1、復合材料電纜1 復合材料電纜芯的研究背景20世紀90年代日本開發了復合材料合成芯導線，產品分為碳纖維芯鋁絞線（ACFR）和碳纖維芯耐熱鋁合金絞線（TACFR）兩種，前者在實際線路試驗了四年多。復合材料線主要由碳纖維和熱硬化性樹脂構成。用12000根直徑為7u的PAN系碳纖維涂上未硬化的熱硬化性樹脂絞在一起，在纏上有機纖維形成一根股線，然后用7根股線絞成合成絞線、再經過最后的熱處理使樹脂完全硬化，最后形成復合材料芯線。試驗證明，這種新型復合材料芯導線的抗拉強度遠遠超過了鋼芯鋁絞線（ACSR），在常溫下的應力-伸長特性呈現彈性體，沒有塑性變形，破斷時的伸長量比鋼絞線小，約為1.6%，耐熱性基本與A

2、CSR相同1。美國新型復合材料合成芯導線開發研究較為成功的是CTC公司，2003年該公司又推車了型號為ACCC的復合材料合成芯導線-碳纖維復合芯絞線。它的新鮮是由碳纖維為中心層和玻璃纖維包覆制成的單根芯棒，碳纖維采用聚酰胺耐火處理、碳化而成；高強度、高韌性配方的環氧樹脂具有很強的耐沖擊性、耐抗拉應力和彎曲應力。將碳纖維與玻璃纖維進行預拉伸后，在環氧樹脂浸漬，然后在高溫模子中固化成型為復合材料芯線。芯線外層與鄰外層為梯形截面鋁線股。導線已完成常規的型式試驗，具有良好的機械特性和電學特性1。與鋼芯鋁絞線類似，ACCC導線中電能傳輸主要依靠導體部分鋁單線完成，碳纖維復合芯主要承擔導線自身重量以及風力

3、、導線應力等機械力2。由于外層軟鋁線的線膨脹系數( 23×10- 6/ °C ) 超出碳纖維復合芯的線膨脹系數( 1. 6×10- 6/ °C)的14. 4倍, 導線表面溫度達到150 °C及以上情況下, 軟鋁線由于熱膨脹伸長量很大, 基本上不承受拉力, 所有的拉力均由碳纖維復合芯承擔3。1.1 碳纖維復合芯電纜的優點碳纖維復合芯電纜與傳統的鋼芯鋁絞電纜相比較具有以下優點2:( 1)重量輕: 碳纖維復合芯的密度約為1.90g / cm3,鋼的密度為7.8g / cm3。前者是后者的1/ 4。因此, 架空電纜的桿塔跨距可增長, 減少塔桿數約為16

4、%左右,同時減少占地面積。( 2 ) 強度高, 破斷力大。ACCC 的拉伸強度約2399M Pa,是普通鋼絲的1.97倍,是高強度鋼的1.7倍。試驗表明,破斷力提高了30%。ACCC強度高,承載外力主要由碳纖維復合芯來承擔,鋁絞線幾乎不受拉力, 可提高使用壽命。( 3) 導電率高, 載流量大。相同直徑ACCC中的鋁線截面積是常規ACSR的1.29 倍, 載流量提高29%左右。這是基于以下幾個原因:碳纖維復合芯強度高于鋼芯, 因而芯棒直徑比鋼芯細, 容納鋁線多, 導電截面積大; ACCC的鋁線為梯形截面,而ACSR為圓形截面, 前者易緊湊密排; ACCC外層鋁線可采用導電率為63%的JACS軟鋁

5、線, 與硬鋁線61%的IACS相比,導電率可提高3.3%。( 4) 線路損耗小。碳纖維復合材料是一種非磁性材料, 當導線通過交流電時不會產生磁滯損耗和渦流損耗,呈現出更小的交流電阻。一般來說,可減少輸電損耗 6%左右。同時由于ACCC采用梯形鋁線, 使其外表比ACSR的圓形鋁線更加光滑,提高了表面粗糙系數, 從而提高了導線的電暈起始電壓,減少了電暈損失。( 5) 耐腐蝕, 使用壽命長。碳纖維復合芯棒避免了鋼芯在通電時鋁線與鍍鋅鋼絲之間的電化學腐蝕, 使鋁導線長期使用而耐老化。同時,碳纖維芯棒外層為絕緣的玻璃纖維層, 有的還在玻璃纖維層外圍包覆聚四氟乙烯層或噴涂絕緣物質,使芯棒與鋁線完全絕緣,兩

6、者之間不存在接觸電位差, 使鋁導線免受電腐蝕(參看圖 2)。圖2 碳纖維復合芯鋁絞電纜的截面結構圖( 6) 線膨脹系數小,弛度小。ACCC的線膨脹系數為1.6×10- 6/ °C左右, ACSR為11. 5 ×10- 6/ °C ,兩者相差甚遠。條件試驗表明,當溫度由26 1°C上升到186°C 時, ACSR 導線的弛度從236mm 增加到1422mm, 增加5倍左右, 而ACCC 導線僅從198mm 增加到312mm, 僅增加0 .57倍。顯然, ACCC 的弛度變化僅為 ACSR 的9.6%。這表明, ACCC電纜可適應晝夜溫差

