一种三维编织输电复合材料横担的制作方法

本实用新型涉及三维编织输电复合材料横担，属于输电杆配套结构件技术领域。

背景技术：

在电力设施领域，输电线路用横担是输电杆重要的配套结构件，横担的一端与输电杆主体相连接，另一端挂输电导线。传统的横担通常采用铁横担和木横担，在长期运行中普遍存在质量重、易腐烂、锈蚀或开裂，耐久性、阻燃性及绝缘性能差，强度底、使用寿命较短，施工运输和运行维护困难等问题。

新型复合材料材质的杆塔在输电领域具有优异的综合性能，例如，强度高、耐腐蚀、重量轻、电绝缘性好等特点，因此，利用复合材料制备的输电杆塔在欧美国家得到了广泛的应用。在对强度和电绝缘性要求较高的情况下，复合材料中力学性能和材质均一性特点突出的三维编织复合材料结构得到尝试性应用，利用三维编织纤维织物结构制备树脂基复合材料对于此类高性能杆塔的应用尤为重要，可有效节约电力，提高土地利用率，具有广泛的社会意义和经济价值。

在工程设计上要求复合材料横担满足较高的电绝缘、耐电痕、耐电弧、耐气候、阻燃等一系列综合物理机械性能要求。其中电痕破坏是限制现代电力系统绝缘工作场强的基本因素，由于表面放电将会导致整个绝缘材料表面破坏，因此耐电痕化是高电压等级线路中考察绝缘材料是否适用的重要指标。除此之外，面对一系列恶劣自然环境，如沿海地区的潮湿、多盐，沙漠环境的高温、沙尘暴、强紫外辐射等。因此，在复合材料杆塔的实际使用过程中，尤其对于110KV电压以上的情况下，复合材料横担部件比杆塔其它部位面临着更大的破坏考验，因此，如何提高复合材料杆塔关键部件的力学性能高、抗紫外老化以及耐气候性能是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本实用新型的目的是提供一种三维编织输电复合材料横担及其制备方法。该三维编织输电复合材料横担提高了复合材料杆塔关键部件的力学性能及电学特性，抗紫外老化及耐气候性能也得到了提高。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种三维编织输电复合材料横担，其为管状结构，由内向外依次为刚性层、耐冲击层和耐老化层；

三维编织复合材料绝缘端子柱嵌在所述刚性层、耐冲击层和耐老化层中。

所述刚性层是由主体纤维或由主体纤维和混杂纤维组成的混合纤维与树脂基体复合成型；

所述耐冲击层是由高强度纤维、热塑性纤维中一种或二者的混合纤维与树脂基体复合成型；

所述耐老化层是由超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维中一种或二者的混合纤维与树脂基体复合成型。

所述三维编织复合材料绝缘端子柱是由增强纤维与树脂基体复合成型；

所述主体纤维为高强高模量碳纤维(优选为T300、T700、T800或MJ40)或玻璃纤维(优选为S玻纤或E玻纤)中的任意一种，所述混杂纤维选自陶瓷纤维(优选为碳化硅纤维、氧化铝纤维或碳化硼纤维)或玄武岩纤维中的任意一种；

所述高强度纤维为高强碳纤维(优选为T300、T700或T800)或玻璃纤维(优选为S玻纤或E玻纤)中的任意一种；热塑性纤维为超高分子量聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维或芳纶纤维中的任意一种；

所述增强纤维为高强度碳纤维(优选为T300、T700或T800)或玻璃纤维(优选为S玻纤或E玻纤)中的任意一种。

优选的，所述刚性层是由主体纤维与混杂纤维按重量比(1-10)：1混合后的混合纤维与树脂基体复合成型；

所述树脂基体为高刚性热固性树脂，优选为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯中的任意一种。所述刚性层中树脂的含量小于或等于50％，优选为40-50％。

优选的，所述耐冲击层是由高强度纤维与热塑性纤维按重量比(1-10)：1混合后的混合纤维与树脂基体复合成型；

所述树脂基体为高韧改性的热固性树脂，优选为聚氨酯改性的环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯中的任意一种。所述耐冲击层中树脂的含量小于或等于50％，优选为35-50％。

优选的，所述耐老化层是由超高分子量聚乙烯纤维与芳纶纤维按重量比(2-4)：1混合后的混合纤维与树脂基体复合成型；

所用的树脂基体为热塑性聚氨酯树脂。所述耐老化层中树脂的含量小于或等于50％，优选为30-50％。

优选的，所述三维编织复合材料绝缘端子柱中，所述树脂基体为高刚性热固性树脂，优选为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯中的任意一种。所述三维编织复合材料绝缘端子柱中树脂的含量小于或等于50％，优选为40-50％。

