复合材料电缆总结.doc

复合材料电缆1 1 复合材料电缆芯的复合材料电缆芯的研究背景研究背景20 世纪 90 年代日本开发了复合材料合成芯导线，产品分为碳纤维芯铝绞 线（ACFR）和碳纤维芯耐热铝合金绞线（TACFR）两种，前者在实际线路试 验了四年多复合材料线主要由碳纤维和热硬化性树脂构成用 12000 根直径 为 7u 的 PAN 系碳纤维涂上未硬化的热硬化性树脂绞在一起，在缠上有机纤维 形成一根股线，然后用 7 根股线绞成合成绞线、再经过最后的热处理使树脂完 全硬化，最后形成复合材料芯线试验证明，这种新型复合材料芯导线的抗拉 强度远远超过了钢芯铝绞线（ACSR） ，在常温下的应力-伸长特性呈现弹性体， 没有塑性变形，破断时的伸长量比钢绞线小，约为 1.6%，耐热性基本与 ACSR 相同[1] 美国新型复合材料合成芯导线开发研究较为成功的是 CTC 公司，2003 年 该公司又推车了型号为 ACCC 的复合材料合成芯导线-碳纤维复合芯绞线它的 新鲜是由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的单根芯棒，碳纤维采用聚酰胺 耐火处理、碳化而成；高强度、高韧性配方的环氧树脂具有很强的耐冲击性、 耐抗拉应力和弯曲应力将碳纤维与玻璃纤维进行预拉伸后，在环氧树脂浸渍， 然后在高温模子中固化成型为复合材料芯线。

芯线外层与邻外层为梯形截面铝 线股导线已完成常规的型式试验，具有良好的机械特性和电学特性[1] 与钢芯铝绞线类似，ACCC 导线中电能传输主要依靠导体部分铝单线完成， 碳纤维复合芯主要承担导线自身重量以及风力、导线应力等机械力[2]由于外 层软铝线的线膨胀系数( 23×10- 6/ °C ) 超出碳纤维复合芯的线膨胀系数( 1. 6×10- 6/ °C)的 14. 4 倍, 导线表面温度达到 150 °C 及以上情况下, 软铝线由于热膨胀伸长量很大, 基本上不承受拉力, 所有的拉力均由碳纤维复合芯承担[3]1.1 碳纤维复合芯电缆的碳纤维复合芯电缆的优点优点碳纤维复合芯电缆与传统的钢芯铝绞电缆相比较具有以下优点[2]: ( 1)重量轻: 碳纤维复合芯的密度约为 1
.90g / cm3,钢的密度为 7.8g / cm3 前者是后者的 1/ 4因此, 架空电缆的杆塔跨距可增长, 减少塔杆数约为 16%左 右,同时减少占地面积 ( 2 ) 强度高, 破断力大ACCC 的拉伸强度约 2399M Pa,是普通钢丝的 1
.97 倍,是高强度钢的 1.7 倍试验表明,破断力提高了 30%ACCC 强度高,承 载外力主要由碳纤维复合芯来承担,铝绞线几乎不受拉力, 可提高使用寿命。

( 3) 导电率高, 载流量大相同直径 ACCC 中的铝线截面积是常规 ACSR 的 1.29 倍, 载流量提高 29%左右这是基于以下几个原因:碳纤维复合芯强度 高于钢芯, 因而芯棒直径比钢芯细, 容纳铝线多, 导电截面积大; ACCC 的铝线 为梯形截面,而 ACSR 为圆形截面, 前者易紧凑密排; ACCC 外层铝线可采用导 电率为 63%的 JACS 软铝线, 与硬铝线 61%的 IACS 相比,导电率可提高 3.3% ( 4) 线路损耗小碳纤维复合材料是一种非磁性材料, 当导线通过交流电 时不会产生磁滞损耗和涡流损耗,呈现出更小的交流电阻一般来说,可减少输电 损耗 6%左右同时由于 ACCC 采用梯形铝线, 使其外表比 ACSR 的圆形铝线 更加光滑,提高了表面粗糙系数, 从而提高了导线的电晕起始电压,减少了电晕损 失 ( 5) 耐腐蚀, 使用寿命长碳纤维复合芯棒避免了钢芯在通电时铝线与镀 锌钢丝之间的电化学腐蚀, 使铝导线长期使用而耐老化同时,碳纤维芯棒外层 为绝缘的玻璃纤维层, 有的还在玻璃纤维层外围包覆聚四氟乙烯层或喷涂绝缘 物质,使芯棒与铝线完全绝缘,两者之间不存在接触电位差, 使铝导线免受电腐蚀 (参看图 2)。

