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。当复合芯在生产、运输、施工时会发生弯曲，弯曲时复合芯内部产 生剪切应力，并随复合芯截面增大或弯曲半径减小复合芯内部会产生更大的应力，当复合 芯内部应力大于纤维之间的粘结力时，复合芯发生开裂。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，复合芯在生产、运输、施工时 会发生弯曲，弯曲时复合芯内部产生剪切应力，并随复合芯截面增大或弯曲半径减小复合 芯内部会产生更大的应力，当复合芯内部应力大于纤维之间的粘结力时，复合芯发生开裂。 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 在在复合芯弯曲时复合芯内部产生应力和层间开裂的问题。所以也只能制做小直径的复合 芯.对于制做直径大于IOmm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，现有复合芯还存在耐磨性和抗老化较差的问题。由 于复合芯的外芯裸露在外，日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2004800385 . 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, iTefzel、iTedlar、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。现有复合材料芯，其性能都具有局限性。第一，原有复合芯不能生产大直径(直径 大于9. 5mm)要求；第二，原有复合芯扭转时易开裂；第三，原有复合芯弯曲时弯曲半径大； 第四，抗疲劳强度和抗疲劳次数较低；第五，原有复合芯外保护层易脱层。无法将高抗拉强 度、较低的弯曲半径、较高的扭转角度、较高的使用温度及较高的抗疲劳强度这些相互矛盾 的性能要求有效融合为一体，形成高性能复合材料芯。在性能上都有局限性，无法适应各种 不同应用环境和使用要求，适用性较差。以上所举例的专利及现有的技术还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，而没有横向或斜向纤维增强，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。为此，申请人在本实用新型申请之前向国家知识产权局申请了一种复合材料芯的 专利，专利申请号为200910172177. 9、名称为“一种用于增强电缆的复合材料芯及其制备 工艺和增强电缆”。在该方案中，外层采用多个纤维束交错编制的纤维套管套于内芯的表 面。由于纤维套管的交错编制结构使复合材料芯具有横向或斜向纤维，在抗弯曲、抗疲劳强 度以及低弯曲半径方面的性能得到提高。但仅仅是内芯和外层(纤维套管)组成的二层结 构会产生如下问题第一、复合芯在受巨大拉力情况下，在复合芯接头处或联接处纤维套 管与内芯会发生脱离，复合芯不是拉断，而是由于纤维套管与内芯发生脱离在接头处或联 接处断裂，降低了复合芯轴向的拉伸强度，产生负面效果；第二、由于复合芯的纤维套管与 内芯部分在批量生产时会出现分层或空鼓，粘结不密实，质量不宜控制，使纤维套管横向纤 维的作用没有得到完全利用，横向纤维无论在复合芯抗弯曲、抗扭转、抗疲劳还不能完全达 到十分突出的作用。
实用新型内容为了解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种用于增强电缆的复合 材料芯，采用3层结构，每层各负其职但又相互作用，有效融合，使复合材料芯要求的高抗 拉强度、较低的弯曲半径、较高的扭转次数、较高的使用温度及较高的抗疲劳强度这些相互 矛盾的性能要求完美结合，有效解决现有复合材料芯在性能上的局限性。适应各种不同应 用环境和使用要求，适用性更好。