专利名称：一种用于增强电缆的复合材料芯及增强电缆的制作方法
技术领域：
本实用新型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，本实用新型还涉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”的实用新型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，本实用新 型强度高、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”的实用新型专利中，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10mm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，目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”的实用新型专利申请文件中，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。
实用新型内容为了解决上述现有技术中的问题，本实用新型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，本实用新型还提供使用复合材料芯的增强电缆。本实用新型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，所述纤维束的螺距H在 0. lmm-500mm 之间。本实用新型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；所述纤维编织管的数量至少为1个，所述纤维编织管的数量为1个以上时、多个纤 维编织管相套接。本实用新型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。采用本实用新型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。采用本实用新型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为本实用新型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为本实用新型复合材料芯的截面剖示图；图3为本实用新型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；[0025]图5为本实用新型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6为本实用新型纤维编织管的结构图，重点示出纤维束的螺距结构；图7为本实用新型使用复合材料芯的增强电缆的截面剖示图；图8为本实用新型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。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步的详述如图1至图6所示，为本实用新型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，所述纤维束的螺距H在0. lmm-500mm之间。这里所述的纤维束的螺距H，是指纤维束在围绕内芯1的表面以螺旋线的方式缠 绕时，缠绕一周后，前后相距的距离。具体结构如图6中所示，线条较粗的那根纤维束，在围 绕内芯1螺旋缠绕一周后，之间间隔的距离H。该间隔距离H的起点和终点为沿着内芯1的 轴线方向画出的一条直线。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5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. lmm-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。所述纤维编织管的数量至少为1个，可以是2个，3个或是多个。所述纤维编织管 的数量为1个以上时，比如2个、3个时、多个纤维编织管相套接。在实际生产制备工艺中， 由多台编织机来分别进行编织，形成多个纤维编织管并且多个纤维编织管相套接，在截面 上看为多层结构的多个纤维编织管。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。本实用新型还提供使用所述复合材料芯的增强电缆，如图7、图8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。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%。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，纤维束螺距约80mm。输电线运行温度达到100°C。实施例二 内层1截面积约29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24束玻璃纤维编 织，每束玻璃纤维为120支二股；选用一台24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 月旨甲基四氢苯酐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%。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，纤维束螺距约2mm。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编织，第一台编织机 为24锭，第二台编织机为16锭，24锭的编织机用24束E玻璃纤维编织，每束玻璃纤维为 400Tex ；16锭的编织机用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%。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，第一台编织的螺距为约450mm，第二台编织的螺距为约120mm，。 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1选 用12K的碳纤维54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24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1750MPa，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，纤维束螺距约5mm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。其次，编织套管是有弹性的，并且经过拉挤，纤维束的螺距也不 是衡定值。由于实际制备工艺特点造成的原因，涉及组分含量、面积、厚度、螺距等数值时， 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，如图7、图8所示。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。
权利要求一种用于增强电缆的复合材料芯，包括内芯(1)、外层(2)，其特征在于所述外层(2)包括纤维编织管，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，所述纤维束的螺距H在0.1mm-500mm之间。
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)的横截面为1层、或 2层、或多层结构。
4.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。
5.根据权利要求1所述的一种增强电缆复合材料芯，其特征在于所述纤维编织管的 截面厚度在0. 1mm-1. 5mm之间。
6.根据权利要求1所述的一种增强电缆复合材料芯，其特征在于所述纤维编织管的 数量至少为1个，所述纤维编织管的数量为1个以上时、多个纤维编织管相套接。
7.一种应用上述权利要求1至6任一所述复合材料芯的增强电缆，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)。
专利摘要本实用新型涉及一种用于增强电缆的复合材料芯及增强电缆，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H01B5/10GK201590283SQ20092017790
公开日2010年9月22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