7、、冬夏溫差的變化環境, 是一種安全型的高端產品。（7）便于導線展放和施工5。ACCC導線的外層導電線路部分與常規ACSR導線有相同直徑和螺旋狀結構，放線安裝完全可按安裝常規的方法進行，現有的桿、塔等構件不必改造。導線的剖視圖當然ACCC導線也存在缺點。例如：因ACCC導線采用高溫退火純鋁錐梯形排列，鋁十分松軟，故應采用各種措施嚴防鋁線起股和磨損。復合芯易折斷，在施工和實驗時，裸露復合芯稍不注意就會折斷，故在牽引過程中應平穩緩慢，減少沖擊力。目前，ACCC導線價格約是普通鋼芯鋁絞線的45倍，價格過高也在部分程度上影響了該項技術的推廣應用。2 碳纖維復合芯梯形軟鋁導線的研制碳纖維復合芯梯形軟鋁導線

8、的研制包括碳纖維復合芯的研制、梯形軟鋁單絲拉制和導線絞制3個方面6。2 . 1 碳纖維復合芯的研制6復合芯的性能首先由樹脂基體配方決定, 不同的配方會導致復合芯的性能不盡相同。生產碳纖維復合芯的關鍵技術有樹脂體系適用期研究、體系粘度樹脂的溫度-放熱特性、耐熱性能、樹脂體系澆注體性能和樹脂的溫度-放熱特性等。 采用國產常熟環氧樹脂和美國亨斯邁環氧樹脂進行研究,結合理論進行正交試驗優化選型,采用逐步淘汰的方法進行配方優化,結合設備試制的工藝性能匹配, 最終分別確定國產配方和進口配方最佳成型工藝,解決了限制復合芯研制的瓶頸問題。樹脂的溫度-放熱特性是生產碳纖維復合芯的關鍵技術之一,為了控制樹脂固化速

9、度,對固化過程的溫度控制 (包括升溫、保溫和降溫)進行分析, 便可制定出較理想的基本工藝參數。圖3為國產樹脂配方和國外樹脂配方的差示掃描量熱法( DSC )曲線圖。3根據DSC曲線放熱溫度分析,確定國產樹脂配方的拉擠固化溫度區間為130 170 °C , 國外樹脂配方的拉擠固化溫度區間為170 200 °C。結合實際生產操作過程, 以上溫區確定準確有效, 工藝性能良好。核心技術是芯棒的制造, 關鍵材料是高溫韌性環氧樹脂。在碳纖維復合芯棒中,碳纖維占 35%, 玻璃纖維占35%,高溫韌性環氧樹脂占30%。所用碳纖維的拉伸強度高和斷裂伸長大,例如采用日本東麗公司生產的T700S

10、; 玻璃纖維采用耐堿的E型, 即E-GF。T700S 和E-GF 的性能列于表1。用韌性環氧樹脂可制得具有耐沖擊性的韌性芯棒4。由表1列出的數據可知, E- GF的斷裂伸長值大于T700S, 因而為所制芯棒提供韌性和耐沖擊性能。同時, E-GF的價格低于T700S, 可降低生產成本。E-GF為絕緣體, 為芯棒提供絕緣層。所用環氧樹脂為高溫型的韌性樹脂。這是制造復合芯棒的又一技術核心。這種樹脂固化溫度高達260°C( 500 ) , 一般環氧樹脂 648或AG80 的固化溫度都低于此值。換言之,這種高溫固化型環氧樹脂具有特殊的耐熱結構。此外,還需要增韌改性, 使所制芯棒具有韌性, 而不

11、是硬棒。否則不會通過放線滑輪試驗4。2. 2 梯形軟鋁單絲拉制6梯形軟鋁單絲生產工序為連鑄連軋機拉制鋁桿、拉絲機拉制鋁單絲、時效爐退火, 其關鍵技術如下。( 1)鋁單絲原材料控制。( 2)鋁單絲拉制。( 3)鋁單絲退火。2 . 3 梯形軟鋁導線絞制6碳纖維梯形軟鋁絞線的絞制與普通導線相比,不同之處主要在于防止梯形軟鋁線擦傷和防梯形線翻身工藝, 這是由梯形軟鋁單絲的自身形狀和強度較低特點決定的。為防止鋁線擦傷,在異型單絲穿過的地方采用特制尼龍線嘴和尼龍線輪進行保護。為了防止梯形線翻身,采用特殊的成型裝置來實現，特殊成型裝置的直徑比普通導線成型裝置大。3、ACCC導線的拉擠成型技術碳纖維復合芯鋁絞

12、電纜主要采用連續拉擠法，但制造碳纖維復合芯棒具有一定的特殊性。下表列出了 ACCC 導線的技術參數, 以供制造和使用時參考4。3.1拉擠成型工藝原理和工藝流程拉擠成型工藝的基本原理是連續纖維在外力牽引下經過樹脂浸漬，在成型模具內加熱固化成型，拉出模具，生產出連續的線型制品。拉擠成型工藝與其它成型工藝的區別在于外力拉拔和擠壓模塑。拉擠成型工藝流程如圖1.1所示7。拉擠成型重要的工藝參數包括溫度、壓力、拉擠速度、牽引力和樹脂固化反應等。拉擠成型的工作流程是在牽引機的拉力下, 連續的碳纖維在樹脂基體中浸漬,預成型后通過加熱的模具,熱量傳遞至液態的樹脂/碳纖維復合體系,交聯反應開始發生,樹脂從復合材料

