一种架空导线用碳纤维复合材料芯棒及其加工方法与流程

本发明属于芯棒及其加工方法，特别涉及一种架空导线用碳纤维复合材料芯棒及其加工方法。

背景技术：

随着世界经济的发展，人口规模的扩大，对能源的需求日益增多。作为清洁能源的电能更是被各国大力发展。但电力负荷的大幅度增加与输电走廊选择日益困难的矛盾越来越突出。提高单位走廊传输功率的需求日益迫切。已有百年应用历史的传统的钢芯铝绞线(ACSR)已难以满足输电需求。在此背景下，国内外发展了一系列可用于输电线路增容的新型导线。

碳纤维复合芯导线是一种性价比优秀的新型增容导线，具有强度高，耐高热，耐老化，耐腐蚀，重量轻，低弧垂等一系列优异特性。与传统钢芯铝绞线相比，结构相似，区别主要在于材质和铝线形状不同，单根高强度耐热的碳纤维复合材料芯替代了芯层的钢绞线。

导线作为交、直流高压架空输电线路的关键材料，其性能的优劣，直接关系到电网的安全、关系到国家战略安全。导线全寿命周期内，要耐受各种复杂工况的考验，包括：大风、高低温、覆冰、疲劳振动3×10⁷、舞动10×10⁴、电磁环境下的盐雾、紫外、臭氧、湿热的腐蚀，各种工况下电气间隙(变化)的安全性，以及加工、运输、施工过程中的冲击，弯折、施工安装后的完好等。这就要求碳纤维复合芯导线尤其是芯棒的性能具有：强度高，耐高热，耐老化，耐腐蚀，重量轻，适用范围内温变时尺寸稳定等性能。为便捷新型导线的架线施工，芯棒还要具有非常高的韧性和断切安装的防劈裂性能。

国内外近几年出现的复合材料芯导线，其特征是以碳纤维和玻璃纤维单一方向排列增强环氧树脂基复合的两层结构，这种结构的芯棒表面光滑，摩擦力小；径向剪切力弱，压缩强度低，易纵向劈裂。该申请为独特的三层功能结构。解决了目前碳纤维复合材料芯导线在架线施工中易造成纵向劈裂的技术难题，提高了各种施工环境下碳纤维复合芯导线安装的效率和质量；该结构在芯棒表面形成密布的隐形凸起的被固化的纤维束交织点，提高了芯棒表面摩擦力，增加了绞线后芯棒与外层铝股间的机械把持力，解决了在导线卡握受力时芯棒与铝股间的相对滑移，避免了碳纤维复合芯导线架线施工中的“缩芯”和“起灯笼”缺陷，成倍提高了架线施工速度。消除了碳纤维复合芯导线应用上的制约，非常有利于碳纤维复合芯导线规模化推广应用。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺点，本发明提供一种架空导线用碳纤维复合材料芯棒及其加工方法。它结构简单，加工工艺易实现，卷绕性能好，施工特性好，使用难度大幅度降低，便于规模化应用。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：芯棒由内到外为三层功能结构，三层功能结构由树脂基体固化，所述的树脂基体为热固性或热塑性的弹性体；三层功能结构分别是温度变化时保持尺寸稳定的承力层、抗老化的增韧层和增摩防劈裂的缠绕层。

所述承力层的材料为增强纤维，为中强或高强度碳纤维、石墨纤维或陶瓷纤维，沿芯棒轴向恒张力平行排列。

所述增韧层的材料为无碱、无硼和耐酸的高强玻璃纤维、非配方组分玄武岩纤维或混杂纤维，沿芯棒轴向恒张力平行排列。

所述缠绕层的材料为无碱、无硼、耐酸的高强玻璃纤维、非配方组分玄武岩纤维、陶瓷纤维、混杂纤维或纤维束预编制成织物或带状织物。

所述承力层、增韧层和缠绕层的横截面占比：承力层为45-70％，增韧层为25-55％，缠绕层为0.02-8％；承力层、增韧层和缠绕层的结构间无可分圆界面；芯棒直径在一连续长度内保持不变。

本发明具有下列优点：1)、结构简单，加工工艺易实现，卷绕性能好，施工特性好，使用难度大幅度降低，便于规模化应用；2)、解决碳纤维复合材料芯导线在架线施工中易造成纵向劈裂的技术难题；缠绕层的外表面有密布的隐形凸起的被固化的纤维束交织点，提高芯棒外表面摩擦力，增加绞线后芯棒与外层铝股间的机械把持力，解决在导线卡握受力时芯棒与铝股间的相对滑移，避免碳纤维复合芯导线架线施工中的“缩芯”和“起灯笼”等重大质量缺陷；3)、在-45～200℃内，基于时间-温度-应力等效原理，芯棒可安全使用寿命50年，超过了输变电系统对导线使用近期及远期的年限要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明剖视图。

图2为本发明加工示意图。

具体实施方式

如图1所示，芯棒由内到外为三层功能结构，三层功能结构由树脂基体固化，所述的树脂基体为热固性或热塑性的弹性体；三层功能结构分别是温度变化时保持尺寸稳定的承力层1、抗老化的增韧层2和增摩防劈裂的缠绕层3。

所述承力层1的材料为增强纤维，为中强或高强度碳纤维、石墨纤维或陶瓷纤维，沿芯棒轴向恒张力平行排列。起主要力学性能的支撑芯棒，贡献芯棒75-85％的拉力，并在温度变化时保持芯棒尺寸稳定性，并在全域使用温度范围内具有稳定的抗拉强度和驰度。