所述三维编织复合材料绝缘端子柱的数量至少为1对。

所述刚性层、耐冲击层和耐老化层中与三维编织复合材料绝缘端子柱相接触的部位，均采用比所在的主体层结构维度方向更多的三维编织结构；所述刚性层、耐冲击层和耐老化层中与三维编织复合材料绝缘端子柱相接触的部位均占所在主体层结构重量比为40-60％。

本实用新型还提供上述三维编织输电复合材料横担的制备方法，步骤如下：

(1)以增强纤维为原料，采用三维编织制备绝缘端子柱预制体织物，将绝缘端子柱预制体织物与树脂基体浸渍复合，采用真空导入成型，制备得到三维编织复合材料绝缘端子柱；

(2)以主体纤维或由主体纤维和混杂纤维组成的混合纤维为原料经三维编织，得到刚性层预制体织物，将步骤(1)制备的三维编织复合材料绝缘端子柱内嵌入刚性层预制体织物中，采用树脂真空导入，使刚性层与三维编织复合材料绝缘端子柱形成整体；

(3)在刚性层外表面利用高强度纤维、热塑性纤维中一种或二者的混合纤维为原料经三维编织，制备耐冲击层预制体织物，利用高韧改性的热固性树脂为基体采用真空导入工艺制备耐冲击层；

(4)在耐冲击层的外表面利用超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维中一种或二者的混合纤维为原料经三维编织，制备耐老化层预制体织物，利用热塑性树脂为基体采用真空导入工艺制备耐老化层。

步骤(1)中，所用的编织结构为三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的一种或多种组合。

步骤(1)中，真空导入成型的过程中，真空度控制为0.06-0.1MPa，固化温度为80-120℃，固化时间为1-3h。

步骤(2)中，所用的编织结构为三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的一种或多种组合。

步骤(2)中，刚性层与三维编织复合材料绝缘端子柱相接触部位的编织结构采用的空间维度高于刚性层主体的织物编织结构。

步骤(3)中，所用的编织结构为三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的一种或多种组合。

步骤(3)中，树脂基体真空导入的过程中，真空度控制为0.06-0.1MPa，固化温度为90-115℃，固化时间为1.5-3h。

步骤(3)中，耐冲击层与三维编织复合材料绝缘端子柱相接触部位的编织结构采用的空间维度高于耐冲击层主体的织物编织结构。

步骤(4)中，所用的编织结构为三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的一种或多种组合。

步骤(4)中，耐老化层与三维编织复合材料绝缘端子柱相接触部位的编织结构采用的空间维度高于耐老化层主体的织物编织结构。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型的三维编织输电复合材料横担采用由表至里的“表面耐老化层，中间耐冲击层，内部刚性层”的三维立体层状结构，各层结构之间相互配合，是一个有机的整体，通过不同层结构中纤维与树脂基体的配合作用，可有效提高复合材料横担整体的力学性能和耐紫外、耐气候侵蚀性能。本实用新型在试验过程中考察了不同的层结构，包括层数选择和每一层中不同种类纤维的选择，结果发现，采用本发明的层结构制备的复合材料横担，其整体的力学性能、耐紫外和耐气候侵蚀性能最为优异，明显优于其他层结构制备的复合材料横担。

(2)本实用新型的三维编织输电复合材料横担，其刚性层是以高强高模量碳纤维或玻璃纤维为主体纤维原料，优选混杂陶瓷纤维或玄武岩纤维，并对混杂量和编织方式进行了优化考察，使制备的刚性层的强度较高；三维编织复合材料绝缘端子柱在刚性层的制备过程中嵌入，并与刚性层一体成型，保证三维编织复合材料绝缘端子柱能够稳固的固定。

(3)本实用新型的三维编织输电复合材料横担，其耐冲击层优选高强度纤维、热塑性纤维中一种或二者的混合纤维作为原料，与树脂基体复合成型，能够有效的缓冲外界压力对横担造成的损害。

(4)本实用新型的三维编织输电复合材料横担，其耐老化层选择超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维中一种或二者的混合纤维作为编织原料，并对编织方式、用于固化成型的树脂种类、成型工艺条件等进行了优化，赋予了三维编织输电复合材料横担具有抗紫外老化以及耐气候性能。

附图说明

图1：本实用新型的三维编织输电复合材料横担的结构示意图(纵向剖视图)；

图中，1-三维编织复合材料绝缘端子柱，2-刚性层，3-耐冲击层，4-耐老化层，5-三维编织结构区域，6-陶瓷绝缘端子。

具体实施方式

结合实施例对本实用新型作进一步的说明，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本实用新型，并不对其内容进行限定。

实施例1：

一种用于复合材料杆塔的三维编织输电复合材料横担的制备，具体制备工艺如下：

(1)喉箍式三维织物复合材料绝缘端子柱制备：采用高强度T300碳纤维为增强纤维原料，采用三维四向编织结构，选用环氧树脂作为树脂基体，采用真空导入工艺成型，成型过程中真空度控制在0.1MPa，固化温度为80℃，固化时间2小时，最终树脂含量为40％。

