CN101814338A - 复合材料加强导线及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料导线及其制造方法，具体地说，本发明涉及一种用于架空输电的导线及其制造技术，该导线包括由导电材料包围的复合材料加强筋，制造方法涉及复合材料拉挤制造工艺。本发明所述导线包括加强筋和沿加强筋纵向分布的长杆状导电体。加强筋包括连续碳纤维增强的复合材料承载体和玻璃纤维毡增强的复合材料保护体。本发明所述加强筋采用拉挤工艺制造，其中包括开闭模技术和感应加热技术。在所述加强筋外缠绕导电体形成导线，可以用于架空输电。本发明所述的导线，具有使用寿命长、成本低、低弧垂、输电效率高的优点。本发明所述的加强筋制造方法，拉挤速度快，工料内外加热均匀并可以消除固化时的残余热应力。

Description

复合材料加强导线及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料加强导线及其制造方法，具体地说，本发明涉及一种用于架空输电的导线及其制造技术，该导线包括由导电材料包围的复合材料加强筋，制造方法涉及复合材料拉挤制造工艺。

背景技术

由于输电网络的发展需求，输电技术正在成为业内人士的重要研究领域，其中所涉及的导线制造技术是近年来的一个研究热点。在传统的架空输电线路中，通常采用钢芯铝导线，内部的钢芯作为承载体，缠绕在钢芯外围的铝作为导电体。钢材料具有较低的比刚度和比强度，这是钢芯铝导线输电效率低弧垂大的根本原因。提高导线的输电效率是导线制造的主要技术目标。

在美国一家公司申请的发明专利03809284.0(2009年1月14日获国知局授权)中，描述了一种新型的导线，采用碳纤维复合芯代替传统的钢芯，这种复合芯包括碳纤维/环氧树脂复合材料的内芯和玻璃纤维/环氧树脂复合材料的外芯，复合芯的内芯和外芯的纤维沿电缆长度方向单向分布，采用拉挤工艺制造。由于碳纤维复合材料具有较大的比强度和比刚度，因此这种碳纤维复合芯导线可以承载更多的铝导体，大幅度提高了导电效率；同时，提高了导线的使用温度，并大幅度减少了导线的弧垂。

碳纤维复合芯导线是钢芯铝导线的更新换代产品，我国电缆行业需要在突破国外专利壁垒的前提下大力发展，以满足我国电网发展的迫切需求。

按照专利03809284.0中的技术方案，由于复合芯外芯的纤维都是沿电缆长度方向分布，造成横向的力学性能比较弱，在缠绕外层铝导体的时候，很容易造成外芯的破坏，而且这种破坏由于外层铝导体的遮盖而很难发现。在电缆的使用过程中，在湿度、腐蚀和温度环境会直接作用到碳纤维复合材料内芯上，从而降低复合芯的承载性能并缩短复合芯的使用寿命。

按照专利03809284.0中的技术方案，在外芯部分采用玻璃纤维，也是处于成本的考虑，因为按照当时的国际行情，碳纤维的产量远远不能满足使用的需求，碳纤维价格正处于迅速攀升的阶段。

按照专利03809284.0中的技术方案，由于模具和树脂固化的原因，模具和工料之间需要克服很大的摩擦力进行相对运动，拉挤生产的速度比较慢，相应的生产效率也比较低，相应的工时成本也比较高。

按照专利03809284.0中的技术方案，对于复合芯直径比较大的情况，如果要在生产过程中保证工料的充分加热和固化，也需要维持一个比较慢的拉挤速度。而且，由于自外向内的不均匀加热过程，在工料内部会形成残余应力，降低了复合芯产品的性能。

因此，希望设计一种导线，在保留复合材料加强优势的基础上，又可以具有一些崭新的优点，包括：避免保护体破坏带来的湿度、腐蚀和温度等环境的不良影响，降低生产过程中的残余热应力，以及提高生产速度进而提高生产效率并降低成本。

发明内容

基于上述背景，本发明的目的在于提供一种新型的复合材料加强导线及其制造方法，这种导线具有输电效率高、低弧垂、耐环境侵蚀、寿命长、成本低等诸多优点。

本发明的技术方案包括一种复合材料加强筋，所述复合材料加强筋包括保护体和承载体。所述承载体，其包括由复合材料制造的长杆状构件，所述复合材料为连续纤维增强的树脂基复合材料，并且所述复合材料的比强度和比刚度分别大于钢的比强度和比刚度，所述连续纤维的方向包括沿加强筋纵向直线分布或扭曲分布；所述保护体，其包括由复合材料制造的长杆状构件，所述复合材料为纤维毡或纤维布增强的树脂基复合材料，所述纤维毡或纤维布的纤维与所述承载体的纤维是不同类型的，所述纤维毡的纤维是不定向分布的，所述纤维布的纤维包括垂直和平行于加强筋长度方向的纤维。

