CN113871059A - 一种碳纤维复合铝合金架空线缆及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维复合铝合金架空线缆及其制备工艺，线缆采用铝合金外包层和芯材的壳芯结构，芯材由若干根表面包覆有改性包覆层的碳纤维复合芯材构成，每根碳纤维复合芯材以若干碳纤维束为主体，包覆层包在碳纤维束外面；碳纤维束占碳纤维复合芯材截面积的10~80%，碳纤维复合芯材的孔隙率为3~15%；整个线缆的抗拉强度超过300MPa，抗拉模量超过200GPa。本发明通过设计一种新的碳纤维增强铝线缆壳芯结构，以高强和高模量碳纤维为芯，铝合金为外壳，碳纤维外表设计包覆层。与钢缆增强架空线缆比较实现了线缆的轻量化，且线缆损耗更低，并且显著提高了线缆的弹性模量、抗拉强度、柔韧性，从而大幅度提高导体线缆的耐用性和实用性。
Description
技术领域
本发明涉及输电线缆制造技术领域，具体涉及一种碳纤维复合铝合金架空线缆及其制备工艺。
背景技术
架空输电线缆作为电力输送载体，在输电线路中占有极为重要的地位。金属铝作为轻质金属材料，具有良好的导电性，是架空绞线的主流。金属铝在合金化过程中强度会显著提高，但同时也会造成导电率明显降低。为了保证线缆的导电性能，目前所用的架空线缆导体一般为纯度较高的铝材。受限于纯铝本身强度，现阶段所采用的线缆一般以高强度钢丝作为承力芯，承力芯部的重量甚至已超过线缆导体本身的重量。作为高强钢丝的替代品，碳纤维复合线缆（ACCC）成为新的发展方向，特别是碳纤维没有钢丝的磁损耗，在远距离输电上具有更大的优势。ACCC的生产工艺较为复杂，原料成本较高，特别是所用树脂与碳纤维的价格相近。首先碳纤维束需要采用耐热高强环氧树脂粘接形成单向丝复材，在其表面包覆玻纤隔绝层，去除电化学腐蚀的风险。由此导致ACCC目前存在成本较高、所用的连接器价格也较高、施工难度较大等缺陷，因此还无法成为主流。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷，提供一种重量轻、模量高、强度高、耐腐蚀、低电损耗且容易施工的碳纤维复合铝合金架空线缆及其制备工艺。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种碳纤维复合铝合金架空线缆，包括有铝合金外包层和芯材，铝合金外包层包覆在芯材外部形成壳芯结构，其特征在于：所述芯材由若干股表面包覆有改性包覆层的碳纤维复合芯材构成，每根碳纤维复合芯材以若干股碳纤维束为主体，包覆层包在碳纤维外面；碳纤维束占碳纤维复合芯材截面积的10~80%，碳纤维复合芯材的孔隙率为3~15%；整个线缆的抗拉强度超过300MPa，抗拉模量超过200GPa。
优选地，所述铝合金外包层的铝成分不低于98%，其它组分可以有效降低铝合金在高湿和腐蚀性空气环境下的腐蚀，并添加有锰和镁形成铝合金，更佳优选的，其中锰的含量为0.4~2%，其余为镁；铝合金外包层的外径为3~15mm，厚度为0.3~5mm。
优选地，用于制作铝合金外包层的原料形态为厚度超过0.2mm~4.5mm的带材，其宽度大于所要生产的线缆周长的1.3~2倍，以确保铝合金带材能完整包覆碳纤维复合芯材。
优选地，所述包覆层采用金属、陶瓷、玻璃或耐热高分子材料等制成，其厚度为10~500nm；包覆层在后续工艺中成为碳纤维的粘接材料，但是只是局部粘接，碳纤维束内仍有间隙，碳纤维复合芯材内的孔隙率为5~10%，以增加线缆的柔韧性，使整个线缆的拉伸强度超过1500MPa，抗拉模量超过250GPa。
优选地，所述包覆层采用轻量和高导电的镁、铝或铜等金属制成，厚度为30~150nm。
碳纤维可以是任何一种，在同一批次内满足拉伸强度和模量偏差少于3%，如日本东丽的M35JB、M40JB、T300、T700、T800，抗拉强度大于3000MPa，抗拉模量大于220GPa，优选的抗拉强度大于4000MPa，抗拉模量大于300GPa。碳纤维为束状，可以是3K、6K、9K、12K、24K等，也可以多束并股使用，实现所需的线束。
