本发明属于电力输电领域，特别涉及一种高韧性抗劈裂碳纤维复合材料导线芯棒及其制备方法。
背景技术：
现代工业技术的发展对电力传输系统的要求越来越高，不仅需要电话通信，对于兼备遥控、遥测、视频传输等大容量的信息集成传输的要求越来越迫切和必要，同时随着电力设备自动控制的配备以及计算机监控系统的应用广泛，巨大信息量的传输成为电力系统的必要工作。因此对电力传输的要求越来越向高速、大容量、耐久性等方面发展。这种发展趋势要求输电线路向着特高压、快速输电方向侧重，这必然导致输电线路的规格和自重的提高。传统的输电线路采用钢芯作为支撑材料，钢芯外部采用铝绞线作为主要输电传导载体，而这种钢芯铝绞线的输电线路结构由于全部采用金属材料，出现了诸多问题，如：自重大、不耐腐蚀、弧垂大易变形、环境适应性差等等。于是关于复合材料材质导线结构的研究开始出现，目前应用较多的是在输电导线芯部采用复合材料导线芯棒作为替代材料，提高整体刚性，减小弧垂，同时提高对冰冻、积雪等恶劣气候的环境适应性最终提高使用寿命。
然而，目前单一复合材料的导线芯棒虽然解决的自重和抗变形等问题，但是由于材质的局限性也出现了复合材料固有的种种弊端，例如：芯棒结构的功能单一化，仅仅以力学刚性的提升为主，韧性不足导致芯棒在运输、安装或卷绕中出现劈裂损伤；复合材料芯棒表面的致密性不够导致耐磨性差，施工过程容易出现磕碰、刮擦造成的力学缺陷。这些问题都会为复合材料芯棒的长期使用带来缺陷隐患。因此，目前亟需一种综合性能较好的导线芯棒来解决以上技术问题。
技术实现要素：
为了解决单一材质复合材料导线芯棒的这一问题，本发明提出了一种多层结构的碳纤维复合材料混杂材质的输电导线芯棒的结构及制备方法，通过碳纤维为主的不同高性能纤维的混杂使用以及多种功能层的综合特性发挥，可有效提高导线芯棒整体的耐磨性、抗劈裂性、高柔韧性等多种性能，在保证芯棒刚性和耐腐蚀性的基础上有效提高整体特性，延长复合材料导线芯棒的使用寿命。
本发明的技术方案如下：
本发明的第一个目的是提供了一种碳纤维复合材料导线芯棒，从芯部到表面依次由刚性芯、柔韧层、抗劈裂层和耐磨层四个部分构成；
所述刚性芯是由高性能碳纤维与热固性树脂复合成型；
所述柔韧层是由玻璃纤维或玻璃纤维和碳纤维两者的混杂纤维与热塑改性热固性树脂复合成型；
所述抗劈裂层是由玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维中的一种纤维或多种混杂纤维的二维织物与热固性树脂复合成型；
所述耐磨层是由碳纤维表面毡或玻璃纤维或芳纶纤维的二维织物与热塑性树脂复合成型。
本发明所述的刚性芯，其增强纤维为高性能碳纤维，基体为热固性树脂；所述高性能碳纤维为高强度碳纤维和高模量碳纤维的混杂纤维；优选的，所述高强度碳纤维选用T300、T700、T800中的一种或多种；所述高模量碳纤维选用M40J、M60J中的一种或两种。进一步优选的，所述高强型碳纤维和高模量碳纤维的混杂质量比例为1：1～10：1。
所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的一种。优选的，所述刚性芯中的树脂含量为30～50％
从制备得到的刚性芯的强度来讲，所述热固性树脂与高性能碳纤维采用拉挤成型工艺制备得到刚性芯；最终成型的刚性芯的直径为3～15mm。