(2)三维编织输电复合材料横担刚性层制备：选用T300碳纤维为主体纤维，碳化硅纤维混杂纤维，其中主体纤维与混杂纤维的用量比(重量比)为3：1，刚性层主体混杂纤维采用三维四向编织结构，刚性层绝缘端子柱部位采用三维五向编织结构，将三维编织复合材料绝缘端子柱嵌入到刚性层中，采用环氧树脂为树脂基体，采用真空导入成型工艺完成树脂与纤维三维织物的浸渍复合，复合成型过程中真空度控制在0.06MPa，固化温度90℃，固化时间2小时，最终树脂基体的含量为45％。

(3)三维编织输电复合材料横担耐冲击层的制备：在刚性层的外表面制备耐冲击层，采用T300碳纤维为增强纤维原料，采用高分子量聚乙烯纤维作为热塑性纤维原料，其中高强度增强纤维与热塑性纤维的混杂比例为2：1；高强度纤维与热塑性纤维混杂耐冲击层织物预制体主体采用三维五向编织结构，耐冲击层混杂纤维预制体绝缘端子柱部位采用三维六向编织结构；选用聚氨酯改性的环氧树脂为树脂基体，采用真空导入工艺成型，成型过程中真空度控制在0.08MPa，固化温度为93℃，固化时间为2小时，最终树脂含量为40％。

(4)三维编织输电复合材料横担耐老化层的制备：在耐冲击层的外表面制备耐老化层，采用高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维作为高韧性纤维原料，二者的混杂比例为4：1，耐老化层织物预制体主体采用三维六向编织结构，耐老化层纤维预制体绝缘端子柱部位采用三维七向编织结构，选用热塑性聚氨酯为基体树脂，采用真空导入工艺成型，成型过程中真空度为0.07MPa，最终树脂含量42％。

本实施例制备的三维编织输电复合材料横担为管状结构，其纵向剖视图如图1所示，由图1可以看出，三维编织输电复合材料横担由内向外依次为刚性层2、耐冲击层3和耐老化层4；三维编织复合材料绝缘端子柱嵌1在所述刚性层2、耐冲击层3和耐老化层4中。刚性层2、耐冲击层3和耐老化层4中与三维编织复合材料绝缘端子柱1相接触的部位，均采用比所在的主体层结构维度方向更多的三维编织结构区域5。三维编织复合材料绝缘端子柱1可安装陶瓷绝缘端子6。

实施例2：

一种用于复合材料杆塔的三维编织输电复合材料横担的制备，具体制备工艺如下：

(1)喉箍式三维织物复合材料绝缘端子柱制备：采用高强度T700碳纤维为增强纤维原料，采用三维五向编织结构，选用酚醛树脂作为树脂基体，采用真空导入工艺成型，成型过程中真空度控制在0.1MPa，固化温度为110℃，固化时间3小时，最终树脂含量为48％。

(2)三维编织输电复合材料横担刚性层制备：选用S玻纤为刚性层增强纤维原料，刚性层主体增强纤维采用三维四向编织结构，刚性层绝缘端子柱部位采用三维五向编织结构，将三维编织复合材料绝缘端子柱嵌入到刚性层中，采用不饱和聚酯为树脂基体，采用真空导入成型工艺完成树脂与纤维三维织物的浸渍复合，复合成型过程中真空度控制在0.1MPa，固化温度为100℃，固化时间2小时，最终树脂基体的含量为40％。

(3)三维编织输电复合材料横担耐冲击层的制备：在刚性层的外表面制备耐冲击层，采用T800碳纤维为增强纤维原料，采用聚酰胺纤维作为热塑性纤维原料，其中高强度增强纤维与热塑性纤维的混杂比例为5：1；高强度纤维与热塑性纤维混杂耐冲击层织物预制体主体采用三维五向编织结构，耐冲击层混杂纤维预制体绝缘端子柱部位采用三维六向编织结构；选用聚氨酯改性的环氧树脂为树脂基体，采用真空导入工艺成型，成型过程中真空度控制在0.09MPa，固化温度为108℃，固化时间1.5小时，最终树脂含量为40％。

(4)三维编织输电复合材料横担耐老化层的制备：在耐冲击层的外表面制备耐老化层，采用高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维作为高韧性纤维原料，二者的混杂比例为2：1，耐老化层织物预制体主体采用三维四向编织结构，耐老化层纤维预制体绝缘端子柱部位采用三维五向编织结构，选用热塑性聚氨酯为基体树脂，采用真空导入工艺成型，成型过程中真空度控制在0.1MPa，最终树脂含量为30％。