所述增韧层2的材料为无碱、无硼和耐酸的高强玻璃纤维、非配方组分玄武岩纤维或混杂纤维，沿芯棒轴向恒张力平行排列。本层支撑芯棒辅助力学性能，并赋予芯棒小于40倍芯棒直径的卷绕成圈性能；能有效阻挡热氧的扩散侵入从而保护承力层不受破坏。

所述缠绕层3的材料为无碱、无硼、耐酸的高强玻璃纤维、非配方组分玄武岩纤维、陶瓷纤维、混杂纤维或纤维束预编制成织物或带状织物。本层作用为增加芯棒表面摩擦力、防止芯棒发生纵向劈裂。

所述承力层1、增韧层2和缠绕层3的横截面占比：承力层1为45-70％，增韧层2为25-55％，缠绕层3为0.02-8％；承力层1、增韧层2和缠绕层3的结构间无可分圆界面。

所述的承力层1、增韧层2和缠绕层3采用拉缠或拉挤工艺一次固化成型。

所述缠绕层3的纤维方向与芯棒轴线夹角θ为：0°≤θ≤90°。

所述缠绕层3的厚度为0.01-5mm，缠绕密度：1-200根/mm。

所述芯棒的拉伸强度为2100-2900MPa，拉伸模量为100-150GPa。

所述的树脂基体为高增韧双马树脂。由于其分子结构中含有酰亚胺环和稠环结构，故其初始热分解温度在300℃以上，耐热性远高于通常选用的环氧树脂体系，它的DMA法玻璃化温度(储能模量)Tg值大于215℃，拉伸强度65MPa,模量3.2GPa，断裂伸长率大于3％，具有非常好的韧性指标，且加工的工艺性好。芯棒卷绕成圈性能小于的40倍芯棒直径，该性能指标大幅度高于国内外出现的55倍芯棒直径水平。因通常当树脂基体的Tg高于150℃时，复合材料的脆性会快速增加。而优选高增韧高性能双马树脂作为基体，则完全不同，而且其耐热老化性优越。芯棒在200℃环境下1000小时加速热老化试验后，失重小于10％，表明抗热老化性能非常好。满足了三层功能结构芯棒的压缩强度高、韧性高，耐老化性好和防劈裂的技术特征要求。

如图2所示为本发明加工方法示意图。

加工方法一，包括下列步骤：

按照Φ9mm规格设计计算书的要求，在可调匀张力的筒子架11上，分层分列安装摆放12K高强碳纤维筒和高强玻璃纤维筒，碳纤维和玻璃纤维的tex(特克斯)数、筒子数量、比例符合计算值。

12K碳纤维50筒+800tex玻璃纤维60筒。

逐筒引丝通过筒子架11上的导丝孔，呈分层排列，穿入格栅12，穿过烘炉13。

片丝呈单层分区，通过高增韧双马树脂胶槽14，充分浸润树脂。

在缠绕装置15上经过浸润相同树脂的缠绕丝，分左旋和右旋，按照规定的螺旋角度、密度，均匀缠绕在确层的预成型芯的外层。

将经缠绕后的浸胶束Φ9mm成型模具16，三区温度为：160℃+180℃+230℃。

成杆的芯棒引入高温炉17，在250℃下进一步固化。

在履带牵引机18的牵引下，按照0.5-1m/min的速度，拉拔引出Φ9mm三层结构的芯棒。

在可控张力下均匀排布卷绕在收卷轮19上。获得最终成品。

据该方法制造的新型架空导线用碳纤维复合材料芯棒，达到了非常高的性能指标：抗拉强度≥2600MPa，拉伸模量≥130GPa，DMA损耗因子Tg≥230℃，热膨胀系数＜1.2×10-6，卷绕小于40d不裂不断,170d扭转500°不劈不裂，径向耐压≥45KN。

该成品在导线绞线工序进一步加工，在新型架空导线用碳纤维复合材料芯棒外层绞合瓦型、或ZS型、或圆形截面软铝或耐热铝合金铝铝股，便制成用于输变电工程的输送电流的碳纤维复合材料芯导线。

加工方法二，包括下列步骤：

按照Φ6mm规格设计计算书的要求，在可调匀张力筒子架11上，分层分列安装摆放12K高强碳纤维筒和高强玻璃纤维筒，碳纤维和玻璃纤维的tex数、筒子数量、比例符合计算值。

12K碳纤维25筒+800tex玻璃纤维25筒。

逐筒引丝通过筒子架11上的导丝孔，呈分层排列，穿入格栅12，穿过烘炉13。

片丝呈单层分区，通过高增韧双马树脂胶槽14高Tg热塑性树脂胶槽，充分浸润树脂。

在缠绕装置15上经过浸润相同树脂的包缠层织物，分左旋和右旋，按照规定的螺旋角度、密度，均匀缠绕在确层的预成型芯的外层。

将经缠绕后的浸胶束Φ6mm成型模具16，温度为：260℃。

成杆的芯棒引入高温炉17风冷固化。

在履带牵引机18的牵引下，按照0.5-1m/min的速度，拉拔引出Φ6mm三层结构的芯棒。

在可控张力下均匀排布卷绕在收卷轮19上，获得最终成品。

据该方法制造的新型架空导线用碳纤维复合材料芯棒，性能指标也很优异：抗拉强度≥2550MPa，拉伸模量≥120GPa，DMA损耗因子Tg≥225℃，热膨胀系数＜1.6×10-6，卷绕小于39d不裂不断,170d扭转530°不劈不裂，径向耐压≥42KN。

该成品在导线绞线工序进一步加工，在新型架空导线用碳纤维复合材料芯棒外层绞合瓦型、或ZS型、或圆形截面软铝或耐热铝合金铝铝股，便制成用于输变电工程的输送电流的碳纤维复合材料芯导线。