一种基于前述碳纤维复合铝合金架空线缆的制备工艺，其特征在于：采用连续产线，线速度为0.1~5m/s，分别放卷铝带和碳纤维，按以下步骤进行，
S1、将用于形成铝合金外包层的铝带经冷压机压成U形结构，用宽度略小于U形结构开口的圆盘朝底部挤压，实现致密填充；
S2、将包覆处理过而带包覆层的碳纤维束导入U形铝带中；
S3、通过挤压方式，将U形铝带变形为圆管状或六边形管状，形成闭环，并将碳纤维束完全包覆，铝带则形成外包层；
S4、采用多段冷轧工艺将铝合金外包层挤压和微拉伸，排除碳纤维与碳纤维之间及纤维与铝合金外包层之间的间隙，使碳纤维完全取向与长度方向平行，得到完全密实的包覆线缆；每段冷轧的截面积的减少不超过5%，防止一次变形过大造成破损；
S5、将线缆通过中频加热去除部分应力、局部过应力，并固化、烧结碳纤维表面的金属和玻璃，或固化、熔融高分子树脂，根据硬度测量残留应力，其硬度与挤压前相比增加不超过60%；
S6、将铝合金外包层表面的缝隙通过焊接封死，形成完全封闭碳纤维复合芯材的铝合金外包层结构；可以采用激光焊、超声焊、电焊等，只要满足将缝隙完全封闭即可，焊接氛围为氩气，碳纤维在氩气氛围下可以承受比金属熔点更高的高温；
S7、带温继续轧制，使碳纤维表面的包覆层变形，形成致密的包覆线缆，并控制截面尺寸和残留应力，收卷；
S8、将整卷线缆放置在烘箱内，升温至230~320℃之间，保温时间为4~10小时，完成碳纤维表面包覆层的固化或烧结，以及调整残留应力；采用测量硬度的方法监控应力残留，与挤压前的铝合金硬度比较，硬度增加范围为30~60%，更优选为40~50%。
铝合金外包层的残留应力直接影响线缆的强度，同时也增加疲劳极限，连续监控线缆加工过程的应力变化极为重要，残留应力的变化可以通过测量硬度的变化获得。较为普遍的方法为针入法和压痕法，并且已经形成不同的测试标准，但是不适合连续产线的无损测试要求，因此本发明采用超声波可以连续测量监控产线上不同生产阶段线缆的硬度变化。
优选地，步骤S5的加热温度在包覆层的熔融点、软化点、固化和烧结温度附近，但是低于铝合金外包层的熔点；在包覆层采用金属镁或铝制作时，则加热温度高于450℃。
优选地，在步骤S2中，采用金属高温蒸气沉积包覆，在真空环境下，碳纤维通过金属蒸气氛围，在碳纤维表面形成一层致密的纳米膜，膜的厚度在10~500nm，更优选为30~150nm；金属采用镁，金属浴的温度为800~1100℃之间，以低于镁的沸点。
优选地，采用卷对卷连续工艺，将所有的放卷、收卷、金属蒸气发生器和镀膜区都放在同一个真空腔体内，真空压力低于10-2Pa，卷对卷的线速度为0.2~5m/s，通过调整线速度和金属浴的温度控制金属膜的厚度。
优选地，采用卷对卷连续工艺和水溶性聚酰亚胺溶液，将碳纤维通过溶液，在超声波的辅助下，溶液均匀涂敷在碳纤维表面，然后经过热烘箱干燥溶剂烘干；通过调整聚酰亚胺溶液的浓度控制碳纤维表面的高分子材料厚度，溶液的浓度为1~15%，更优选为3~5%，在碳纤维表面形成10~500nm聚酰亚胺膜，更优选为30~150nm；烘箱温度为100~150℃，卷对卷的线速度在0.1~5m/s。采用水溶性聚酰亚胺环保，而且操作安全系数高，聚酰亚胺可采用美国的Cymer Iso Coat 401。
本发明通过设计一种新的碳纤维增强铝线缆壳芯结构，以高强和高模量碳纤维为芯，铝合金为外壳，碳纤维外表设计包覆层。与钢缆增强架空线缆比较实现了线缆的轻量化，且线缆损耗更低，并且显著提高了线缆的弹性模量、抗拉强度、柔韧性，从而大幅度提高导体线缆的耐用性和实用性。
附图说明
图1为本发明横截面示意图；
图2为图1的局部放大图；
图3为本发明制备工艺流程图。
1为铝合金外包层，2为碳纤维复合芯材，21为碳纤维束，22为包覆层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明：