图 2 碳纤维复合芯铝绞电缆的截面结构图( 6) 线膨胀系数小,弛度小ACCC 的线膨胀系数为 1.6×10- 6/ °C 左右, ACSR 为 11. 5 ×10- 6/ °C ,两者相差甚远条件试验表明,当温度由 26
1°C上升到 186°C 时, ACSR 导线的弛度从 236mm 增加到 1422mm, 增加 5 倍左 右, 而 ACCC 导线仅从 198mm 增加到 312mm, 仅增加 0
.57 倍显然, AC CC 的弛度变化仅为 ACSR 的 9.6%这表明, ACCC 电缆可适应昼夜温差、 冬夏温差的变化环境, 是一种安全型的高端产品 （7）便于导线展放和施工[5]ACCC 导线的外层导电线路部分与常规 ACSR 导线有相同直径和螺旋状结构，放线安装完全可按安装常规的方法进行， 现有的杆、塔等构件不必改造导线的剖视图当然 ACCC 导线也存在缺点例如：因 ACCC 导线采用高温退火纯铝锥梯 形排列，铝十分松软，故应采用各种措施严防铝线起股和磨损复合芯易折断， 在施工和实验时，裸露复合芯稍不注意就会折断，故在牵引过程中应平稳缓慢， 减少冲击力目前，ACCC 导线价格约是普通钢芯铝绞线的 4—5 倍，价格过高 也在部分程度上影响了该项技术的推广应用。

2
碳纤维复合芯梯形软铝导线的研制碳纤维复合芯梯形软铝导线的研制包括碳纤维复合芯的研制、梯形软铝单 丝拉制和导线绞制 3 个方面[6]2 . 1
碳纤维复合芯的研制[6]复合芯的性能首先由树脂基体配方决定, 不同的配方会导致复合芯的性能 不尽相同生产碳纤维复合芯的关键技术有树脂体系适用期研究、体系粘度树 脂的温度-放热特性、耐热性能、树脂体系浇注体性能和树脂的温度-放热特性 等采用国产常熟环氧树脂和美国亨斯迈环氧树脂进行研究,结合理论进行正交 试验优化选型,采用逐步淘汰的方法进行配方优化,结合设备试制的工艺性能匹配, 最终分别确定国产配方和进口配方最佳成型工艺,解决了限制复合芯研制的瓶颈 问题 树脂的温度-放热特性是生产碳纤维复合芯的关键技术之一,为了控制树脂 固化速度,对固化过程的温度控制 (包括升温、保温和降温)进行分析, 便可制定 出较理想的基本工艺参数图 3 为国产树脂配方和国外树脂配方的差示扫描量 热法( DSC )曲线图

根据 DSC 曲线放热温度分析,确定国产树脂配方的拉挤固化温度区间为130~ 170 °C , 国外树脂配方的拉挤固化温度区间为 170~ 200 °C。

结合实际生产操作过程, 以上温区确定准确有效, 工艺性能良好 核心技术是芯棒的制造, 关键材料是高温韧性环氧树脂在碳纤维复合芯 棒中,碳纤维占 35%, 玻璃纤维占 35%,高温韧性环氧树脂占 30%所用碳纤维 的拉伸强度高和断裂伸长大,例如采用日本东丽公司生产的 T700S; 玻璃纤维采 用耐碱的 E 型, 即 E- GFT700S 和 E- GF 的性能列于表 1用韧性环氧树脂 可制得具有耐冲击性的韧性芯棒[4]由表 1 列出的数据可知, E- GF 的断裂伸长值大于 T700S, 因而为所制芯棒 提供韧性和耐冲击性能同时, E- GF 的价格低于 T700S, 可降低生产成本E-GF 为绝缘体, 为芯棒提供绝缘层所用环氧树脂为高温型的韧性树脂这是制 造复合芯棒的又一技术核心这种树脂固化温度高达 260°C( 500 ℉) , 一般环 氧树脂 648 或 AG80 的固化温度都低于此值换言之,这种高温固化型环氧树 脂具有特殊的耐热结构此外,还需要增韧改性, 使所制芯棒具有韧性, 而不是 硬棒否则不会通过放线滑轮试验[4]2. 2
梯形软铝单丝拉制[6]梯形软铝单丝生产工序为连铸连轧机拉制铝杆、拉丝机拉制铝单丝、时效 炉退火, 其关键技术如下。