刚性芯采用高性能碳纤维复合材料保证整体芯棒的抗变形能力。
本发明所述的柔韧层位于刚性芯的外表面，其增强纤维为玻璃纤维或玻璃纤维和碳纤维两者的混杂纤维，基体为热塑改性热固性树脂。
所述玻璃纤维选用S玻纤或E玻纤的一种或两种，同时混杂高强度碳纤维(所述高强度碳纤维选用T300、T700、T800中的一种或多种)作为刚性调节，其中，所述玻璃纤维与碳纤维的混杂质量比例为1：1～10：1。或者可单独使用玻璃纤维作为增强纤维。
所述热塑改性热固性树脂选用聚氨酯改性环氧树脂、聚氨酯改性不饱和聚酯树脂中的一种。优选的，所述柔韧层中的树脂含量为30～50％。
从制备得到的柔韧层的性能来讲，本发明的柔韧层采用拉挤成型或缠绕成型制备；最终成型的柔韧层的厚度为0.5～5mm。
柔韧层采用玻璃纤维复合材料保证芯棒的韧性以达到一定曲率的卷绕。
本发明所述的抗劈裂层位于柔韧层的表面，采用缠绕成型工艺制备，缠绕采用二维织物，浸渍热固性树脂基体之后缠绕在柔韧层表面，缠绕角度为30～60度。
优选的，所述二维织物的宽度为5～15mm。
优选的，所述二维织物的所用纤维选择以玻璃纤维和/或芳纶纤维作为混杂纤维的主体纤维，其他纤维为辅助纤维，所述辅助纤维为玄武岩纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维中的一种或多种。其中，主体纤维与辅助纤维的混杂质量比例为2：1～10：1。
所述热固性树脂选用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的一种；优选的，所述抗劈裂层中的树脂含量为30～50％；最终成型的抗劈裂层的厚度为0.5～2mm。
抗劈裂层采用混杂纤维螺旋缠绕结构避免导线芯棒在卷绕中的劈裂问题。
本发明的耐磨层位于抗劈裂层的表面，采用缠绕成型工艺制备，缠绕采用碳纤维表面毡或高性能纤维二维织物，浸渍热塑性树脂基体之后缠绕在抗劈裂层表面。
所述碳纤维表面毡选用高强度短切碳纤维制备，短切碳纤维长度为1～5cm；所述高性能纤维二维织物是选用玻璃纤维或芳纶纤维的平纹、斜纹或缎纹织物。
所述热塑性树脂选用聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚中的一种；优选的，所述耐磨层中的树脂含量为30～50％；最终成型的耐磨层的厚度为0.5～2mm。
表面耐磨层采用碳纤维表面毡或二维编织高性能纤维混杂保证表面耐磨特性以有效保护芯棒内部结构稳定性。
导线芯棒中的增强纤维和基体都对其性能产生影响，而不同结构的组合同样对导线芯棒的性能产生影响。发明人通过大量的实验和研究分析得到本发明使用的材料以及结构可以有效的提升导线芯棒的整体性能。
本发明的第二个目的是提供了上述碳纤维复合材料导线芯棒的制备方法，包括以下步骤：
(1)高性能碳纤维与热固性树脂采用拉挤成型工艺制备得到刚性芯；
(2)在所述刚性芯的表面采用拉挤成型工艺或缠绕成型工艺制备柔韧层，所述柔韧层中的增强纤维选用玻璃纤维或玻璃纤维和碳纤维两者的混杂纤维，基体选用热塑改性热固性树脂；
(3)在所述柔韧层的表面采用缠绕成型工艺制备抗劈裂层，所述抗劈裂层的增强纤维选用玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维中的一种或多种混杂纤维的二维纤维织物，基体选用热固性树脂；