在基于复合材料芯的基础上，本实用新型还另外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技术方案为一种用于 增强电缆的复合材料芯，包括内芯、结构层、外层，所述内芯包括纤维、和热固性树脂，所述结构层包括纤维套管和热固性树脂，所述纤维套管为由多根纤维束相互交错编织而成或沿 着内芯轴向方向螺旋缠绕而成，所述外层包括沿复合芯长度方向排布的纤维、和热固性树 月旨，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 述纤维与热固性树脂复合形成所述内芯；所述纤维套管和热固性树脂复合形成所述结构 层；所述纤维与热固性树脂复合形成所述外层；所述内芯、结构层、和外层采用同一热固性树脂，一体成形；所述外层外又依次包覆有第二结构层和第二外层，所述第二结构层由纤维套管和 热固性树脂复合形成；所述第二外层由纤维与热固性树脂复合形成，所述内芯、结构层、外 层、第二结构层和第二外层采用同一热固性树脂，一体成形；所述内芯和外层的横截面为1层、或多层结构；所述外层外还形成有富树脂层，所述富树脂层包含高分子材料毡、或玻璃纤维毡、 还包括热固性树脂，所述内芯、结构层、外层、和富树脂层采用同一热固性树脂，一体成形；所述复合材料芯中的纤维总和，占到所述复合材料芯总重量的60% 85% ；所述纤维、和纤维套管包含碳纤维、或玄武岩纤维、或玻璃纤维、或芳纶纤维；所述 热固性树脂包含环氧树脂、或改性环氧树脂、或聚氨酯树脂；所述外层的弹性模量小于所述内芯的弹性模量。本实用新型提供的增强电缆采用的主要技术方案为复合材料芯包括内芯、结构 层、外层，所述内芯包括纤维、和热固性树脂，所述结构层包括纤维套管和热固性树脂，所述 纤维套管为由多根纤维束相互交错编织而成或沿着内芯轴向方向螺旋缠绕而成，所述外层 包括沿复合芯长度方向排布的纤维、和热固性树脂，所述复合材料芯的外表面至少绞绕有一层导线。采用本实用新型提供的复合材料芯带来的有益效果为(1)本实用新型提供的复 合材料芯，在结构层之外又增加一层外层结构，外层中加入沿复合材料芯长度方向排布的 连续纤维，该连续纤维完全包裹住结构层，也相应的包裹住结构层中的纤维套管，使内芯、 结构层和外层紧密粘结。由于增加的外层结构将结构层2完全包裹，为结构层2中的纤维 套管提供了保护，在复合芯受巨大拉力的情况下，外层3与内心1的拉伸延展率基本相同， 延展量同步，内心与外层夹紧结构层，使位于中间的结构层不易脱落、分离，有效解决复合 材料芯中采用纤维套管结构的缺陷。(2)内芯包含沿复合芯长度方向排布的连续纤维和热 固性树脂，全部或大部分是由高模量纤维组成，使内芯的拉伸及弹性模量较高，有效提高复 合芯的抗拉强度，结构层中的纤维套管为由多根纤维束相互交错编织而成或沿轴向方向螺 旋缠绕而成，起结构有效解决了复合芯没有横向纤维增强的问题。而且，相互交错编织的 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。电缆在使用过程会不断发生舞动，由于结构层中横向纤维充分发挥作用，复合芯在随电 缆舞动时有效阻止复合芯的层间分裂，这样会提高复合芯的疲劳寿命。同时完全避免在制 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。外层包含沿复合芯长度方向 排布的连续纤维和热固性树脂，全部或大部分是由较低模量纤维组成，使外层的弹性模量 相比内芯的弹性模量低，不仅起着包裹和压紧结构层的纤维套管的作用，而且由于有较低 的模量，使外层也起到柔韧的效果，同时外层纤维也进一步提高了复合芯的轴向拉伸强度。(3)内芯中的纤维沿复合芯长度方向排布，并包含全部或大部分高模量纤维，结构层为纤维 套管，提供了横向纤维，外层的纤维沿复合芯长度方向排布，并包含全部或大部分较低模量 纤维，形成内芯的高模量纵向纤维加上结构层的横向纤维再加上外层的低模量纵向纤维形 成“三明治”结构，通过结构层纤维套管的横向纤维的作用，有效防止复合芯在弯曲时内芯 发生层间剪切而开裂，并在外层较低模量纤维的辅助下大大减小复合芯的弯曲半径，可以 满足制造大直径复合材料芯的需求并达到复合芯的弯曲半径的要求。(4)复合芯扭转发生 开裂主要是由于内芯中的纤维模量很高，并且由于要提供高拉伸强度，纤维含量很高，内 芯脆性较大，容易发生开裂，本实用新型提供的复合材料芯由于采用“三明治”结构，外层挤 压并向结构层提供充裕的树脂，结构层的纤维套管与内外层紧密贴合，复合芯在扭转时，内 芯由于结构层的横向纤维的作用，不易产生裂纹，从而大幅度提高了复合芯的扭转性能，在 电缆架设过程中不因电缆扭转而破裂，保证电缆架设及使用的安全，并达到复合芯扭转的 要求。( 所述外层的表面形成富树脂层，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复合芯纤维不磨损。