本发明所述的加强筋，其中，所述保护体的纤维毡或者纤维布包括玻璃纤维、玄武岩纤维或者芳纶纤维；所述承载体的纤维包括碳纤维。所述承载体为圆柱形，所述保护体为圆环形，并且所述承载体和保护体形成同心圆形。所述加强筋包括至少一根沿加强筋纵向定向的金属线体。

按照本发明所述的加强筋，由于保护层增加了横向纤维，使得保护层增加了良好的横向力学性能，可以避免生产或使用过程中对保护层的破坏，从而保证了整个加强筋的力学性能和使用寿命。同时，由于近年来碳纤维生产线的大量上马，碳纤维的价格迅速下降，因此可以增加碳纤维的用量而不用担心成本的提高。这样，保护体不再承担纵向拉力，可以在满足力学性能的基础上进一步减小加强筋的直径，增加导电体的用量，进一步提高输电效率，并降低加强筋的弯曲刚度，有利于加强筋生产时卷盘运输。

按照本发明所述的加强筋，对于加强筋直径比较大的情况，实施中要在承载体中预置金属线体，所述金属线体的作用在于在拉挤成型过程中，可以通过感应加热的方式对工料内部进行加热。

本发明的技术方案包括一种导线，其包括本发明所述的加强筋和沿加强筋纵向分布的长杆状导电体。其中，所述导电体的材料包括铝，所述导电体的截面形状包括圆形或梯形。

按照本发明所述的导线，由于采用了本发明所述的加强筋，使得导线具有更长的使用寿命。

制造本发明所述加强筋的方法，其特征是：采用拉挤工艺制造加强筋，所述拉挤工艺的模具包括可以分开/闭合的瓣模，即瓣模分开时加强筋工料运动，瓣模闭合形成一个完整的模具时，加强筋工料在模具中固化。

按照本发明所述的方法，由于工料和模具之间没有摩擦运动，可以大幅度提高拉挤速度，提高了生产效率，大幅度降低了工时成本。

制造本发明所述加强筋的方法，其特征是：采用拉挤工艺制造加强筋，所述拉挤工艺包括至少一次感应加热的步骤，所述感应加热的步骤即通过感应加热设备对加强筋工料中的金属线体进行加热。

采用感应加热的方式，可以直接通过预置在加强筋内部的金属线体对工料内部进行加热，缩短了整体的固化加热时间，并且可以消除由于加热不均匀带来的残余应力。

本发明的技术方案包括一种输电方法，其步骤包括：使用本发明所述的导线；通过包括所述导线的设施输电。

按照本发明所述的输电方法，可以提高输电效率，降低导线弧垂，降低杆塔等基础设施成本，导线可以在一个更长的寿命期内保持良好的性能。

本发明所述的加强筋，还可以作为缆绳或者其他承力构件使用，也可以用于建筑领域代替钢筋。

本发明所述的加强筋，具有高的比强度和比刚度，同时保护体可以有效抵抗环境侵蚀，使得承载体在一个长寿命期内保持良好的性能。因此，可以在许多领域应用所述加强筋。

附图说明

图1是本发明所述复合材料加强导线一个实施例的示意图。

图2是本发明所述加强筋的制造工艺示意图。

图3是预成型导向板示意图。

图4是预成型孔板示意图。

图5是本发明所述加强筋的一个实例示意图。

图6是所述加强筋实例制造工艺的模具横截面示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明符合本发明特征的一种实例的具体实施方式。

如图1所示，本实例包括：直径为1毫米左右的金属线体101(材料为Q235)，外径为6毫米左右的承载体102(材料为T700-12K/XB9721复合材料)，外径为7毫米左右的保护体(材料为CMS450L/XB9721复合材料)，外径为20毫米左右的导电体104(由9个截面为梯形的1350铝条组成)，外径为30毫米左右的导电体105(由13个截面为梯形的1350铝条组成)。

在制造本发明所述导线之前，首先要制造本发明所述的复合材料加强筋。如图5所示，所述加强筋包括金属丝501、承载体502和保护体503。制造所述加强筋所用原料包括：碳纤维(T700-12K)、玻璃纤维毡(CMS450L)、环氧树脂(XB9721)和钢丝(Q235)。

