本发明属于电缆领域，特别涉及一种用于电缆的碳纤维复合芯及其制造方法。
背景技术：
目前，随着我国经济的快速发展，电力需求不断增长，部分地区用电负荷快速增长，输电线路不堪承受传输容量快速扩容的需求，过负荷造成的停电、断电故障频频发生，电力传输已成为电力工业发展的“瓶颈”。电缆作为电能传输的载体其需求量越来越大，由此对电缆本身的要求也随之提高。传统的电缆导线多是采用钢芯铝绞线或钢芯铝合金导线，铝导体输送电，钢芯承载传递的负荷，但是这些导线重量大、电阻大，从而导致输电费用高，且运行温度低，不能适应在高温条件下的运行。为了克服上述缺陷，近十年来，国内外研发了以碳纤维增强环氧树脂基复合材料代替钢芯的新型碳纤维复合芯导线，具有输送容量大、低线损、重量轻、强度高与环境亲和等显著优点，获得输变电系统的广泛青睐和认可。目前，工程应用的是两种典型的碳纤维复合芯。一种复合芯线由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的单根芯棒；另一种复合芯由碳纤维和热硬化树脂构成。碳纤维复合芯主要的制造工艺为拉挤工艺。通过牵引，碳纤维在树脂基体中浸渍预制成型后，在模具中加热产生交联反应，树脂从四周向中心收缩固化，冷却后由收线机收卷。在拉挤工艺中，碳纤维在树脂中的浸渍和在模具发生的交联反应对复合芯棒的组织和性能都会产生很大的影响。碳纤维复合芯的微观组织决定了芯棒的韧性、拉伸强度和弯曲强度等力学性能。此外，在拉挤工艺中，基体树脂主要采用耐热性好的多官能团环氧树脂，要求树脂固化后具有良好的韧性，断裂延伸率大于2.5%，以便与中模量高强度碳纤维复合时使纤维强度得到充分发挥；树脂浇铸体的tg必须大于190℃(dma法)，环氧树脂体系室温下的粘度≤1000mpa·s。为了改善碳纤维复合芯的性能，人们进行了种种努力。中国专利申请cn101572132a公开了一种输电线路导线的玻璃纤维与碳纤维复合芯，采用热塑性工艺将pe涂覆在玻璃纤维和热固性树脂复合而成的内包裹碳纤维加强芯的杆体上，其直径为8mm～25mm；碳纤维复合芯直径为6mm～20mm；工艺熟化区域200±10℃和定型区域140±10℃；由碳纤维50％～55％、玻璃纤维10％～15％、树脂及辅助材料30％～40％组成。较大程度上克服玻璃纤维光缆加强芯弯曲半径大、质量较重的缺点，而且具有更高的拉伸强度，是玻璃纤维加强芯良好的替代产品。然而，碳纤维复合芯的断裂延伸特性仍然不能令人满意。中国专利申请cn102977552a公开了一种纤维增强树脂基复合材料，由树脂材料和纤维增强材料制成，按体积分数计：所述树脂材料为20-50％，纤维增强材料为50-80％；其特征在于按体积分数计：所述树脂材料包括：热固性树脂100份、固化剂50-200份、促进剂1-20份、脱模剂1-20份、填料1-10份；所述纤维增强材料为拉伸强度≥3500mpa的玻璃纤维；所述固化剂任意选自邻苯二甲酸酐、四氢邻苯二甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐、甲基四氢邻苯二甲酸酐、甲基六氢邻苯二甲酸酐、均苯四甲酸酐、苯酮四酸二酐、甲基环已烯四酸二酐、二苯醚四酸二酐、乙二胺、二亚乙基三胺、三亚乙基四胺、四亚乙基五胺、己二胺或间苯二甲胺中的一种或几种。该纤维增强树脂基复合材料内部结构更加均一，避免了因碳纤维和玻璃纤维共同存在照成的局部分层现象，降低了复合材料内部缺陷的产生，提高了输电线路安全可靠性。然而，当使用胺类固化剂时，环氧树脂体系的粘度较高，同时固化速度较快，难以适应拉挤工艺的要求。此外，碳纤维复合芯的拉伸强度等力学性能仍然不能令人满意。因此，迫切需要对现有碳纤维复合芯的上述缺陷作出改进。技术实现要素：本发明的一个目的是提供一种用于电缆的碳纤维复合芯，该复合芯能够用于作为承载元件的任意一种电缆导线。为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种用于电缆的碳纤维复合芯，原料包括碳纤维、玻璃纤维和环氧树脂体系，并且通过拉挤成型工艺得到；按照体积含量计算，所述环氧树脂体系为22-32%；所述碳纤维与玻璃纤维的体积比为1.6-2.4。