并且可以保护好复合材料芯不受日晒雨林 以及磨损的影响，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。(6)内芯、结构层和外层合理配置，内芯中高模量纤维有效提高复 合芯的抗拉强度；结构层纤维套管大大增强复合材料芯的横向、斜向强度，提高复合芯的抗 疲劳强度和抗疲劳次数；外层中的低模量纤维提供复合芯的外层柔性，并且通过外层纤维 对结构层的挤压和树脂提供，将内芯、结构层和外层有效形成一个整体，降低复合芯的弯曲 半径，提高了复合芯的弯曲性能。复合材料芯的每层各负其职但又相互作用，有效融合，使 复合材料芯要求的高抗拉强度、较低的弯曲半径、较高的扭转次数、较高的使用温度及较高 的抗疲劳强度这些相互矛盾的性能要求完美结合，有效解决了现有复合材料芯在性能上的 局限性。适应各种不同应用环境和使用要求，适用性更好。(7)在本实用新型提供的更进一 步的改进方案中，在外层3的表面再依次重复形成第二结构层和第二外层，形成了内芯、结 构层、外层、第二结构层和第二外层的5层结构，与三层的结构相比，适用于更大直径的复 合芯，能满足大直径复合芯的拉伸、弯曲、扭转及抗疲劳的要求。 采用本实用新型提供的增强电缆带来的有益效果为(1)复合材料芯中，内芯高 模量纤维有效提高复合芯的抗拉强度；结构层纤维套管大大增强复合材料芯的横向强度， 提高复合芯的抗疲劳强度和抗疲劳次数；外层纤维在进一步提高复合材料芯轴向拉伸强度 的同时，通过纤维挤压和树脂的提供将内芯与结构层有效形成一个整体。复合材料芯的每 层各负其职但又相互作用，有效融合，使使用复合材料芯的电缆在高抗拉强度、较低的弯曲 半径、较高的扭转次数、较高的使用温度及较高的抗疲劳强度具有显著效果。( 形成内 芯的高模量纵向纤维加上结构层的横向纤维再加上外层的低模量纵向纤维形成“三明治” 结构，通过结构层纤维套管交错编织或螺旋缠绕的结构，提高横向、斜向的拉伸强度，有效 防止复合芯在弯曲时内芯发生层间剪切而开裂，并在外层较低模量纤维的辅助下大大减小 复合芯的弯曲半径，可以满足制造大直径复合材料芯的需求并达到复合芯的弯曲半径的要 求。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，从而能生产出大截 面积的电缆，适应大容量输电要求.(3)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为本实用新型提供的复合材料芯的立体结构示意图，示出内层、结构层、外层 的结构；图2为图1横截面剖视图；图3为本实用新型复合材料芯的立体结构示意图，示出内层、结构层、外层和富树 脂层的结构；图4为图3横截面剖视图；图5为本实用新型提供的另一复合材料芯的立体结构示意图，示出内层、结构层、 外层、第二结构层、第二外层的5层结构；图6为图5的横截面剖视图；图7为图5所示复合材料芯的第二外层外形成的富树脂层的立体结构图；图8为图7的横截面剖视图；图9为图2中复合材料芯绞绕有一层导线的电缆结构示意图；图10为图4中复合材料芯绞绕有一层导线的电缆结构示意图；图11为图6中复合材料芯绞绕有一层导线的电缆结构示意图；图12为图8中复合材料芯绞绕有一层导线的电缆结构示意图；图13为本实用新型复合材料芯结构层中纤维套管由多根纤维束交错编制而成的 结构图，重点示出交错编织结构、以及纤维束交错编织的螺距；图14为本实用新型复合材料芯结构层中纤维套管由多根纤维束沿内芯轴向方向 螺旋缠绕而成的结构图，重点示出螺旋缠绕结构、以及纤维束螺旋缠绕的螺距。
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8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、结构层2、外层3，所述内芯1包括纤维、和热固性树脂，所述结构层2包括纤维套管和 热固性树脂，所述纤维套管为由多根纤维束相互交错编织而成或沿着内芯轴向方向螺旋缠 绕而成，所述外层3包括沿复合芯长度方向排布的纤维、和热固性树脂，所述纤维束的螺距 H 在 0. lmm-500mm 之间。多根纤维束相互交错编织是指多根纤维束相互之间交叉编织，形成一个网状的套 管。螺旋缠绕则是由多根纤维束沿着内芯轴向的方向顺序缠绕、包裹在内芯1上，与交错编 制的结构不同点在于多根纤维束之间没有相互交错的结构，而是顺序螺旋缠绕。