实施例3：

一种用于复合材料杆塔的三维编织输电复合材料横担的制备，具体制备工艺如下：

(1)喉箍式三维织物复合材料绝缘端子柱制备。采用E玻璃纤维为增强纤维原料，采用三维六向编织结构，选用不饱和聚酯作为树脂基体，采用真空导入工艺成型，成型过程中真空度控制在0.1MPa，固化温度为104℃，固化时间1小时，最终树脂含量为40％。

(2)三维编织输电复合材料横担刚性层制备。选用T800碳纤维为主体纤维，氧化铝纤维为混杂纤维，其中主体纤维与混杂纤维的用量比(重量比)为2：1，刚性层主体混杂纤维采用三维五向编织结构，刚性层绝缘端子柱部位采用三维六向编织结构，将三维编织复合材料绝缘端子柱嵌入到刚性层中，采用环氧树脂为树脂基体，采用真空导入成型工艺完成树脂与纤维三维织物的浸渍复合，复合成型过程中真空度控制在0.1MPa，固化温度为110℃，固化时间3小时，最终树脂基体含量47％。

(3)三维编织输电复合材料横担耐冲击层的制备：在刚性层的外表面制备耐冲击层，采用T300碳纤维为增强纤维原料，采用芳纶纤维作为热塑性纤维原料，其中高强度增强纤维与热塑性纤维的混杂比例为5：1；高强度纤维与热塑性纤维混杂耐冲击层织物预制体主体采用三维六向编织结构，耐冲击层混杂纤维预制体绝缘端子柱部位采用三维七向编织结构；选用聚氨酯改性的环氧树脂为树脂基体，采用真空导入工艺成型，成型过程中真空度控制在0.1MPa，固化温度为90℃，固化时间3小时，最终树脂含量为43％。

(4)三维编织输电复合材料横担耐老化层的制备：在耐冲击层的外表面制备耐老化层，采用高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维作为高韧性纤维原料，二者的混杂比例为3：1，耐老化层织物预制体主体采用三维四向编织结构，耐老化层纤维预制体绝缘端子柱部位采用三维五向编织结构，选用热塑性聚氨酯为基体树脂，采用真空导入工艺成型，成型过程中真空度控制在0.08MPa，最终树脂含量为46％。

实施例4：

一种用于复合材料杆塔的三维编织输电复合材料横担的制备，具体制备工艺如下：

(1)喉箍式三维织物复合材料绝缘端子柱制备：采用高强度T800碳纤维为增强纤维原料，采用三维六向编织结构，选用环氧树脂作为树脂基体，采用真空导入工艺成型，成型过程中真空度控制在0.1MPa，固化温度为116℃，固化时间1小时，最终树脂含量为44％。

(2)三维编织输电复合材料横担刚性层制备：选用E玻纤为主体纤维，玄武岩纤维为混杂纤维，其中主体纤维与混杂纤维的用量比(重量比)为2：1，刚性层主体混杂纤维采用三维四向编织结构，刚性层绝缘端子柱部位采用三维六向编织结构，将三维编织复合材料绝缘端子柱嵌入到刚性层中，采用环氧树脂为树脂基体，采用真空导入成型工艺完成树脂与纤维三维织物的浸渍复合，复合成型过程中真空度控制在0.08MPa，固化温度为108℃，固化时间为2小时，最终树脂基体的含量为46％。

(3)三维编织输电复合材料横担耐冲击层的制备：在刚性层的外表面制备耐冲击层，采用T300碳纤维为增强纤维原料，采用聚丙烯纤维作为热塑性纤维原料，其中高强度增强纤维与热塑性纤维的混杂比例为7：1；高强度纤维与热塑性纤维混杂耐冲击层织物预制体主体采用三维五向编织结构，耐冲击层混杂纤维预制体绝缘端子柱部位采用三维六向编织结构；选用聚氨酯改性的环氧树脂为树脂基体，采用真空导入工艺成型，成型过程中真空度控制在0.07MPa，固化温度为113℃，固化时间3小时，最终树脂含量为39％。

(4)三维编织输电复合材料横担耐老化层的制备：在耐冲击层的外表面制备耐老化层，采用高分子量聚乙烯纤维作为高韧性纤维原料，耐老化层织物预制体主体采用三维五向编织结构，耐老化层纤维预制体绝缘端子柱部位采用三维七向编织结构，选用热塑性聚氨酯为基体树脂，采用真空导入工艺成型，成型过程中真空度控制在0.06MPa，最终树脂含量为42％。

经试验验证，本实用新型制备的三维编织输电复合材料横担与现有的铁横担和木横担相比，其力学性能、电学特性、抗紫外老化及耐气候性能都得到了极大的改善，完全适用于复合材料杆塔的实际使用，尤其适用于110KV电压以上的使用环境。