所述加强筋的制造过程如图2所示，制造工艺与目前复合材料行业普遍采用的拉挤制造工艺类似，但是在模具210和感应加热装置209两个方面具有本发明的独有特征，另外在流程最后增加卷线盘213用于收卷加强筋产品以便库存和运输。对于本领域技术人员共知的复合材料拉挤工艺，在此不做详细说明。

如图2，在放线架201上安放32卷碳纤维纱线(T700-12K)，安放2卷玻璃纤维毡(CMS450L)，在钢丝架205上安放1卷直径1mm的钢丝(Q235)。

由于碳纤维价格的下降，在制造本发明所述加强筋时，可以增加高性能碳纤维的用量，以提高承载效率。保护体采用长纤维玻璃纤维毡或者连续纤维的经纬布，可以起到更好的保护效果，以防止制造和使用过程中的外界因素对保护层的破坏，提高导线的使用寿命。在不脱离本发明特征的基础上，制造加强筋时也可以采用玄武岩纤维或者芳伦纤维，但是要注意的问题是，玄武岩纤维的比重比较大，而芳伦纤维的吸湿性比较突出。

按照常规的拉挤工艺，碳纤维和玻璃纤维经过导板202和预处理设施203之后，进入树脂槽204与配好的环氧树脂(XB9721)充分浸润，树脂槽的温度应保持在60℃左右。

可以承受200℃使用温度是本技术方案选择树脂的一个重要要求，另外还要考虑拉挤工艺的一些特点，XB9721环氧树脂可以满足本技术方案的要求。由于本发明的技术方案采用了开闭模设计和感应加热，因此拉挤树脂的低粘度要求在本方案中并不突出。按照本发明的技术方案，拉挤速度可以达到每分钟1.5米左右。当然，为了保证树脂的浸润效果，树脂槽要采取恒温加热措施，以保证树脂处于较低粘度。树脂的调配按XB9721的使用说明书要求即可。

碳纤维和玻璃纤维在树脂槽204中与树脂充分浸润后和钢丝架205上的钢丝一起进入预成型导向板206。预成型导向板206如图3所示，2束玻璃纤维毡分别进入导向板206的2处导向孔303；32束碳纤维均匀合成为4束，分别进入导向板206的4处导孔302；钢丝进入导向板206的导孔301。

在加强筋中预置金属丝的作用在于进行后续的感应加热步骤。如果加强筋的直径比较小，例如直径小于5毫米，也可以不预置金属丝并取消后续的感应加热步骤。金属丝的直径不宜过大，通常不超过加强筋横截面积的5％，以免影响加强筋的力学性能。

与树脂充分浸润的纤维和金属丝经过导向板206后依次进入预成型孔板207和预成型孔板208，预成型孔板207和预成型孔板208的示意图如图4，其中，预成型孔板207的面积尺寸比预成型孔板208大33％，预成型孔208的面积尺寸与加强筋最终尺寸相同。预成型导向板206、预成型孔207和预成型孔208的厚度尺寸均为5毫米。

对于加强筋尺寸比较大的情况，例如直径大于8毫米，在预成型导向板206和预成型孔板208之间，可以设置超过1个的如图4所示的预成型孔板，预成型孔板上的孔面积尺寸按25％递减，使得工料的横截面积逐渐缩小到加强筋最终尺寸。

在图2所示的工艺流程图中，工料经过预成型导向板206、预成型孔板207和预成型孔板208之后，多余的树脂流回树脂槽。

如图2，工料经过预成型孔板208之后，进入感应加热装置209，进行感应加热的过程。

感应加热的效果，与感应加热的时间、金属丝的热容和金属丝的加热温度有关。对于传统的封闭模具，工料一直处于运动状态，感应加热的时间取决于感应加热线圈的长度；基于本发明的技术方案，模具是开闭式的，工料处于周期性的运动和静止状态，因此感应线圈的长度与模具的长度保持一致是一种优化的设计方案。在本实例中，感应线圈和模具的长度均为1.5米。进行感应加热时，要注意控制功率和电流，使得钢丝的加热温度不超过180℃。由于本发明方案采用开闭模技术，在工料静止的时间内可以持续感应加热的过程，因此钢丝的直径对加热效果影响不大。如果是传统的闭合模具，工料一直处于运动状态，直径比较小的金属丝由于热容很小，难以产生良好的加热效果。