实施例1
线缆设计：以有效铝合金截面积为500mm2的碳纤维复合铝绞线为应用方向，以低成本的T300为芯材的原料。其中，碳纤维复合芯材2的截面积占导体截面积的6~7%，约为35mm2，采用芯材的直径为9mm，碳纤维的含量为56%，需要3K的碳纤维420束，铝合金外包层1的厚度为0.70mm。铝合金的组分为锰1.2%，镁0.4%，铁等杂质少于0.4%，其余为铝；碳纤维束21表面采用镁气相包覆形成包覆层22。
从放卷、沉积和收卷，所有的设备都置入在真空箱内。将10卷3K的T300碳纤维同时放卷形成30K的纤维束或者放卷30K的T300，经机械振动展开成为100~200mm宽的纤维带，进入金属镁沉积室，金属镁浴的温度为800~1100℃之间，碳纤维的线速度为0.2~5m/s，可以通过调整线速度和金属浴的温度控制金属膜的厚度，然后收集在一个卷轴。设备内的真空压力低于10-2Pa。在碳纤维表面形成的纳米厚金属膜的厚度在10~500nm，比如30nm、100nm、150nm均可。
复合线缆的制备：采用连续工艺生产线缆，首先从分别放卷铝带和碳纤维开始，铝带的厚度维0.5mm，宽度为36.5mm，为线缆9mm外径周长的1.3倍；同时放42束30K的碳纤维，线速度为1m/s，相关步骤中的硬度测量均采用超声波法，为了增加铝合金内应力，工艺包括如下步骤：
步骤S1：将用于包覆的铝带经冷压机压成U形，U形底部的外径为11.5mm，总高度约15mm；
步骤S2：将包覆处理过的碳纤维束导入U形铝带，用宽度略小于U形开口的圆盘朝底部挤压，实现致密填充；
步骤S3：通过挤压方式，将U形铝带变形为圆管，形成闭环，并将碳纤维完全包覆形成铝合金外包层（外壳）；
步骤S4：采用15段冷轧工艺将铝管挤压和微拉伸，排除任何碳纤维与碳纤维之间的孔隙、碳纤维与铝合金外包层之间的间隙，使碳纤维完全取向与长度方向平行，得到完全密实的包覆线缆和壳芯结构，每段冷轧的截面积减少为4.5%，不超过5%，防止一次变形过大产生破损；
步骤S5：将线缆通过中频加热至450~550℃之间，去除部分应力，碳纤维表面的镁烧结一体化，根据硬度测量残留应力，与挤压前的硬度比较，硬度增加不超过60%；
步骤S6：在氩气氛围下将铝带表面的缝隙通过电焊方式封死，完全封闭铝管和壳芯结构；
步骤S7：带温继续轧制，将纤维表面的包覆层变形，形成最致密的包覆线缆，并控制截面尺寸和残留应力，收卷；
步骤S8：将整卷线缆放置在烘箱内，升温至280~320℃之间，保温时间为4~10小时，调整残留应力，同样采用测量硬度，监控应力残留，与铝合金挤压前的硬度比较，硬度的增加范围为30~60%，更优为40~50%。得到直径为9mm的铝合金包覆碳纤维复合线缆。
对制得复合线缆进行力学性能测试，抗拉强度在1630MPa，拉伸模量为210GPa，芯材内的孔隙率为5~7%。
实施例2
线缆设计：以有效铝合金截面积为900mm2的碳纤维复合铝绞线为应用方向，以低成本的T300为芯材的原料。其中，碳纤维复材芯的截面积占导体截面积的6~7%，约为54mm2，采用芯材的直径为11mm，碳纤维的含量为57%，需要3K的T300碳纤维640束或30K的64束，铝合金外包层的厚度为0.80mm。铝合金的组分为锰1.2%，镁0.4%，铁等杂质少于0.4%，其余为铝。
碳纤维表面采用聚酰亚胺包覆：聚酰亚胺水溶液的纤维浸渍工艺可以与后续的线缆复合工艺联动。连续产线包括放卷、浸渍、烘箱干燥和收卷、或不经过收卷直接与后续工序联动。将64束30K的T300碳纤维同时放卷形成1920K的纤维束，进入聚酰亚胺溶液槽，槽底部有超声波发生器，功率为200~500W，碳纤维浸渍后进入烘箱，烘箱的温度为110~150℃，干燥后将碳纤维束收集在一个卷轴。碳纤维的线速度在0.2~5m/s，调整聚酰亚胺的浓度控制膜的厚度。优选的采用水溶性聚酰亚胺，比如，聚酰亚胺采用美国的Cymer Iso Coat 401，优选浓度为3~5%，优选溶剂为去离子水，在碳纤维表面形成的膜厚度在10~500nm之间，如30nm、100nm、150nm。