为了更进 一步的提高螺旋缠绕的包裹紧密度，也可在沿着内芯1轴向方向由一端螺旋缠绕到另一端 后再返回螺旋缠绕，正向和反向缠绕形成层间叠加的结构，包裹内芯1的紧密度更好，可以 使纤维套管与内芯1紧密、完全贴合。如图13所示，结构层中的纤维套管由多根纤维束相互交错编织而成的结构。每根 纤维束以内芯1轴向上的一个点为起点，围绕内芯1缠绕一周、完成一个完整的交错编制程 序后的另一点为终点，起点与终点之间在轴向上位于同一直线上，在该直线上两点之间间 隔的距离H即为螺距。如图14所示，结构层中的纤维套管由多根纤维束沿着内芯1的轴向方向螺旋缠绕的结构。与图13相比，纤维束沿着相同方向顺序缠绕，彼此之间没有交错。因此，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。在围绕内芯1螺旋缠绕一周后，起点和终点位于轴向的同一直线上，两点 之间间隔距离H为所述的螺距。复合材料芯的内芯1中的纤维沿着复合材料芯长度方向排布，这是复合材料芯中 内芯纤维基本的要求排布方向，其目的是提高复合材料芯的轴向拉伸强度。外层3中的纤 维沿复合材料芯长度方向排布与内芯1中的纤维排布方向相同，形成内芯1的高模量纵向 纤维加上结构层2的横向纤维再加上外层3的低模量纵向纤维形成“三明治”结构，通过结 构层纤维套管的横向纤维的作用，有效防止复合芯在弯曲时内芯发生层间剪切而开裂，并 在外层3较低模量纤维的辅助下大大减小复合芯的弯曲半径，可以满足制造大直径复合材 料芯的需求并达到复合芯的弯曲半径的要求。外层3包裹结构层2，也相应的包裹住结构层2中的纤维套管，使内芯、结构层和 外层紧密粘结。由于增加的外层结构将结构层2完全包裹，为结构层2中的纤维套管提供 了保护，在复合芯受巨大拉力的情况下，外层3与内心1的纤维排布方向相同，拉伸延展率 基本相同，延展量同步，内芯1与外层3夹紧结构层2，使位于中间的结构层2不易脱落、分 离，有效解决复合材料芯中采用纤维套管结构的缺陷。在本实用新型提供的上述优选方案中所述纤维与热固性树脂复合形成所述内芯 1 ；所述纤维套管和热固性树脂复合形成所述结构层2 ；所述纤维与热固性树脂复合形成所 述外层3。在本实用新型提供的上述优选方案中所述内芯1、结构层2、和外层3采用同一热 固性树脂，一体成形。所述内芯1和外层3的横截面为1层、或多层结构。所述3层结构的 复合材料芯中的纤维总和，占到所述复合材料芯总重量的60% 85%。所述外层3的弹性 模量小于所述内芯1的弹性模量。在本实用新型提供的上述优选方案中如图3、图4所示，所述外层3外还形成有 富树脂层4，所述富树脂层4包含高分子材料毡、或玻璃纤维毡、还包括热固性树脂，所述内 芯1、结构层2、外层3、和富树脂层4采用同一热固性树脂，一体成形。所述内芯1和外层3 的横截面为1层、或多层结构。所述4层结构的复合材料芯中的纤维总和，占到所述复合材 料芯总重量的60% 85%。所述外层3的弹性模量小于所述内芯1的弹性模量。在本实用新型提供的上述优选方案中如图5、图6所示，所述外层3外又依次包 覆有第二结构层2’和第二外层3’，所述第二结构层2’由纤维套管和热固性树脂复合形成； 所述第二外层3’由纤维与热固性树脂复合形成，所述内芯1、结构层2、外层3、第二结构层 2’和第二外层3’采用同一热固性树脂，一体成形。所述内芯1、外层3和第二外层3’的横 截面为1层、或多层结构。所述5层结构的复合材料芯中的纤维总和，占到所述复合材料 芯总重量的60% 85%。所述外层3和第二外层3’的弹性模量小于所述内芯1的弹性模 量。在本实用新型提供的上述优选方案中如图7、图8所示，所述第二外层3’外还形 成有富树脂层4，所述富树脂层4包含高分子材料毡、或玻璃纤维毡、还包括热固性树脂，所 述内芯1、结构层2、外层3、第二结构层2’和第二外层3’和富树脂层4采用同一热固性树 脂，一体成形。所述6层结构的复合材料芯中的纤维总和，占到所述复合材料芯总重量的60% 85%。所述外层3和第二外层3’的弹性模量小于所述内芯1的弹性模量。在本实用新型提供的上述优选方案中所述纤维、和纤维套管包含碳纤维、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、或聚氨酯树脂。下面，本实用新型给出如下4个实施例对上述优选方案加以支持。