[发明专利]一种纤维增强复合材料芯及其制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及高强纤维增强复合材料技术，具体而言，是一种纤维增强复合材料芯及其制备方法。

(二)背景技术

碳纤维复合铝芯绞线是一种新一代的电力电缆，其结构由轻型的纤维增强树脂基复合材料芯、外层缠绕高性能的梯形铝绞线组成。由于纤维增强树脂基复合材料芯具有轻质、高强、耐高温、热膨胀系数低等优点，由其制备的输送电缆可以在提高同条电力线路输送容量的同进又能利用已有铁塔，不增加线路走廊用地。这对探索我国电网改造，提高原有线路利用率的途径，构建安全、环保、高效节能、节约型输电网络具有重要的意义。碳纤维复合铝绞线是由轻型的碳纤维复合材料芯、外层缠绕高性能的梯形铝绞线组成。碳纤维复合材料芯是复合铝绞线的承载单元，其性能决定了铝绞线的制备、运输、应用、性能及其安全性等各个方面。碳纤维复合材料芯结构的中心层为碳纤维束与高温环氧树脂浸渍；外层由玻璃纤维(或其它非导电纤维，如Kevlar、芳纶纤维、玄武岩纤维等)束或布与同样的高性能环氧树脂浸渍，利用拉挤工艺，树脂固化，成型碳纤维复合材料芯。碳纤维复合材料芯线的外层结构是避免碳纤维复合材料与导电铝结构接触，形成电弧等损失。

上述碳纤维复合铝绞线已经在电力部门得以推广与应用，如福建龙岩电业局在220kV曹园线改造中首次使用该导线，随后，江苏省常州供电公司、无锡供电公司在老线路增容改造中相继应用该导线，并获得较好的社会与经济效益。尽管如此，碳纤维复合铝绞线的推广与应用，特别是在主干线路推广应用遇到极大的技术难题，即上述碳纤维复合材料芯性脆，易折断，在制备、运输、按装过程中产生的微小损伤(如表面微小裂纹)，在输电过程中，芯线将收到高温、动静应力等作用下，将导致铝绞线断裂，输电中断。我国在近期发生多起碳纤维铝绞线断裂状况，并带来了极大的经济与社会问题。因此，在保证现有碳纤维复合芯高力学性能(沿纤维方向)、高热性能、低热膨胀率的基础上，提高其横向抗剪性能、耐疲劳性能，这将大幅度促进碳纤维复合铝绞线的可靠性与安全性，从而在输电行业得以进一步推广与应用。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维增强复合材料芯及其制备方法。

本发明的目的是这样实现的：本发明纤维增强复合材料芯是由内部结构和外层绝缘结构组成的，内部结构由3～40根平行或螺旋扭转的纤维增强耐高温树脂基细杆粘结而成，外层绝缘结构为耐高温不导电树脂涂层或耐高温、非导电纤维增强树脂层，其厚度为导线芯直径的10～40％，并且沿周长厚度均匀。

本发明纤维增强复合材料芯的制备方法，步骤如下：

步骤一：纤维增强耐高温树脂基细杆的制备：

纤维增强耐高温树脂基细杆是由连续纤维束与耐高温树脂经拉挤工艺制备的：

(1)选用连续碳纤维束或芳纶纤维束或超高分子量聚乙烯纤维束作为连续纤维束，选用玻璃化温度在100～250℃之间的环氧树脂或乙烯基聚酯作为耐高温树脂；

(2)利用拉挤机拉挤成型：拉挤机包括纱架、浸渍槽、圆形高温口模、后固化炉及牵拉装置，纤维辊固定在纱架上；耐高温树脂置于浸渍槽内，在牵拉装置以10～180cm/min拉挤速率的牵引作用下，连续纤维束从纱架褪下，进入浸渍槽内，并被耐高温树脂充分浸渍，然后通过圆形高温口模，固化成型，进一步通过后固化炉，进行后固化，形成连续纤维增强耐高温树脂基细杆；通过控制连续纤维束用量与拉挤口模直径，调节纤维增强耐高温树脂基细杆的直径在0.5-2mm之间，制备的纤维增强耐高温树脂基细杆缠绕在辊筒上；

步骤二：选用3～40根纤维增强耐高温树脂基细杆，使其通过注入胶黏剂的楔形口模，粘合成细棒状，并进一步通过注入高性能树脂的圆形口模，使细棒表面均匀涂覆高性能树脂涂层；或通过导轨直接均匀包覆高性能树脂浸渍的玻璃纤维布或芳纶纤维布或玄武岩纤维布，或高性能树脂浸渍的玻璃纤维束或芳纶纤维束或玄武岩纤维束，最后通过高温口模，固化成型为纤维增强复合材料芯；具体过程如下：

利用粗砂纸或喷砂工艺对纤维增强耐高温树脂基细杆进行连续机械打磨，丙酮清洗，并晾干；

3～40根处理后的纤维增强耐高温树脂基细杆完全平行或小角度扭转0～10度状态下，通过一楔形口模；

楔形口模的入口口径大，出口口径小，在楔形口入口区域开有胶黏剂注入口；

将耐高温环氧树脂作为胶黏剂，连续注入到楔形口模入口区域；为增加其模量与固化前粘度，可以添加1～5％的气相二氧化硅粉料；