13、的周邊向中心固化。樹脂固化后體積收縮,使得復合材料與模具分開,經過脫模、后固化、冷卻等流程, 最終由收線機進行收卷8。復合芯性能的影響因素有纖維體積含量、纖維和樹脂的界面性能、拉擠樹脂體系在模具內的非穩態溫度場以及模具的工況等。其中拉擠樹脂體系在模具內的溫度控制是拉擠成型工藝成敗的關鍵8。非穩態溫度場研究拉擠樹脂體系在加熱模具中的溫度和固化度會嚴重影響制品的性能。拉擠成型工藝中, 拉擠樹脂體系在模具內移動伴隨復雜的固化反應和相變過程,使得溫度在拉擠樹脂體系內的傳導變得很復雜。同時溫度與固化度存在強烈的耦合作用8。拉擠模具分為三個區:區為預熱區, 一般在120°C左右, 為下一階段的固

14、化反應做準備, 同時液壓的提高也便于熱量向內傳遞; 區為凝膠區,樹脂發生固化反應并產生相變, 從粘稠態轉變成為凝膠態;區為恒溫區, 可防止溫度驟變導致復合材料產生裂紋。如圖 2所示8。圖2 模具分區示意圖在接近模具出口處, 表面沾有脫模劑的制品會從模具表面脫離下來。如果材料內外溫差或出口處的溫度梯度太大, 會導致固化不均勻而產生裂紋8。因此拉擠成型工藝必須選擇合適的模內溫度, 設定合適的預熱溫度和牽引速度, 以獲得最佳固化溫度和固化時間,將內應變控制在一定范圍內,保證材料性能,宏觀上不產生裂紋9。若預熱區溫度太高，凝膠點前移，脫離點離模具末端太遠，隨著牽引力增加，發生局部粘模，拉擠過程中掉沫嚴

15、重，導致產品表面粗糙；若溫度太低，預熱不充分，造成脫模困難，隨著牽引力增大，發生堵模，工藝失敗。凝膠區若溫度太高，加上環氧樹脂凝膠時放出的熱量可能導致復合材料裂解而性能降低； 若溫度太低，凝膠時間長，粘模使牽引力增加，產品表面也不光滑。固化區溫度也應適中，太低固化不完全，太高可能引起產品裂解， 均能使產品性能降低。在拉擠過程中， 樹脂傳熱速度相對較慢，工藝控制溫度需要進一步修正9。拉擠速度不僅影響生產率和材料性能，而且是拉擠工藝成敗的關鍵參數之一。它須同模具溫度協調一致，在拉擠溫度一定下，拉擠速度也有最佳值8。纖維體積含量對復合芯性能的影響9資料顯示，碳纖維增強復合材料的彎曲強度和彎曲模量隨碳

16、纖維含量的增加而增加。碳纖維在基體中分布均勻，纖維同基體有良好的粘結性，碳纖維的高強度和高模量才會在復合材料中發揮作用。在熱變形方面， 纖維增強材料有一個共同特點，即少量的纖維可使復合材料的熱變形溫度很快接近基體的熔點。在材料硬度方面，當碳纖維含量較少時，復合材料的硬度提高不多，此時主要是基體承載負荷；當纖維體積的比例超過一定量時，載荷主要由纖維承擔。 纖維和樹脂的界面性能9一般而言，無機纖維（如碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、氮化硅纖維）與聚合物基體之間的親和性都較差，復合時容易在界面上形成空隙和缺陷，增強相與基體材料之間難以形成有效的粘結。對于聚合物基復合材料，纖維的表面改性就是竭力促使纖維表面

17、發生化學反應，提高纖維與聚合物基體間的粘合性能，從而最大限度地發揮纖維增強復合材料力學性能的能力。利用物理和化學2種方法對所用碳纖維和玻璃纖維進行處理， 可以有效地改善纖維與樹脂的潤濕性和界面結合性。美國CTC的產品及纖維表面處理前后對比如圖2所示。圖2 材料斷面的SEM照片3.2 拉擠工藝對復合芯力學性能的影響10將樹脂（耐高溫改性環氧樹脂）、固化劑（液體酸酐）、助劑等按一定比例混合，攪拌均勻，進行真空脫泡后倒入樹脂浸漬槽，將含有不同比例混雜的玄武巖纖維和碳纖維放入浸漬槽浸漬樹脂，然后進入模具連續固化成型。其中在纖維芯棒內層纖維為混雜的碳纖維和玄武巖纖維，外層主要為玄武巖纖維;加熱模具的溫度

18、控制分3個區段，分別為145 、160 、145 ，模具長度100 cm，拉擠速度為0. 1 0. 5 m/min拉擠成型工藝過程。混雜纖維復合加強芯的彎曲強度和彎曲模量試驗是按 GB /T 13096 2008，在材料萬能試驗機上測量;熱膨脹系數則采用熱膨脹儀進行測量。結果如下：(1) 隨著纖維體積含量的增加混雜纖維復合芯的彎曲強度和彎曲模量均增加， 而且近乎成線性關系，通過提高纖維含量和采用高強度纖維，可進一步提高纖維復合芯的力學強度;(2) 隨著拉擠速度的上升，混雜纖維復合芯的彎曲強度和彎曲模量均有下降，當拉擠速度超過一定臨界值后彎曲強度和彎曲模量下降速度加快，因此在復合芯的制備中應嚴格