复合线缆的制备：采用连续工艺生产线缆，首先从分别放卷铝带和碳纤维开始，铝带的厚度维0.6mm，宽度为46.5mm，为11mm外径周长的1.35倍；同时放64束30K的碳纤维，线速度为0.7m/s，相关步骤中的硬度测量均采用超声波法，为了增加铝合金内应力，工艺包括如下步骤：
步骤S1：将用于包覆的铝带经冷压机压成U形，U形底部的外径为14.5mm，总高度约20mm；
步骤S2：将包覆处理过的碳纤维束导入U形铝带，用宽度略小于U形开口的圆盘朝底部挤压，实现致密填充；
步骤S3：通过挤压方式，将U形铝带变形为圆管，形成闭环，并将碳纤维完全包覆形成铝合金外壳；
步骤S4：采用20段冷轧工艺将铝管挤压和微拉伸，排除任何纤维和纤维之间的孔隙、纤维与铝管之间的间隙、纤维完全取向与长度方向平行，得到完全密实的包覆线缆和壳芯结构，每段冷轧的截面积减少为4.1%，不超过5%，防止一次变形过大产生破损；
步骤S5：将线缆通过中频加热至300~350℃之间，去除部分应力，熔融碳纤维表面聚酰亚胺进行初步固化，根据硬度测量残留应力，与挤压前的硬度比较，硬度增加不超过60%；
步骤S6：在氩气氛围下将铝带表面的缝隙通过电焊方式封死，完全封闭铝管和壳芯结构；
步骤S7：带温继续轧制，将纤维表面的包覆层变形，形成最致密的包覆线缆，并控制截面尺寸和残留应力，收卷；
步骤S8：将整卷线缆放置在烘箱内，升温至250~300℃之间，保温时间为4~10小时，调整残留应力，同样采用测量硬度，监控应力残留，与铝合金挤压前的硬度比较，硬度的增加范围为30~60%，更优为40~50%。得到直径为11mm的铝合金包覆碳纤维复合线缆。
对制得复合线缆进行力学性能测试，抗拉强度在1550MPa，拉伸模量为208GPa，芯材内的孔隙率为5~7%。
表1将线径从3到15mm变化时，在不同碳纤维截面积占总面积的百分比（S）、所需3K碳纤维线束的数量（x）与外壳厚度的变化（t）的关系。碳纤维的理论最大占有百分比为Π/4，约78.5%，由于需要的外壳，实际可实现碳纤维占总截面的70%以下，外壳的厚度为0.3~5mm时，从表中得主，较细的线径可以采用较少的碳纤维含量，较高的碳纤维含量需要较大的线径。从架空绞线的实际应用考虑，导体截面积超过500mm2以上的为主，有些超大容量的线缆达到1500mm2。加强芯的直径超过8mm，碳纤维的百分比超过60%为佳。
表1a：不同线径与碳纤维百分比（S）、所需3K线束（x）和外壳厚度（t）的范围。
表1b）：不同线径与碳纤维百分比（S）、所需3K线束（x）和外壳厚度（t）的范围。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (11)
1.一种碳纤维复合铝合金架空线缆，包括有铝合金外包层和芯材，铝合金外包层包覆在芯材外部形成壳芯结构，其特征在于：所述芯材由若干根表面包覆有改性包覆层的碳纤维复合芯材构成，每根碳纤维复合芯材以若干股碳纤维束为主体，包覆层包在碳纤维外面；碳纤维束占碳纤维复合芯材截面积的10~80%，碳纤维复合芯材的孔隙率为3~15%；整个线缆的抗拉强度超过300MPa，抗拉模量超过200GPa。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合铝合金架空线缆，其特征在于：所述铝合金外包层的铝成分不低于98%，并添加有锰和镁形成铝合金，更佳优选的，其中锰的含量为0.4~2%，其余为镁；铝合金外包层的外径为3~15mm，厚度为0.3~5mm。