(4)在所述抗劈裂层的表面采用缠绕成型工艺制备耐磨层，所述耐磨层的增强纤维选用碳纤维表面毡或高性能纤维二维织物，基体选用热塑性树脂。
本发明的第三个目的是提供一种碳纤维复合芯导线，包括所述碳纤维复合材料导线芯棒和包裹在其外表面的环形导电层。所述环形导电层可由铜、铝或铝合金等金属制成，属于本领域的公知常识。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：
1、本发明的导线芯棒采用以碳纤维为主体增强纤维的多种纤维混杂复合材料制备，从内到外由刚性芯、韧性层、抗劈裂层和表面耐磨层构成，具体是：
(1)本发明以高性能碳纤维与热固性树脂复合成型制备得到刚性芯，得到的芯体抗拉强度较大，保证了整体芯棒的抗变形能力，为导线芯棒的制备起到一个良好的基础。
(2)本发明的刚性芯的外表面设有柔韧层，该柔韧层选用玻璃纤维，或者混杂高强度纤维作为刚性调节，基体选用热塑改性热固性树脂，热塑性改性树脂可以具有一定韧性，提高柔韧度可抵抗变形的能力，两者配合使用，使得该层结构的柔韧性高，同时保证导线芯棒的韧性以达到一定曲率的卷绕。
(3)本发明的柔韧层的外表面设有抗劈裂层，该抗劈裂层以热固性树脂为基体、选用混杂纤维螺旋缠绕结构，提高了导线芯棒的抗劈裂性，避免导线芯棒在卷绕中的劈裂问题。
(4)本发明的抗劈裂层的外表面设有耐磨层，该耐磨层以热塑性树脂为基体、选用碳纤维表面毡或高性能混杂纤维二维织物的结构，使得导线芯棒表面的致密性得以提高，保证了导线芯棒表面的耐磨性，有效保护导线芯棒内部结构的稳定性。
本发明的多层结构碳纤维复合材料导线芯棒可提到目前导线钢芯或传统复合材料导线芯棒的综合力学性能，有效延长使用寿命。
2、本发明的一种高柔韧抗劈裂碳纤维复合材料导线芯棒与其它复合材料导线芯棒相比，采用多层结构、多种材质混杂，利用碳纤维保证导线芯棒的整体刚性基础上，发挥了玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维等多种纤维的综合特性，有效提高导线芯棒的整体性能。
3、本发明的导线芯棒从内到外由刚性芯、韧性层、抗劈裂层和表面耐磨层四个结构组成，结构排布合理，四个结构协同作用，共同使得导线芯棒具有良好的耐磨性、抗劈裂性和柔韧性等性能，使其能够承受恶劣的使用环境，提高使用寿命。
附图说明
图1为碳纤维复合材料导线芯棒的多层结构示意图，包括刚性芯1、柔韧层2、抗劈裂层3和表面耐磨层4四个部分组成。
具体实施方式
实施例1
一种高柔韧性、抗劈裂碳纤维复合材料导线芯棒，如图1所示，从内至外包括刚性芯1、柔韧层2、抗劈裂层3和表面耐磨层4四个部分组成。其制备方法包括：刚性芯的制备、柔韧层的制备、抗劈裂层的制备和表面耐磨层的制备。
刚性芯的制备：采用T300碳纤维作为高强度增强纤维，采用M40J作为高模量增强碳纤维，高强/高模碳纤维的混杂质量比例为10：1，采用环氧树脂作为基体树脂，树脂含量为40％。树脂与增强纤维采用拉挤工艺成型，最终成型的刚性芯的直径在3mm。
柔韧层的制备：选用S玻纤为主体增强纤维，混杂T700高强度碳纤维，玻璃纤维和碳纤维的混杂质量比例为5：1，树脂基体采用聚氨酯改性环氧树脂，树脂基体的含量为40％，树脂和增强纤维采用缠绕工艺成型，最终成型柔韧层的厚度在0.5mm。