19、控制拉擠速度;(3) 對混雜纖維復合芯進行了150 1000h的熱老化實驗，其彎曲強度并未隨著老化時間的增加而下降，相反在老化時間為1000 h時彎曲強度達到更高值;(4) 在溫度范圍23 100 時混雜纖維復合芯的熱膨脹系數僅為0. 3302×10 6/，在降低線路弧垂方面作用尤為顯著。3.3 拉擠成型過程出現的缺陷及原因拉擠成型過程中出現的缺陷及產生的原因如下表所示8。3 .4 芯棒裂紋及竹節產生的原因分析CF高強度、低延伸率，GF低強度、高延伸率，兩者之間的線膨脹系數相差近10倍。ACCC/TW導線的芯棒是以碳纖維為芯材、玻璃纖維為表面材料組合而成的實心夾層復合材料（如圖7所示

20、），兩者組合后碳纖維芯棒的線膨脹系數約1.6×10- 6- 111。將 ACCC D rake 1020導線與配套的金具壓接成一組合體試樣,共18組,將各 6組試樣分別按導線呈自然直狀態、呈直線段受張力狀態、呈耐張跳線段狀態進行低壓大電流通流耐高溫熱循環試驗,試樣溫升從150 °C開始按10°C遞增,直至升到200°C12。表 1 ACCC導線經耐高溫熱循環試驗后芯棒表面檢查結果由熱力學原理可知12:當溫度變化所引起物體的膨脹或收縮受到約束時,會在物體內產生應力, 這種由于溫度變化引起的熱變形受到約束而產生的應力,稱為溫度應力或熱應力。ACCC導線的芯棒

21、以碳纖維為芯材,玻璃纖維為表面材料組合而成的實心夾層復合材料,溫度變化時2種材料相互制約, 可見, 碳纖維與玻璃纖維的膨脹系數之差、碳纖維芯與玻璃纖維層的界面粘結力和溫度變化是 ACCC導線的芯棒產生熱應力的必要條件。當 ACCC導線承受高溫熱循環時, 芯棒的膨脹在環向受到了束縛, 產生熱應力。當熱應力隨溫度的升高逐漸增加,將破壞碳纖維芯與玻璃纖維層的界面結合力,造成兩者局部錯位;熱應力超越玻璃纖維材料的界面結合力時,玻璃纖維復合材料內的環氧樹脂、基體和玻璃纖維絲、 增強體的結合力會被破壞,造成芯棒表面出現裂紋現象,且裂紋量和芯棒表層的顏色將隨溫升溫度的增加而增加12。當 ACCC導線試樣呈自

22、然直線狀態溫升時,芯棒的膨脹趨直線方向是自由的; 當 ACCC導線試樣呈直線段受張力狀態溫升時,芯棒的膨脹趨直線方向且受軸拉力牽引。這2種情況芯棒的膨脹均未受到伸展方向的約束。當 ACCC導線呈耐張跳線段狀態時,導線呈弧線,芯棒外側受拉內側受壓, 溫升時受拉側的膨脹無約束,而受壓側的膨脹受到了束縛, 產生熱應力。當熱應力隨溫度的升高逐漸增加, 將破壞碳纖維芯與玻璃纖維層的界面結合力, 造成兩者局部的錯位;熱應力超越玻璃纖維材料屈服應力時, 玻璃纖維復合材料表層原有的彈性變形將轉變為塑性變形,溫度降至常溫后, 芯棒表面就會留下殘余變形-“竹節”現象,且這種殘余變形量將隨溫升溫度、熱循環次數的增加

23、而變大 (如圖4和表4所示 )12。3. 5握力試驗對比研究12 握力試驗值也可視為導線拉斷力值, ACCC Drake 1020導線高溫時及高溫后拉斷力的對比見表 5。從表 5的數據可見,碳纖維復合芯鋁導線的拉斷力隨著導線溫度的升高有所下降,導線經高溫再恢復至常溫后,導線的拉斷力也有所下降。4、具體的幾個制備案例4.1 碳纖維復合芯組合物及碳纖維復合芯的制備方法13由AFG-90高溫環氧樹脂，固化劑，促進劑，碳纖維組成，其中AFG-90高溫環氧樹脂：固化劑：促進劑：碳纖維=100:120-140:1-3:60-80，所述碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維，所述的固化劑為甲基四氫苯酐、甲迪納迪克酸酐，所

24、述的促進劑為2-乙基4-甲基咪唑、二甲胺基甲基、芐基二甲胺。制備方法：A、 碳纖維由紗架經導紗機構，張力控制機構進入偶聯劑噴涂器；B、 纖維張力控制器調節張力，纖維單絲張力為45N-55N；C、 偶聯劑（Y-氨丙基三乙氧基硅烷NH2-CH2-CH2-CH2-Si-COC2H5）噴涂器中裝有高壓噴頭噴涂霧狀KH560溶劑，用95%濃度的乙醇將KH560配制成1%-3%的溶液，噴涂量為0.05cm3/分鐘。纖維經偶聯劑噴涂器進入真空注射預浸裝置浸漬高溫環氧樹脂膠后進入加熱的成型模具中固化成型，其中加熱的成型模具分三區加熱，即預熱區、凝膠區和固化區，三區溫度依次分別為120°C-130&#