有利地，所述环氧树脂体系为24-30%；所述碳纤维与玻璃纤维的体积比为1.7-2.3。优选地，所述环氧树脂体系为26-28%；所述碳纤维与玻璃纤维的体积比为1.8-2.2。在一个具体的实施方式中，所述环氧树脂体系为27%；所述碳纤维与玻璃纤维的体积比为2.0。根据本发明前述的碳纤维复合芯，其中，所述碳纤维选自t300、t700s、t800h和t1000g的任意一种。进一步地，基于韧性和耐冲击性能以及成本综合考虑，优选，所述碳纤维选自t300、t700s和t800h；最优选，所述碳纤维选自t700s和t800h。在一个具体的实施方式中，所述碳纤维选自t700s；其密度为1.80g/ml，拉伸强度为4900mpa，拉伸模量为230gpa，断裂延伸率为2.1%。购自日本东丽株式会社，由聚丙烯腈纤维作为原料碳化而成。根据本发明前述的碳纤维复合芯，其中，所述玻璃纤维选自e-玻璃纤维、e-cr玻璃纤维、s-玻璃纤维、s-1hm玻璃纤维的任意一种。进一步地，基于力学性能和耐热性能以及成本综合考虑，优选，所述玻璃纤维选自e-玻璃纤维、e-cr玻璃纤维和s-玻璃纤维；最优选，所述玻璃纤维选自e-玻璃纤维和e-cr玻璃纤维。在一个具体的实施方式中，所述玻璃纤维选自e-玻璃纤维；其密度为2.55g/ml，拉伸强度为2400mpa，拉伸模量为73gpa，断裂延伸率为2.6%。购自美国欧文斯科宁公司，属于碱金属氧化物含量小于1%的铝硼硅酸盐。根据本发明前述的碳纤维复合芯，其中，所述环氧树脂体系包括环氧树脂、固化剂、增韧剂和内脱模剂，重量比为100：(120-160)：(2-10)：(1-5)。进一步地，所述环氧树脂体系包括环氧树脂、固化剂、增韧剂和内脱模剂，重量比为100：(125-155)：(3-8)：(1-4)。优选地，所述环氧树脂体系包括环氧树脂、固化剂、增韧剂和内脱模剂，重量比为100：(130-150)：(4-7)：(2-4)。在一个具体的实施方式中，所述环氧树脂体系包括环氧树脂、固化剂、增韧剂和内脱模剂，重量比为100：140：6：3。根据本发明前述的碳纤维复合芯，其中，所述环氧树脂体系仅由环氧树脂、固化剂、增韧剂和内脱模剂组成。根据本发明前述的碳纤维复合芯，其中，所述环氧树脂选自缩水甘油醚型环氧树脂。有利地，所述环氧树脂选自双酚a型环氧树脂，包括但不限于，e-55、e-51、e-44、e-42、e-35或e-31。优选地，所述环氧树脂选自e-55、e-51、e-44或e-42。最优选地，所述环氧树脂选自e-55或e-51。在一个具体的实施方式中，所述环氧树脂选自e-51；其环氧值0.48-0.51mol/100g。购自昆山南亚环氧树脂厂。根据本发明前述的碳纤维复合芯，其中，所述固化剂由以下方法制得：按照1:3的摩尔比称取邻苯二甲酸二甲酯和四乙烯五胺，混合后搅拌均匀，120-140℃下恒温反应1-5h；随后自然冷却至60-80℃，恒温反应2-6h；随后自然冷却至室温，得到所述固化剂。优选地，所述固化剂由以下方法制得：按照1:3的摩尔比称取邻苯二甲酸二甲酯和四乙烯五胺，混合后搅拌均匀，120-135℃下恒温反应1-4h；随后自然冷却至60-75℃，恒温反应2-5h；随后自然冷却至室温，得到所述固化剂。最优选地，所述固化剂由以下方法制得：按照1:3的摩尔比称取邻苯二甲酸二甲酯和四乙烯五胺，混合后搅拌均匀，120-130℃下恒温反应1-3h；随后自然冷却至60-70℃，恒温反应2-4h；随后自然冷却至室温，得到所述固化剂。在一个具体的实施方式中，所述固化剂由以下方法制得：按照1:3的摩尔比称取邻苯二甲酸二甲酯和四乙烯五胺，混合后搅拌均匀，125℃下恒温反应2h；随后自然冷却至60℃，恒温反应3h；随后自然冷却至室温，得到所述固化剂。在本发明中，所述室温表示25-30℃。根据本发明前述的碳纤维复合芯，其中，所述增韧剂选自液体丁腈橡胶。有利地，所述液体丁腈橡胶选自端羧基液体丁腈橡胶(ctbn)、无规羧基液体丁腈橡胶(cbn)、端羟基液体丁腈橡胶(htbn)和端氨基液体丁腈橡胶(atbn)。