实施例一内芯1选用12K的碳纤维72根，纤维直径为7微米，并用可调张力架 进行张力控制，使碳纤维张力基本一致；结构层2用M束玻璃纤维编织纤维编织管，每束 纤维束交错编织的螺距H为300mm，每束玻璃纤维为90支4股；选用一台M锭卧式编织 机；外层3选用1200TeX玻璃纤维观根，热固性树脂选用改性环氧树脂，玻璃化转变温度 Tg为约210°C，用酸酐类固化剂，咪唑类促进剂。环氧树脂胶配比改性环氧树脂改性酸 酐1-甲基咪唑硬脂酸锌=100 100 2 2。内芯1中的碳纤维、结构层2中的纤 维编织管和外层3中玻璃纤维的纤维重量之和占复合芯总重量的约80%。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2300MPa。内层1 选用高模量的碳纤维，结构层2为玻璃纤维编织层，外层3选用低模量的玻璃纤维。输电线 运行温度达到190°C。实施例二 内芯1选用12K的碳纤维36根，纤维直径为7微米，并用可调张力架进 行张力控制，使碳纤维张力基本一致；结构层2选用玄武岩纤维编织纤维编织管，用16束玄 武岩纤维编织，每束玻璃纤维为120支二股，每束纤维束交错编织的螺距H为50mm，选用一 台16锭卧式编织机；外层3选用600Tex的玄武岩纤维20根，热固性树脂选用环氧树脂，玻 璃化转变温度Tg为约180°C，用酸酐类固化剂，咪唑作促进剂。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 90 1. 5 2。内芯1中的碳纤 维和结构层2中的玄武岩纤维、以及外层3中玄武岩纤维的纤维重量之和占复合芯总重量 的约70%。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MOOMPa，内芯1中 的碳纤维和结构层2中的玄武岩纤维、以及外层3中的玄武岩纤维重量之和占复合芯总重 量的约70%。输电线运行温度达到160°C。实施例三内芯1选用12K的碳纤维75根，纤维直径为7微米，结构层2选用M束 玄武岩纤维交错编织，每束纤维束交错编织的螺距H为400mm，每束纤维为90支四股，外层 3选用Kevlar49芳纶纤维100根，第二结构层2’选用36束玻璃纤维编织，每束纤维束交错 编织的螺距H为200mm，每束玻璃纤维为80支6股，第二外层3’选用1200Tex的玻璃纤维 40根，并用可调张力架进行张力控制，使碳纤维，芳纶纤维和玻璃纤维张力基本一致；热固 性树脂选用环氧树脂，玻璃化转变温度Tg为约200°C，用酸酐类固化剂，咪唑作促进剂。环 氧树脂胶配比改性环氧树脂改性酸酐1-甲基咪唑硬脂酸锌12 14烷基缩水甘 油醚=100 100 1.6 2 5。内芯1中的碳纤维、结构层2中的玄武岩纤维、外层3 中的芳纶纤维、第二结构层2’中的玻璃纤维及第二外层3’中的玻璃纤维的纤维重量之和 占复合芯总重量的65%。用此配比选材用以制造外径为12. 7mm的复合材料芯，拉伸强度约2200MPa。输电 线运行温度达到180°C。实施例四内芯1选用12K的碳纤维40根，纤维直径为7微米，及选用SOOTex的玄武岩纤维20根，内芯1为2层结构，并分层排布。碳纤维在里层，玄武岩纤维排在次里层， 并用可调张力架进行张力控制，使碳纤维和玄武岩纤维张力基本一致；结构层2选用16束 高强玻璃纤维沿复合芯轴向螺旋缠绕，纤维束螺旋缠绕的螺距H为100mm，高强玻璃纤维选 用80支6股，选用16锭螺旋缠绕机缠绕；外层3选用16根1200Tex的高强玻璃纤维；在外 层3外面的富树脂层4选用二片15mm的聚酯毡，单重为M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220°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酸酐1-甲基咪唑硬脂酸锌=100 120 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2200MPa，内芯1中 的碳纤维和玄武岩纤维、结构层2中的高强玻璃纤维和外层3中的高强玻璃纤维的重量之 和占复合芯总重量的约75%。输电线运行温度达到200°C。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 层导体5，如图9、图12所示，一般绞绕1 2层导线。亦可绞绕3至4层导线。导线一般 为软铝线、或铝线、或铝合金导线.导体横截面一般为圆形、梯形。