25、176;C,160°C-170°C，170°C-190°C；D、 固化后再經烘干筒二次固化，固化溫度控制為進口溫度165°C-175°C，出口溫度140°C-160°C；E、 整個過程由液壓牽引機連續牽引。拉擠速度為9.0cm/分鐘。 另一種碳纖維復合芯的制造14此法制得的復合芯比重1.95g/cm3,線膨脹系數1.6×106（縱向），橫向2.77×106，抗拉強度2597MPa，極限工作溫度250°C，持續工作溫度180°C。1） A組分的制備：取高性能脂環族環氧樹脂6份、

26、酚醛樹脂3份、晶須粉末抱合劑0.5份、輔助材料0.5份，用高速分散機分散即可；2） B組分的制備：取桐油4份，在桐油中加入輔助材料1份，200°C下反應生成桐油樹脂，然后加入高溫酸酐 樹脂5份，用高速分散機分散即可；3） 將A:B兩組份各50%，混合均勻，轉移至上漿斗，備用；4） 將內芯用碳纖維束和外部用復合纖維束退繞，經過烘干箱65-85°C烘干、預熱；5） 纖維束然后穿過上漿斗，被上漿斗的樹脂浸透，浸透后的纖維束導線器、集紗器集中；6） 將纖維束加熱到65-150°C，使纖維束上的樹脂從液態轉為半固化至黏著狀態，通過模具壓緊，預成型；7） 保持溫度不變，將預成

27、型的纖維束通過調節通道，進一步壓縮纖維束、排除纖維束中的空氣、調節纖維樹脂比，將纖維束初步集中，塑造成小股纖維束；8） 進一步將小股纖維束集中、壓實，先將內碳芯集中成一束，然后在內碳芯外復合玻璃纖維束，壓實、加熱至145-205°C固化，接著冷卻至65-85°C，再次加熱至145-205°C固化，進行二次固化，冷卻后，纏繞儲存。當然最好兩次固化溫度的選擇與所用樹脂的種類有關，兩次固化的溫度一致，固化效果更好。4.2 幾種復合電纜舉例玻璃纖維與碳纖維復合芯電纜15本例為玻璃纖維和碳纖維復合芯，是采用熱固性工藝復合玻璃纖維和熱固性樹脂，其直徑為8mm-25mm；碳纖維

28、復合芯直徑為6mm-20mm；采用熱塑性工藝將PE涂覆在玻璃纖維和熱固性樹脂復合而成的內包裹碳纖維加強芯的桿體上。由碳纖維50%-55%、玻璃纖維10%-15%、樹脂及輔助材料30%-40%組成。其中樹脂為環氧樹脂及乙烯基樹脂。配置樹脂原料，應在攪拌機上充分攪拌，攪拌時間不少于5分鐘。攪拌好的樹脂原料須經80目網篩過濾后，方可倒入樹脂槽中。工藝熟化區域200±10°C和定型區域140±10°C，并通電加熱模具。碳纖維圓形體與玻璃纖維紗經樹脂槽和加熱模具加熱，然后再經烘箱定型，生產線最高車速為8m/min,生產過程中，為改善產品表面質量，允許車速在5m/m

29、in-8m/min范圍內適當調整。提前2-3小時，啟動擠出機的加熱系統，并按工藝要求調整好各加熱區的溫度。 玄武巖纖維與碳纖維復合芯16、芳綸纖維與碳纖維復合芯17針對玻璃纖維、碳纖維復合芯生產效率慢，彎曲半徑較大的不足，研究了由碳纖維50%-55%、玄武巖纖維（或芳綸纖維）10%-15%、樹脂及輔助材料30%-40%組成的復合芯。碳纖維束絲經集聚機架將碳纖維束絲集聚呈圓形體向外拉出，碳纖維圓形體在玄武巖纖維（或芳綸纖維）紗的包裹下同步向外穿過模具拉出。攪拌好的樹脂原料須經80目網篩過濾后，方可倒入樹脂槽中。工藝熟化區域200±10°C和定型區域140±10

30、76;C，并通電加熱模具。 復合材料加強導線18由于復合芯外芯的纖維都是沿電纜長度方向分布，造成橫向的力學性能比較弱，在纏繞外層鋁導體的時候，很容易造成外芯的破壞，而且這種破壞由于外層鋁導體的遮蓋而很難發現。在電纜的使用過程中，在濕度、腐蝕和溫度環境會直接作用到碳纖維復合材料內芯上，從而降低復合芯的承載性能并縮短復合芯的使用壽命。故制造一種復合材料加強筋，包括保護體和承載體。保護體的纖維氈或者纖維布包括玻璃纖維、玄武巖纖維或者芳綸纖維，纖維氈的纖維是不定項分布的，纖維布的纖維包括垂直和平行于加強筋長度方向的纖維；承載體的纖維包括碳纖維。承載體為圓柱形，保護體為圓環形，并且所述承載體和保護體形成

31、同心圓形。所述加強筋包括至少一根沿加強筋縱向定向的金屬線體（如鋼絲）。上述加強筋由于保護層增加了橫向纖維，似的保護層增加了橫向力學性能。采用拉擠工藝制造加強筋，模具包括可以分開/閉合的瓣模，即瓣模分開時加強筋工料運動，瓣模閉合時形成一個完整的模具，加強筋工料在模具中固化。其中至少包括一次感應加熱步驟，所述感應加熱步驟通過感應加熱設備對加強筋工料中的金屬線體進行加熱。 非金屬復合材料芯線19非金屬復合材料芯線具有線膨脹系數小、重量輕、強度高、耐高溫、耐腐蝕、韌性好等特點。抗拉強度在2000-3500MPa。包括內部芯件，中間涂層構件及外部涂層構件。內部芯件包括若干玻璃纖維束，中間涂層構件包括若干