有利地，所述液体丁腈橡胶选自端羧基液体丁腈橡胶(ctbn)、端羟基液体丁腈橡胶(htbn)和端氨基液体丁腈橡胶(atbn)。优选地，所述液体丁腈橡胶选自端羧基液体丁腈橡胶(ctbn)和端氨基液体丁腈橡胶(atbn)。在一个具体的实施方式中，所述增韧剂选自端羧基液体丁腈橡胶(ctbn)，购自兰州石化公司。根据本发明前述的碳纤维复合芯，其中，所述内脱模剂选自硬脂酸锌、硬脂酸镁和硬脂酸。优选地，所述内脱模剂选自硬脂酸锌和硬脂酸。在一个具体的实施方式中，所述内脱模剂选自硬脂酸，购自国药集团上海化学试剂公司。另一方面，本发明另一目的是提供一种制造根据本发明前述的碳纤维复合芯的方法，包括浸胶、预成型、前固化、后固化和收卷步骤；其中，所述浸胶步骤中采用根据本发明前述的环氧树脂体系作为胶液。根据本发明前述的制造方法，其中，所述浸胶步骤为：将碳纤维、玻璃纤维烘干整理好，开动拉挤机使碳纤维、玻璃纤维通过浸胶槽，充分浸透所述环氧树脂体系的胶液，使其完全包裹碳纤维和玻璃纤维。有利地，所述浸胶槽的温度为50-70℃。优选地，所述浸胶槽的温度为50-60℃。在一个具体的实施方式中，所述浸胶槽的温度为55℃。根据本发明前述的制造方法，其中，所述预成型步骤为：将浸透胶液的纤维通过具有一定界面形状的预成型模具，排出多余的树脂和气泡。有利地，所述预成型模具的温度为90-110℃。优选地，所述预成型模具的温度为100-110℃。在一个具体的实施方式中，所述预成型模具的温度为105℃。根据本发明前述的制造方法，其中，所述前固化为：预成型后的碳纤维和玻璃纤维在前固化模具内逐步升温，经粘流态、凝胶态、玻璃态后成型固化。有利地，所述前固化的三区温度分别为160-180/180-200/180-200℃。优选地，所述前固化模具的三区温度分别为160-170/180-190/190-200℃。在一个具体的实施方式中，所述前固化模具的三区温度分别为165/185/195℃。根据本发明前述的制造方法，其中，所述后固化为：将前固化后的碳纤维和玻璃纤维在后固化模具中完成全部固化过程。有利地，所述后固化模具的温度为210-230℃。优选地，所述后固化模具的温度为220-230℃。在一个具体的实施方式中，所述后固化模具的温度为220℃。根据本发明前述的制造方法，其中，所述收卷步骤为：通过收线机进行制品收卷，通过切割装置切成所需长度的碳纤维复合芯。根据本发明前述的制造方法，其中，所述拉挤机的牵引速率为0.3m/min。发明人发现，与常规固化剂相比，使用本发明特定比例的固化剂和增韧剂，无需进一步加入促进剂，即可满足拉挤工艺的粘度和固化速度；所得碳纤维复合芯同时能够实现较高的拉伸强度以及断裂延伸率。具体实施方式下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所附权利要求书所限定的范围。实施例1将碳纤维、玻璃纤维烘干整理好，开动拉挤机使碳纤维、玻璃纤维通过浸胶槽，充分浸透所述环氧树脂体系的胶液，使其完全包裹碳纤维和玻璃纤维。所述浸胶槽的温度为55℃。所述拉挤机的牵引速率为0.3m/min。所述碳纤维选自t700s，购自日本东丽株式会社。所述玻璃纤维选自e-玻璃纤维，购自美国欧文斯科宁公司。所述环氧树脂体系为27%；所述碳纤维与玻璃纤维的体积比为2.0，二者的体积和为73%。所述环氧树脂体系仅由环氧树脂e-51、固化剂、增韧剂和内脱模剂组成；重量比为100：140：6：3。所述固化剂由以下方法制得：按照1:3的摩尔比称取邻苯二甲酸二甲酯和四乙烯五胺，混合后搅拌均匀，125℃下恒温反应2h；随后自然冷却至60℃，恒温反应3h；随后自然冷却至25℃，得到所述固化剂。所述增韧剂选自端羧基液体丁腈橡胶(ctbn)，购自兰州石化公司。所述内脱模剂选自硬脂酸，购自国药集团上海化学试剂公司。将浸透胶液的纤维通过具有一定界面形状的预成型模具，排出多余的树脂和气泡。所述预成型模具的温度为105℃。预成型后的碳纤维和玻璃纤维在前固化模具内逐步升温，经粘流态、凝胶态、玻璃态后成型固化。所述前固化模具的三区温度分别为165/185/195℃。