抗劈裂层的制备：采用缠绕角度为30度的、宽度为5mm的纤维织物窄带进行二维螺旋缠绕制备，窄带纤维选用玻璃纤维作为主体，玄武岩纤维为辅助纤维，主体与辅助纤维的混杂质量比例在6：1。采用环氧树脂为树脂基体，树脂浸渍含量为50％，最终抗劈裂层的厚度在1mm。
表面耐磨层的制备：采用长度为1cm的短切T700碳纤维制备表面毡为增强体，采用含量为45％的热塑性聚氨酯为树脂基体，采用缠绕成型工艺制备表面耐磨层，最终成型表面耐磨层的厚度在0.5mm。
最终获得的导线芯棒的力学性能优异，其中耐冲击强度比普通复合材料芯棒(是指单一材质复合材料导线芯棒)提高30％以上。
实施例2
一种高柔韧性、抗劈裂碳纤维复合材料导线芯棒的制备包括：刚性芯的制备、柔韧层的制备、抗劈裂层的制备和表面耐磨层的制备。
刚性芯的制备：采用T700碳纤维作为高强度增强纤维，采用M60J碳纤维作为高模量增强碳纤维，高强/高模碳纤维的混杂质量比例为3：1之间，采用酚醛树脂作为基体树脂，树脂含量为30％。树脂与增强纤维采用拉挤工艺成型，最终成型的刚性芯的直径在6mm。
柔韧层的制备：选用E玻纤为主体增强纤维，混杂T800高强度碳纤维，玻纤和碳纤维的混杂质量比例为4：1，树脂基体采用聚氨酯改性不饱和聚酯树脂，树脂基体的含量为35％，树脂和增强纤维采用缠绕工艺成型，最终成型柔韧层的厚度在1mm。
抗劈裂层的制备：采用缠绕角度为40度的、宽度为8mm的纤维织物窄带进行二维螺旋缠绕制备，窄带纤维选用芳纶纤维作为主体，碳化硅纤维为辅助纤维，主体与辅助纤维的混杂质量比例在4：1。采用环氧树脂为树脂基体，树脂浸渍含量为39％，最终抗劈裂层的厚度在1.5mm。
表面耐磨层的制备：采用长度为1cm的短切T800碳纤维制备表面毡为增强体，采用含量为41％的热塑性聚乙烯为树脂基体，采用缠绕成型工艺制备表面耐磨层，最终成型表面耐磨层的厚度在2mm。
最终获得的导线芯棒的力学性能优异，其中，耐冲击强度比普通复合材料芯棒(是指单一材质复合材料导线芯棒)提高35％以上。
实施例3
一种高柔韧性、抗劈裂碳纤维复合材料导线芯棒的制备包括：刚性芯的制备、柔韧层的制备、抗劈裂层的制备和表面耐磨层的制备。
刚性芯的制备：采用T800碳纤维作为高强度增强纤维，采用M60J碳纤维作为高模量增强碳纤维，高强/高模碳纤维的混杂质量比例为8：1之间，采用不饱和聚酯树脂作为基体树脂，树脂含量为45％。树脂与增强纤维采用拉挤工艺成型，最终成型的刚性芯的直径在12mm。
柔韧层的制备：选用E玻纤为主体增强纤维，混杂T300高强度碳纤维，玻纤和碳纤维的混杂质量比例为5：1，树脂基体采用聚氨酯改性环氧树脂，树脂基体的含量为36％，树脂和增强纤维采用缠绕工艺成型，最终成型柔韧层的厚度在1mm。
抗劈裂层的制备：采用缠绕角度为40度的、宽度为8mm的纤维织物窄带进行二维螺旋缠绕制备，窄带纤维选用芳纶纤维作为主体，氧化铝纤维为辅助纤维，主体与辅助纤维的混杂质量比例在7：1。采用环氧树脂为树脂基体，树脂浸渍含量为38％，最终抗劈裂层的厚度在2mm。
表面耐磨层的制备：采用平纹结构的玻璃纤维织物为增强体，采用含量为42％的热塑性聚丙烯为树脂基体，采用缠绕成型工艺制备表面耐磨层，最终成型表面耐磨层的厚度在2mm。