32、碳纖維束，中間涂層構件包覆在內部芯件外，外部涂層包括若干無硼E級玻璃纖維束，外部涂層構件包覆在中間涂層構件外，在外部涂層構件的外面有保護層，保護層能抗紫外線。纖維與基體材料的體積比例78:19-25。例如：采用S級玻璃纖維，中間涂層構件采用24K碳纖維，外部涂層構件采用無硼E級玻璃纖維；內部基體材料、中間基體材料、外部基體材料相同：均包括65%AG-80環氧樹脂和20%E-54環氧樹脂、0.8%XB3022促進劑、14.2%HY918固化劑；保護層包含45%AG-80環氧樹脂、28%CHDM、15%HY918、1%DY070、5%碳酸鈣晶須、6%納米SiO2. 復合超高強鋁導線20由一復合超高

33、強芯線（10）和沿其長度方向絞合于其上的鋁線構成。所述復合超高強芯線（10）包括縱向延伸的高性能碳纖維束（11）、高強度的玄武巖纖維束（12）為主芯，和螺旋狀連續纏繞主芯的高強S玻璃纖維束（13），以及將高性能碳纖維束（11）、高強度玄武巖纖維束（12）、高強S玻璃纖維束（13）固結為一體的改性熱塑性樹脂。重量百分比碳纖維束：玄武巖纖維束：玻璃纖維束：熱塑性樹脂=20-25%：30-45%：20-25%：15-30%。所述改性熱塑性樹脂按重量百分比的組分為聚四氟乙烯：聚酰亞胺=25-50%：50-75%。 樹脂的Tg與運行溫度及強度的關系21此導線可根據導線最高運行溫度和拉斷力指標要求制造導線

34、，從而實現合理價格，以滿足新建線路、舊線路改造的各種要求。一種復合加強芯架空導線，包括線芯，該線芯周圍絞繞有鋁線，導線直徑為16-40mm，所述線芯是1根含有碳纖維、玻璃纖維的樹脂基復合材料芯棒，該芯棒周圍分層絞繞2-4層電工軟鋁線，其中鋁線截面為圓形或異形，芯棒是以碳纖維為中心層、外部包覆玻璃纖維，并經熱固性樹脂浸潤固化處理所形成的圓形復合材料芯棒，直徑為，其中碳纖維和玻璃纖維是連續的，芯棒中所含玻璃纖維的重量百分比為30%-50%。芯棒直徑為，碳纖維重量百分比為30%-50%，基體材料為環氧樹脂，玻璃化轉變溫度Tg分為120-130°C、150-160°C、180-19

35、0°C、220-230°C四種情況，其安全運行溫度分為100°C、130°C、160°C、200°C四個等級，其抗拉強度在1880-2706MPa范圍內。芯棒直徑為6.3mm，安全運行溫度100°C時，其芯棒所含碳纖維的重量百分比為30%-50%，玻璃化轉變溫度Tg分為120-130°C、150-160°C、180-190°C、220-230°C，其抗拉強度分為1907、2427、2677MPa三個等級。芯棒直徑為7.5mm，安全運行溫度100°C時，其芯棒所含碳纖維的重量百

36、分比為30%-50%，玻璃化轉變溫度Tg分為120-130°C、150-160°C、180-190°C、220-230°C，其抗拉強度分為1880、2088、2353、2706MPa四個等級。芯棒直徑為8.4mm，安全運行溫度100°C時，其芯棒所含碳纖維的重量百分比為30%-50%，玻璃化轉變溫度Tg分為120-130°C、150-160°C、180-190°C、220-230°C，其抗拉強度分為2313、2441、2684MPa三個等級。特殊形狀的復合芯導線22普通復合芯采用了碳纖維/環氧樹脂內部芯及

37、玻璃纖維/環氧樹脂外部芯同心復合結構，但是由于復合芯采用拉擠成型工藝，碳纖維內部芯外圍的外部芯玻璃纖維仍然為縱向平行直排，縱向直排纖維對內部碳纖維/樹脂芯抱合力有限，基本沒有抱緊抗開裂作用，斷裂韌性低。本實例提供一種復合芯，包括碳纖維內層和絕緣纖維（玄武巖纖維、玻璃纖維、碳化硅纖維中的一種或任意組合）外層，所述絕緣纖維外層呈螺紋狀包覆在所述碳纖維內層上，還包括導電介質（鋁、銅、銀、金、鉑），導電介質嵌在呈螺紋狀的絕緣纖維的紋縫中。上述碳纖維內層為三維織物拉擠纏繞成型。，且外層纏繞包覆螺紋狀的絕緣纖維，從而大大提高了復合芯橫向的強度和韌性，使其具有良好的抗彎曲能力。上述絕緣纖維外層的直徑為1-3