下面，本实用新型给出使用上述复合材料芯的电缆的实施例，如图9所示，复合材 料芯包括内芯1、结构层2、外层3，所述内芯1包括纤维、和热固性树脂，所述结构层2包括 纤维套管和热固性树脂，所述纤维套管为由多根纤维束相互交错编织而成或沿着内芯轴向 方向螺旋缠绕而成，所述外层3包括沿复合芯长度方向排布的纤维、和热固性树脂，所述复 合材料芯的外表面至少绞绕有一层导线5。如图10所示，为另一种电缆，在外层3外还形成有富树脂层4的复合材料芯，在复 合材料芯外表面绞绕有一层导线5。如图11所示，为另一种电缆，在外层3外还有第二结构层2’，第二外层3’，在复合 材料芯外表面绞绕有一层导线5。如图12所示，为另一种电缆，在5层结构的复合材料芯的第二外层3’外形成有富 树脂层4，在复合材料芯外表面绞绕有一层导线5。本实用新型提供的电缆，使使用复合材料芯的电缆在高抗拉强度、较低的弯曲半 径、较高的扭转次数、较高的使用温度及较高的抗疲劳强度具有显著效果。复合材料芯的 “三明治”结构，通过结构层纤维套管交错编织或螺旋缠绕的结构，提高横向、斜向的拉伸强 度，有效防止复合芯在弯曲时内芯发生层间剪切而开裂，并在外层较低模量纤维的辅助下 大大减小复合芯的弯曲半径，可以满足制造大直径复合材料芯的需求并达到复合芯的弯曲 半径的要求。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，从而能生 产出大截面积的电缆，适应大容量输电要求。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。
权利要求1.一种用于增强电缆的复合材料芯，包括内芯(1)、结构层O)、外层(3)，所述内芯 (1)包括纤维、和热固性树脂，其特征在于所述结构层( 包括纤维套管和热固性树脂， 所述纤维套管为由多根纤维束相互交错编织而成或沿着内芯轴向方向螺旋缠绕而成，所 述外层( 包括沿复合芯长度方向排布的纤维、和热固性树脂，所述纤维束的螺距H在 0. lmm-500mm 之间。
2.根据权利要求1所述的复合材料芯，其特征在于所述纤维与热固性树脂复合形成 所述内芯(1)；所述纤维套管和热固性树脂复合形成所述结构层O)；所述纤维与热固性树 脂复合形成所述外层(3)。
3.根据权利要求2所述的复合材料芯，其特征在于所述内芯(1)、结构层O)、和外层 (3)采用同一热固性树脂，一体成形。
4.根据权利要求2所述的复合材料芯，其特征在于所述外层C3)外又依次包覆有第 二结构层O’)和第二外层(3’)，所述第二结构层O’)由纤维套管和热固性树脂复合形成； 所述第二外层(3’)由纤维与热固性树脂复合形成，所述内芯(1)、结构层O)、外层(3)、第 二结构层(2’ )和第二外层(3’ )采用同一热固性树脂，一体成形。
5.根据权利要求3所述的复合材料芯，其特征在于所述内芯⑴和外层(3)的横截 面为1层、或多层结构。
6.根据权利要求3所述的复合材料芯，其特征在于所述外层(3)外还形成有富树脂 层(4)，所述内芯(1)、结构层(2)、外层(3)、和富树脂层(4)采用同一热固性树脂，一体成 形。
7.根据权利要求3所述的复合材料芯，其特征在于所述外层(3)的弹性模量小于所 述内芯(1)的弹性模量。
8.一种应用上述权利要求1至7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导线(5)。
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，包括内芯、结构层、外层，内芯包括纤维、和热固性树脂，结构层包括纤维套管和热固性树脂，纤维套管为由多根纤维束相互交错编织而成或沿着内芯轴向方向螺旋缠绕而成，外层包括沿复合芯长度方向排布的纤维、和热固性树脂。本实用新型提供的复合材料芯，在结构层之外又增加一层外层结构，外层中加入沿复合材料芯长度方向排布的连续纤维，由于增加的外层结构将结构层2完全包裹，为结构层2中的纤维套管提供了保护，在复合芯受巨大拉力的情况下，外层3与内心1的拉伸延展率基本相同，延展量同步，内心与外层夹紧结构层，使位于中间的结构层不易脱落、分离，有效解决复合材料芯中采用纤维套管结构的缺陷。
文档编号H01B5/10GK201838345SQ20092029805
公开日2011年5月18日 申请日期2009年12月28日 优先权日2009年12月28日
发明者冯毅 申请人:江苏源盛复合材料技术股份有限公司