3.根据权利要求2所述的碳纤维复合铝合金架空线缆，其特征在于：用于制作铝合金外包层的原料形态为厚度超过0.2mm~4.5mm的带材，其宽度大于所要生产的线缆周长的1.3~2倍，以确保铝合金带材能完整包覆碳纤维复合芯材。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合铝合金架空线缆，其特征在于：所述包覆层采用金属、陶瓷、玻璃或耐热高分子材料制成，其厚度为10~500nm；包覆层作为碳纤维的粘接材料，用于实现碳纤维的局部粘接，使碳纤维复合芯材内的孔隙率为5~10%，以增加线缆的柔韧性，使整个线缆的抗拉强度超过1500MPa，抗拉模量超过250GPa。
5.根据权利要求4所述的碳纤维复合铝合金架空线缆，其特征在于：所述包覆层采用轻量和高导电的金属镁、铝或铜制成，厚度为30~150nm。
6.根据权利要求1所述的碳纤维复合铝合金架空线缆，其特征在于：所述碳纤维束采用抗拉强度大于3000MPa，抗拉模量大于220GPa的束状碳纤维，且为3K、6K、9K、12K或24K，采用多束并股使用形成线束。
7.一种基于权利要求1所述的碳纤维复合铝合金架空线缆的制备工艺，其特征在于：采用连续产线，线速度为0.1~5m/s，分别放卷铝带和碳纤维，按以下步骤进行，
S1、将用于形成铝合金外包层的铝带经冷压机压成U形结构，用宽度略小于U形结构开口的圆盘朝底部挤压，实现致密填充；
S2、将包覆处理过而带包覆层的碳纤维束导入U形铝带中；
S3、通过挤压方式，将U形铝带变形为圆管状或六边形管状，形成闭环，并将碳纤维束完全包覆，铝带则形成外包层；
S4、采用多段冷轧工艺将铝合金外包层挤压和微拉伸，排除碳纤维与碳纤维之间及纤维与铝合金外包层之间的间隙，使碳纤维完全取向与长度方向平行，得到完全密实的包覆线缆；每段冷轧的截面积的减少不超过5%，防止一次变形过大造成破损；
S5、将线缆通过中频加热去除部分应力、局部过应力，并固化、烧结碳纤维表面的金属和玻璃，或固化、熔融高分子树脂，根据硬度测量残留应力，其硬度与挤压前相比增加不超过60%；
S6、将铝合金外包层表面的缝隙通过焊接封死，形成完全封闭碳纤维复合芯材的铝合金外包层结构；
S7、带温继续轧制，使碳纤维表面的包覆层变形，形成致密的包覆线缆，并控制截面尺寸和残留应力，收卷；
S8、将整卷线缆放置在烘箱内，升温至230~320℃之间，保温时间为4~10小时，完成碳纤维表面包覆层的固化或烧结，以及调整残留应力；采用测量硬度的方法监控应力残留，与挤压前的铝合金硬度比较，硬度增加范围为30~60%。
8.根据权利要求7所述的碳纤维复合铝合金架空线缆的制备工艺，其特征在于：步骤S5的加热温度在包覆层的熔融点、软化点、固化和烧结温度附近，但是低于铝合金外包层的熔点；在包覆层采用金属镁或铝制作时，则加热温度高于450℃。
9.根据权利要求7所述的碳纤维复合铝合金架空线缆的制备工艺，其特征在于：在步骤S2中，采用金属高温蒸气沉积包覆，在真空环境下，碳纤维通过金属蒸气氛围，在碳纤维表面形成一层致密的纳米膜，膜的厚度在10~500nm；金属采用镁，金属浴的温度为800~1100℃之间，以低于镁的沸点。
10.根据权利要求7所述的碳纤维复合铝合金架空线缆的制备工艺，其特征在于：采用卷对卷连续工艺，将所有的放卷、收卷、金属蒸气发生器和镀膜区都放在同一个真空腔体内，真空压力低于10-2Pa，卷对卷的线速度为0.2~5m/s，通过调整线速度和金属浴的温度控制金属膜的厚度。
11.根据权利要求7所述的碳纤维复合铝合金架空线缆的制备工艺，其特征在于：采用卷对卷连续工艺和水溶性聚酰亚胺溶液，将碳纤维通过溶液，在超声波的辅助下，溶液均匀涂敷在碳纤维表面，然后经过热烘箱干燥溶剂烘干；
通过调整聚酰亚胺溶液的浓度控制碳纤维表面的高分子材料厚度，溶液的浓度为1~15%，在碳纤维表面形成10~500nm聚酰亚胺膜，烘箱温度为100~150℃，卷对卷的线速度在0.1~5m/s。
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