38、mm，碳纖維內層的直徑為4-15mm，復合芯的密度為1-3g/cm3,優選密度為3.。此復合芯導線的拉斷力為120-180KN。此復合芯導線，由于采用碳纖維增強樹脂基復合材料作為承載力的導線芯，具有拉伸強度大、韌性好、熱膨脹系數小、弧垂低的特點。同時，由于復合芯與導電介質可以緊密結合，從而可以避免由導線變形引起的電暈和電干擾等問題。 鋁基碳纖維復合材料芯導線23這是一種導電率更高、強度更大、耐高溫并且沒有“竹節”相信的新型架空導線。利用鋁基碳纖維復合材料作為導線內芯，在復合內芯的外層絞合鋁合金導體，代替ACCC導線樹脂基碳纖維復合材料內芯。利用金屬比樹脂基體具有更高的強度、耐熱性、導電導熱性及

39、抗老化性能的優點制備比樹脂基復合材料性能更為優異的導線復合內芯。 耐蝕防振導線24本例導線通過間隙實現自阻尼防振。包括加強內芯和外圍絞合電導體，其特征在于所說加強內芯為纖維樹脂定型細長體（至少有碳纖維和/或玄武巖纖維組成，體積混合比為40-60%/60-40%），加強內芯與最外層絞合電導體間有0.5-8mm的間隙，間隙中填充有油膏或油脂。，絞合電導體最外層表面有聚氨酯涂層。纖維樹脂細長體為中心工字芯、外包組合套管的拼合芯。 復合倍容量導線此復合芯鋁絞線，其中心為由碳纖維制成的線芯，在線芯外同心絞合有至少二層、每層至少六根截面為S形或Z形的鋁絞線。與普通截面為圓形的金屬線相比，可以提高導電層的填

40、充率，從而提高導電能力25。另有截面為瓦形26以及鋁合金線的截面一側帶有凸起，另一側帶有與此凸起相匹配的凹槽的梯形截面的鋁絞線27。 多芯絞合型碳纖維復合材料電纜芯28包括絕緣層2和芯層3，所述芯層3由碳纖維4和樹脂體系5構成，絕緣層環向纏繞在芯層外層，其特征在于：多束碳纖維浸漬樹脂體系后加捻成股，加捻的捻回角范圍為1-10°。絕緣層通常為玻纖紗或布。優點：一是碳纖維加捻后纏繞玻璃纖維，使捻后的纖維不易松散從而有利于二次加捻及固化；二是采用多芯加捻工藝使電纜芯耐疲勞性能較同截面單根電纜芯好，并且可以有效避免單芯結構發生某處缺陷而導致斷裂的現象；三是多芯結構的電纜芯慣性矩較小，柔韌性好

41、，可以減小卷軸直徑，便于收卷、包裝、運輸。 一種防覆冰接觸網導線29該導線是以碳纖維作為發熱材料與金屬導電介質幾何的防覆冰電力導線。包括碳纖維中心體，以及包覆在碳纖維中心體外部的導電介質層，所述碳纖維中心體是碳纖維棒、或單股的碳纖維束、或多股碳纖維束、導電介質層是銅、鋁、銅合金、鋁合金、銀銅合金。導電介質在外環的二分之一上部左右對稱具有兩個V形缺口。具有抗拉強度高、彈性模量大、溫差變化小、柔韌性好的特點，關鍵在于其具有自動加熱防覆冰的功能。 一種加強芯擴徑導線30加強芯擴徑導線包括內芯和絞繞在所述內芯上的導電層，優選采用7根單纖維絞合而成的碳纖維芯，碳纖維芯層可用環氧樹脂將碳纖維絲拉擠、固化到

42、一起，再用玻璃纖維布在其外層擠拉一層保護層制成。根據不同的要求對環氧樹脂的耐溫等級分別為90°C、120°C、150°C、200°C。導電層包括一層或多層疏繞層和位于疏繞層上的一層或多層絞合層。疏繞層包括鄰內層2和鄰外層3，鄰內層右向和鄰外層左向由內向外依次絞繞在碳纖維芯層上；緊密絞合層包括外層4，外層右向緊密絞合在鄰外層3上。鄰內層和鄰外層采用鋁單線制成，鄰內層、鄰外層、外層教的的節距范圍分別為210-230mm、270-290mm、300-330mm。外層4采用鋁單線絞繞而成。 架空輸電鋁絞線用智能復合芯31雖然ACCC導線性能優異，但碳纖維價格昂貴

43、，大面積應用受資金等條件限制，故采用玄武巖纖維制復合芯。玄武巖纖維具有性價比高、比強度、比模量高、耐低溫（269-650°C）、抗水損害性能好。耐紫外線光照、電絕緣、防火阻燃等特點。此智能復合芯是由玄武巖纖維-高強鋼絲-分布式連續光纖傳感器、耐高溫樹脂和耐高溫阻燃涂層構成。在犧牲部分性能的情況下，也可采用玻璃纖維代替玄武巖纖維和其他材料形成智能復合芯。其主要結構是：將玄武巖纖維、高強鋼絲和分布式連續光纖傳感器和耐高溫樹脂一次性擠拉復合形成復合芯材，其中高強鋼絲、一根連續光纖傳感器和玄武巖纖維與耐高溫樹脂復合分布在復合芯材的內芯，再將玄武巖纖維和另一根連續光纖傳感器和耐高溫樹脂復合分布