最终获得的导线芯棒的力学性能优异，其中，耐冲击强度比普通复合材料芯棒(是指单一材质复合材料导线芯棒)提高34％以上。
实施例4
一种高柔韧性、抗劈裂碳纤维复合材料导线芯棒的制备包括：刚性芯的制备、柔韧层的制备、抗劈裂层的制备和表面耐磨层的制备。
刚性芯的制备：采用T300碳纤维作为高强度增强纤维，采用M40J作为高模量增强碳纤维，高强/高模碳纤维的混杂质量比例为6：1之间，采用环氧树脂作为基体树脂，树脂含量为43％。树脂与增强纤维采用拉挤工艺成型，最终成型的刚性芯的直径在11mm。
柔韧层的制备：选用S玻纤为主体增强纤维，混杂T700高强度碳纤维，玻纤和碳纤维的混杂质量比例为5：1，树脂基体采用聚氨酯改性环氧树脂，树脂基体的含量为50％，树脂和增强纤维采用缠绕工艺成型，最终成型柔韧层的厚度在5mm。
抗劈裂层的制备：采用缠绕角度为50度的、宽度为11mm的纤维织物窄带进行二维螺旋缠绕制备，窄带纤维选用芳纶纤维作为主体，玄武岩纤维为辅助纤维，主体与辅助纤维的混杂质量比例在4：1。采用环氧树脂为树脂基体，树脂浸渍含量为32％，最终抗劈裂层的厚度在1mm。
表面耐磨层的制备：采用缎纹结构的芳纶纤维织物为增强体，采用含量为44％的热塑性聚氨酯为树脂基体，采用缠绕成型工艺制备表面耐磨层，最终成型表面耐磨层的厚度在1mm。
最终获得的导线芯棒的力学性能优异，其中，耐冲击强度比普通复合材料芯棒(是指单一材质复合材料导线芯棒)提高32％以上。
实施例5
一种碳纤维复合芯导线，包括实施例1所述碳纤维复合材料导线芯棒和包裹在其外表面的环形导电层；所述环形导电层可由铜、铝或铝合金等金属制成。
对比例
一种碳纤维复合材料导线芯棒，从内至外包括刚性芯、抗劈裂层、柔韧层和表面耐磨层四个部分组成。其制备方法包括：刚性芯的制备、抗劈裂层的制备、柔韧层的制备和表面耐磨层的制备。
刚性芯的制备：采用T300碳纤维作为高强度增强纤维，采用M40J作为高模量增强碳纤维，高强/高模碳纤维的混杂质量比例为10：1，采用环氧树脂作为基体树脂，树脂含量为40％。树脂与增强纤维采用拉挤工艺成型，最终成型的刚性芯的直径在3mm。
抗劈裂层的制备：采用缠绕角度为30度的、宽度为5mm的纤维织物窄带进行二维螺旋缠绕制备，窄带纤维选用玻璃纤维作为主体，玄武岩纤维为辅助纤维，主体与辅助纤维的混杂质量比例在6：1。采用环氧树脂为树脂基体，树脂浸渍含量为50％，最终抗劈裂层的厚度在1mm。
柔韧层的制备：选用S玻纤为主体增强纤维，混杂T700高强度碳纤维，玻纤和碳纤维的混杂质量比例为5：1，树脂基体采用聚氨酯改性环氧树脂，树脂基体的含量为40％，树脂和增强纤维采用缠绕工艺成型，最终成型柔韧层的厚度在0.5mm。
表面耐磨层的制备：采用长度为1cm的短切T700碳纤维制备表面毡为增强体，采用含量为45％的热塑性聚氨酯为树脂基体，采用缠绕成型工艺制备表面耐磨层，最终成型表面耐磨层的厚度在0.5mm。
最终得到的导线芯棒的耐冲击强度与普通复合材料芯棒(是指单一材质复合材料导线芯棒)相当。由于对比例采用的结构组合的不合理，最终获得的导线芯棒的力学性能明显不如实施例1～4中的导线芯棒，可见各个结构的配合对导线芯棒的性能产生重要的影响。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。