编织碳纤维层时，2D编织机上的碳纤维通过编织包覆在预浸过的高强玻璃纤维或芳纶纤维上。本发明所用纤维包括无碱玻璃纤维，高强玻璃纤维，芳纶纤维和碳纤维。所用树脂为多官能团环氧树脂。本发明的2D编织碳纤维层通过对碳纤维的纤度，根数，编织角度和方式等，调节碳纤维层的伸长率；其可为绳索结构。根据需要可如图2所示，采用轴向纱增强，或如图3所示，无轴向纱增强。通过2D编织机使碳纤维在芯料上包覆；也可为绳编结构，采用绳编方式实现多根纱线的合并，此时不再需要内层纤维。与现有ACCC技术相比，本发明保持了 ACCC电缆原有高载流容量、高工作温度、抗腐蚀、重量轻、强度高、低弛度、低损耗等优点。但提高了其伸长率，通常ACCC芯材由内外两层构成，内层为碳纤维复合材料，外层为玻璃纤维复合材料。其中碳纤维具有高强度，高刚度和低伸长率的特性，起到承力件的作用，而玻璃纤维复合材料由于其低刚度和高伸长率，不能充分发挥其力学性能，在芯材中主要起到绝缘层的作用。更由于碳纤维的低伸长率，使电缆芯材成为脆性材料，在电缆的铺设和使用中，不时会发生材料界面的破坏，甚至断裂。本发明的高伸长率复合材料电缆芯材可充分发挥芯材内各纤维的力学性能，提高复合材料芯的承载能力。并使芯材的韧性增加，更有利于电缆的施工和使用。本发明适用于高压电缆的碳纤维玻璃纤维复合材料芯材的制造。也适用于任何由两种以上的不同伸长率的纤维组成的高伸长率复合材料承力结构，如用于建筑上的混凝土增强的复合材料钢筋，桥梁的复合材料拉索和海底光缆承力件等。
图1为碳纤维复合材料电缆芯材结构示意图；图2为绳索结构的2D编织碳纤维层示意图；图3为无轴向纱的编织碳纤维层示意图；Θ为编织角，d为纱线宽度。图4为碳纤维复合材料电缆芯材结构的制造设备图。
具体实施例方式为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。实施例1如图1所示，一种碳纤维复合材料电缆芯材结构，由芳纶纤维层16、2D编织碳纤维层17和玻璃纤维绝缘层18组成。玻璃纤维绝缘层18内侧设有2D编织碳纤维层17。2D编织碳纤维层17内侧设有芳纶纤维层16。如图2所示，所述的2D编织碳纤维层17采用绳索结构，所述绳索结构由轴向纱14以及设于轴向纱14外的编织纱15构成，轴向纱14采用芳纶纤维，编织纱15采用碳纤维。其制造方法为:(I)原材料规格:纤维的技术规格见表I。树脂的配方见表2。表I
权利要求
1.一种多层碳纤维复合材料电缆芯材结构，其特征在于，至少包括玻璃纤维绝缘层(18)以及玻璃纤维绝缘层(18)内的2D编织碳纤维层(17)。
2.如权利要求1所述的多层碳纤维复合材料电缆芯材结构，其特征在于，所述的2D编织碳纤维层(17)采用绳索结构，所述绳索结构由轴向纱(14)以及编织纱(15)构成，轴向纱(14)采用芳纶纤维，编织纱(15)采用碳纤维。
3.如权利要求2所述的多层碳纤维复合材料电缆芯材结构，其特征在于，所述的2D编织碳纤维层(17)内侧设有高强玻璃纤维或芳纶纤维层，从而组成三层结构(16)。
4.如权利要求1所述的多层碳纤维复合材料电缆芯材结构，其特征在于，所述的2D编织碳纤维层(17)采用绳编结构。
5.权利要求1所述的多层碳纤维复合材料电缆芯材结构的制造方法，其特征在于，具体步骤为:通过2D编织机(6)编织2D编织碳纤维层(17)，将从玻纤纱架(7)下来的玻璃纤维包覆在2D编织碳纤维层(17)的外侧一同进入预成型模(8)，环氧树脂从树脂供料泵(9)进入预成型模(8)，浸溃后的纤维棒依次通过加热成型模(10)和后固化炉(11)，由牵引设备(12)拉出，缠绕到芯材架(13)上，形成碳纤维复合材料电缆芯材结构。
6.如权利要求5所述的多层碳纤维复合材料电缆芯材结构的制造方法，其特征在于，在编织2D编织碳纤维层(17)前，高强玻璃纤维或芳纶纤维从纱架(I)上通过供料辊(2)进入胶槽(3)，经过浸溃辊(4)，浸以环氧树脂，再通过刮胶辊(5)，进入2D编织机￠)的中心孔，在编织2D编织碳纤维层(17)时， 2D编织机(6)上的碳纤维通过编织包覆在预浸过的高强玻璃纤维或芳纶纤维上。
全文摘要
本发明提供了具有高伸长率的碳纤维复合材料电缆芯材结构及其制造方法。所述的碳纤维复合材料电缆芯材结构，其特征在于，包括玻璃纤维绝缘层，玻璃纤维绝缘层内侧设有2D编织碳纤维层。所述的2D编织碳纤维层采用绳索结构，所述绳索结构由轴向纱以及编织纱构成，轴向纱采用芳纶纤维，编织纱采用碳纤维。所述的2D编织碳纤维层内侧设有高强玻璃纤维或芳纶纤维层。本发明的优点是保持了目前ACCC电缆芯材高载流容量、高工作温度、抗腐蚀、重量轻、强度高、低弛度、低损耗等优点。但提高了其伸长率，增加了芯材的韧性，更有利于电缆的施工和使用。
文档编号H01B9/00GK103117123SQ20131003892
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月31日 优先权日2013年1月31日
发明者罗永康, 杨永岗, 温月芳 申请人:东华大学, 中简科技发展有限公司