44、在中央內芯周圍形成外芯；最后在外芯上再涂覆一層耐高溫阻燃涂層。以復合芯材為核心將鋁導線通過扭絞方式形成輸電鋁絞線。該新型復合芯材，其玄武巖纖維和高強鋼絲的體積比例為4:1-1:1，復合芯材中耐高溫樹脂基體體積占整個復合芯材的體積不大于50%。 一種自熄性碳纖維電纜32包括碳纖維復合芯導線、絕緣層、阻燃包帶層和護套層。碳纖維復合芯導線外面包覆絕緣層，絕緣層外面包覆阻燃包帶層，護套層包覆于阻燃包帶層外面，是電纜的最外層。絕緣層為聚醚砜絕緣層，厚度為。阻燃包帶層的制備包含由聚合物基體和無機阻燃填料組成的阻燃組合物和脫水劑。聚合物基體選自聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯酸酯共聚物；無機阻燃填料選用天然氫氧化

45、鎂；脫水劑選自氧化鈣、沸石或其混合物，含量為5-10wt%。阻燃包帶層的制備過程為將聚合物基體和無機阻燃填料放入密閉式Banbury混合機中混合，當溫度升至200°C時添加脫水劑，充分混合10-15分鐘，然后將此組合物從機筒中擠出在包含絕緣層的碳纖維復合芯導線上。組合物在擠出機中的溫度保持在200°C。 抗老化復合材料電纜33對于纖維增強環氧樹脂復合材料的電纜，環氧樹脂長期戶外暴露，抗老化性能下降較大，輸電耐溫不能超過120°C，因而一定上限制了在超高壓和特高壓線路上的應用。為此，制備了一種新型碳纖維復合材料線體，包括碳纖維與酚醛樹脂的均勻固化體芯層，芯層外層為混

46、雜纖維增強酚醛樹脂基復合材料的纏繞體。芯層斷面為圓形，直徑為5-30mm，碳纖維沿芯層軸向單向排布，碳纖維含量50-75%，酚醛樹脂含量50-30%。外層為圓環形，厚度為1-10mm，其中纖維是碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、玄武巖纖維的一種或幾種的混合體，纖維含量40-70%。酚醛樹脂含量60-30%，纏繞角度范圍0-90°。此線體拉伸強度超過1800MPa，拉伸模量大于120GPa，使用溫度超過150°C，耐腐蝕性能優良，特別適合連續生產，效率高，穩定性好。 碳纖維晶須增強接觸網導線34碳纖維晶須增強接觸網導線具有抗拉強度高、彈性模量大、柔韌性好、重量

47、輕的特點，關鍵在于導線張力和馳度隨氣溫變化小的特點。碳纖維的含碳量不小于90%，抗拉強度不小于3500MPa；所述晶須為氧化鋅晶須，也可以是硫酸鈣晶須、硫酸鎂晶須、氧化鎂晶須、碳化硅晶須；金屬導電介質為銅、銀、鋁、鎂、鋅或銅合金、銀合金、鋁合金、鎂合金、鋅合金；所述添加劑為鎳、錫、鈮。所述接觸網導線整體為環形結構，且在外環的二分之一上部左右對稱具有兩個V形缺口。碳纖維、晶須預先浸鍍金屬導電介質，然后將浸鍍金屬導電介質的碳纖維、晶須、添加劑按照9:1:1的比例充分混合均勻，放在熱壓成型機上擠壓形成原材鑄坯。熱壓時的壓強為100-300MPa，熱壓溫度為750-1300°C，保溫時間為2

48、0-30分鐘。5 應用領域35新型復合材料合成芯導線是一種全新概念的架空輸電線路用導線，與同等直徑的常規導線相比，具有許多優越性，在以下有特別要求的應用場合具有應用和推廣的價值： （1）具有與傳統鋼芯鋁絞線相當的重量和剛度，合成芯材重量輕，在選用與原 ACSR相同重量的導線時，相當于導線上有更多的鋁材。 （2）合成芯導線可運行在遠高于 ACSR 導線的運行溫度下，具有更高的載流容量，以及復合材料導線更高的強度和小得多的弛度，因此允許對現有鐵塔不作修改，僅用復合材料導線替換原有常規線路，可實現大幅增大現有走廊的輸送功率。從而避免大范圍的重建，減少停電時間。 （3）由于弛度小，可采用較矮的鐵塔實現

49、新建的大跨越以及普通線路工程，并可有效減小風偏，在特殊氣候條件下保證輸送容量。 （4）降低線路電暈損耗和減小電磁場輻射。 （5）由于復合材料增強的耐熱特性，可減少冰的集結，或在重覆冰地區，可采用更小直徑的復合導線，在不改變輸送容量的情況下實現安全輸送。 （6）由于導線中的金屬材料僅有鋁材，可用在高腐蝕的地區。 另外5，山東大學的一篇碩士畢業論文中，采用碳纖維（T700-12K）、耐熱環氧樹脂、甲基四氫苯酐（固化劑）為原料制的碳纖維復合導線芯。確定了固化溫度為200-220°C，最佳固化劑含量為40%。并將此制品的熱膨脹系數、玻璃化轉變溫度、抗拉強度、纖維與基體的粘結性能與美國的ACCC進行了對比。此外，還研究了復合芯的濕熱老化行為。6、參考文獻1 程顯軍.電源導線的玻璃纖維與碳纖維復合芯P.國家發明專利，公開號：200920012806.7.2 楊寧.ACCC碳纖維復合芯導線技術在我國的應用前景分析.電氣應用，2008,27（5）.3 余長水，余虹云，曹鈞.碳纖維復合芯鋁導線高溫拉斷力探討.浙江電力