如图2，感应加热后的工料进入模具210，模具横截面示意图如图6。由于采用开闭模设计，整个流程的生产效率与模具长度有直接的关系。在本实例中，模具长度为1.5米。并且由于模具的内腔604是开放式的，各种规格的模具加工都非常方便。模具采用电加热方式，这是一种共知的模具加热技术，通过在模具内预置电热装置603实现。模具的加热温度不超过200℃。在本实例中，模具分为上瓣模602和下瓣模601，上下两个瓣模通过自动控制装置与牵引机211和感应加热装置209保持协调工作。

如图2，如本领域技术人员共知，在牵引机211的牵引作用下，工料可以运动。在本实例的方案中，牵引机与模具和感应加热装置协调工作，使得工料产生间歇式的运动。

如图2，制造后的加强筋缠绕在卷盘213上。卷盘的内径跟加强筋产品的弯曲刚度有关，在本实例中，卷盘内径为1.5米左右。卷盘的外径决定了总的缠绕长度，这取决于运输和客户的要求，在本实例中，卷盘的外径为2.5米左右。

如图2，自动控制盒212产生控制信号，使得模具、感应加热装置和牵引机协调工作。即模具打开10秒左右，感应加热装置停止工作，同时牵引机工作使得工料前进1.5米并缠绕在卷盘213上；然后模具关闭50秒左右，对工料进行加热固化，同时感应加热工作，对工料内部预置的金属丝进行感应加热，而牵引机停止工作。

按照本发明的技术方案，如图5所示的复合材料加强筋制造完成之后，再进行如图1所示的导线的制造。制造如图1所示的导线，所采取的工艺与目前电缆行业共知的绞合卷盘制造工艺完全类似，即在芯料外绞合导体并缠绕在卷盘上。

在图1所示的实例中，以复合材料加强筋为芯料，所属加强筋包括金属丝101、承载体102和保护体103，然后采用绞合卷盘工艺，将2层铝导体材料104和105缠绕在加强筋外面。

使用包括本发明所述导线在内的设施，可以进行架空输电。

以上具体实施方式只是符合本发明特征的一个实例。在不违背本发明技术特征的前提下，本领域技术人员还可以在本说明书指导下制定其他的实施方式。本发明所述的复合材料加强筋，可以作为缆绳或者其他承力构件使用，也可以用于建筑领域代替钢筋。这些都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种导线的复合材料加强筋，包括：

承载体，其包括由复合材料制造的长杆状构件，所述复合材料为连续纤维增强的树脂基复合材料，并且所述复合材料的比强度和比刚度分别大于钢的比强度和比刚度，所述连续纤维的方向包括沿加强筋纵向直线分布或扭曲分布；保护体，其包括由复合材料制造的长杆状构件，所述复合材料为纤维毡或纤维布增强的树脂基复合材料，所述纤维毡或纤维布的纤维与所述承载体的纤维是不同类型的，所述纤维毡的纤维是不定向分布的，所述纤维布的纤维包括垂直和平行于加强筋长度方向的纤维。

2.根据权利要求1所述的加强筋，其中，所述保护体的纤维毡或者纤维布包括玻璃纤维、玄武岩纤维或者芳纶纤维；所述承载体的纤维包括碳纤维。

3.根据权利要求1或2所述的加强筋，其中，所述承载体为圆柱形，所述保护体为圆环形，并且所述承载体和保护体形成同心圆形。

4.根据权利要求1或2所述的加强筋，其中，包括至少一根沿加强筋纵向定向的金属线体。

5.根据权利要求1或2所述的加强筋，可以作为缆绳或者其他承力构件使用，也可以用于建筑领域代替钢筋。

6.一种导线，包括权利要求1或2所述的加强筋和沿加强筋纵向分布的长杆状导电体。

7.根据权利要求6所述的导线，其中，所述导电体的材料包括铝，所述导电体的截面形状包括圆形或梯形。

8.制造权利要求1或2所述加强筋的方法，其特征是：采用拉挤工艺制造加强筋，所述拉挤工艺的模具包括可以分开/闭合的瓣模，即瓣模分开时加强筋工料运动；瓣模闭合形成一个封闭的内腔时，加强筋工料在模具中固化。

9.制造权利要求4所述加强筋的方法，其特征是：采用拉挤工艺制造加强筋，所述拉挤工艺包括至少一次感应加热的步骤，所述感应加热的步骤即通过感应加热设备对加强筋工料中的金属线体进行加热。

10.一种输电方法，包括以下步骤：

使用权利要求6所述的导线；

通过包括所述导线的设施输电。

Images