将前固化后的碳纤维和玻璃纤维在后固化模具中完成全部固化过程。所述后固化模具的温度为220℃。最后，通过收线机进行制品收卷，通过切割装置切成所需长度的碳纤维复合芯。实施例2将碳纤维、玻璃纤维烘干整理好，开动拉挤机使碳纤维、玻璃纤维通过浸胶槽，充分浸透所述环氧树脂体系的胶液，使其完全包裹碳纤维和玻璃纤维。所述浸胶槽的温度为60℃。所述拉挤机的牵引速率为0.3m/min。所述碳纤维选自t700s，购自日本东丽株式会社。所述玻璃纤维选自e-玻璃纤维，购自美国欧文斯科宁公司。所述环氧树脂体系为28%；所述碳纤维与玻璃纤维的体积比为2.2，二者的体积和为72%。所述环氧树脂体系仅由环氧树脂e-51、固化剂、增韧剂和内脱模剂组成；重量比为100：150：4：2。所述固化剂由以下方法制得：按照1:3的摩尔比称取邻苯二甲酸二甲酯和四乙烯五胺，混合后搅拌均匀，125℃下恒温反应2h；随后自然冷却至60℃，恒温反应3h；随后自然冷却至25℃，得到所述固化剂。所述增韧剂选自端羧基液体丁腈橡胶(ctbn)，购自兰州石化公司。所述内脱模剂选自硬脂酸，购自国药集团上海化学试剂公司。将浸透胶液的纤维通过具有一定界面形状的预成型模具，排出多余的树脂和气泡。所述预成型模具的温度为110℃。预成型后的碳纤维和玻璃纤维在前固化模具内逐步升温，经粘流态、凝胶态、玻璃态后成型固化。所述前固化模具的三区温度分别为170/180/190℃。将前固化后的碳纤维和玻璃纤维在后固化模具中完成全部固化过程。所述后固化模具的温度为225℃。最后，通过收线机进行制品收卷，通过切割装置切成所需长度的碳纤维复合芯。实施例3将碳纤维、玻璃纤维烘干整理好，开动拉挤机使碳纤维、玻璃纤维通过浸胶槽，充分浸透所述环氧树脂体系的胶液，使其完全包裹碳纤维和玻璃纤维。所述浸胶槽的温度为50℃。所述拉挤机的牵引速率为0.3m/min。所述碳纤维选自t700s，购自日本东丽株式会社。所述玻璃纤维选自e-玻璃纤维，购自美国欧文斯科宁公司。所述环氧树脂体系为26%；所述碳纤维与玻璃纤维的体积比为1.8，二者的体积和为72%。所述环氧树脂体系仅由环氧树脂e-51、固化剂、增韧剂和内脱模剂组成；重量比为100：130：7：4。所述固化剂由以下方法制得：按照1:3的摩尔比称取邻苯二甲酸二甲酯和四乙烯五胺，混合后搅拌均匀，125℃下恒温反应2h；随后自然冷却至60℃，恒温反应3h；随后自然冷却至25℃，得到所述固化剂。所述增韧剂选自端羧基液体丁腈橡胶(ctbn)，购自兰州石化公司。所述内脱模剂选自硬脂酸，购自国药集团上海化学试剂公司。将浸透胶液的纤维通过具有一定界面形状的预成型模具，排出多余的树脂和气泡。所述预成型模具的温度为100℃。预成型后的碳纤维和玻璃纤维在前固化模具内逐步升温，经粘流态、凝胶态、玻璃态后成型固化。所述前固化模具的三区温度分别为160/190/200℃。将前固化后的碳纤维和玻璃纤维在后固化模具中完成全部固化过程。所述后固化模具的温度为230℃。最后，通过收线机进行制品收卷，通过切割装置切成所需长度的碳纤维复合芯。比较例1将固化剂替换为等量的邻苯二甲酸酐，其余同实施例1。比较例2将固化剂替换为等量的四乙烯五胺，其余同实施例1。性能测试为了比较实施例1-3和比较例1-2的性能，按照gb/t22314-2008测试各个实施例中原料环氧树脂体系的室温粘度（25℃），然后按照gb/t2567-2008标准测试各个实施例中碳纤维复合芯的拉伸强度以及断裂延伸率。结果参见表1。表1实施例1实施例2实施例3比较例1比较例2室温粘度/mpa·s86382683514512460拉伸强度/mpa26202850259021301470断裂伸长率/%5.25.54.82.61.7由表1可以看出，与比较例1的固化剂相比，使用本发明特定比例的固化剂和增韧剂，无需进一步加入促进剂，即可满足拉挤工艺所要求的粘度（≤1000mpa·s）和固化速度（固化时间在2-10h）；所得碳纤维复合芯同时能够实现较高的拉伸强度以及断裂延伸率（≥2.5%）。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12