( 1)铝单丝原材料控制 2)铝单丝拉制 3)铝单丝退火2 . 3
梯形软铝导线绞制[6]3碳纤维梯形软铝绞线的绞制与普通导线相比,不同之处主要在于防止梯形软 铝线擦伤和防梯形线翻身工艺, 这是由梯形软铝单丝的自身形状和强度较低特 点决定的为防止铝线擦伤,在异型单丝穿过的地方采用特制尼龙线嘴和尼龙线 轮进行保护为了防止梯形线翻身,采用特殊的成型装置来实现，特殊成型装置 的直径比普通导线成型装置大3、ACCC 导线的拉挤成型技术碳纤维复合芯铝绞电缆主要采用连续拉挤法，但制造碳纤维复合芯棒具有 一定的特殊性 下表列出了 ACCC 导线的技术参数, 以供制造和使用时参考[4]3.1 拉挤成型工艺原理和工艺流程拉挤成型工艺的基本原理是连续纤维在外力牵引下经过树脂浸渍，在成型 模具内加热固化成型，拉出模具，生产出连续的线型制品拉挤成型工艺与其 它成型工艺的区别在于外力拉拔和挤压模塑拉挤成型工艺流程如图 1.1 所示[7]拉挤成型重要的工艺参数包括温度、压力、拉挤速度、牵引力和树脂固化 反应等拉挤成型的工作流程是在牵引机的拉力下, 连续的碳纤维在树脂基体 中浸渍,预成型后通过加热的模具,热量传递至液态的树脂/碳纤维复合体系,交联 反应开始发生,树脂从复合材料的周边向中心固化。

树脂固化后体积收缩,使得复 合材料与模具分开,经过脱模、后固化、冷却等流程, 最终由收线机进行收卷[8]复合芯性能的影响因素有纤维体积含量、纤维和树脂的界面性能、拉挤树 脂体系在模具内的非稳态温度场以及模具的工况等其中拉挤树脂体系在模具 内的温度控制是拉挤成型工艺成败的关键[8]3.1.1
拉挤树脂体系在模具内的非稳态温度场研究拉挤树脂体系在加热模具中的温度和固化度会严重影响制品的性能拉挤 成型工艺中, 拉挤树脂体系在模具内移动伴随复杂的固化反应和相变过程,使得 温度在拉挤树脂体系内的传导变得很复杂同时温度与固化度存在强烈的耦合 作用[8] 拉挤模具分为三个区:Ⅰ 区为预热区, 一般在 120°C 左右, 为下一阶段的 固化反应做准备, 同时液压的提高也便于热量向内传递; Ⅱ区为凝胶区,树脂发生 固化反应并产生相变, 从粘稠态转变成为凝胶态;Ⅲ区为恒温区, 可防止温度骤 变导致复合材料产生裂纹如图 2 所示[8]图 2 模具分区示意图 在接近模具出口处, 表面沾有脱模剂的制品会从模具表面脱离下来如果材 料内外温差或出口处的温度梯度太大, 会导致固化不均匀而产生裂纹[8]因此拉挤成型工艺必须选择合适的模内温度, 设定合适的预热温度和牵引速度, 以获得 最佳固化温度和固化时间,将内应变控制在一定范围内,保证材料性能,宏观上不产 生裂纹[9]。

若预热区温度太高，凝胶点前移，脱离点离模具末端太远，随着牵引力增加， 发生局部粘模，拉挤过程中掉沫严重，导致产品表面粗糙；若温度太低，预热不 充分，造成脱模困难，随着牵引力增大，发生堵模，工艺失败凝胶区若温度太 高，加上环氧树脂凝胶时放出的热量可能导致复合材料裂解而性能降低； 若温 度太低，凝胶时间长，粘模使牵引力增加，产品表面也不光滑固化区温度也应 适中，太低固化不完全，太高可能引起产品裂解， 均能使产品性能降低在拉 挤过程中， 树脂传热速度相对较慢，工艺控制温度需要进一步修正[9] 拉挤速度不仅影响生产率和材料性能，而且是拉挤工艺成败的关键参数之一 它须同模具温度协调一致，在拉挤温度一定下，拉挤速度也有最佳值[8]3.1.2 纤维体积含量对复合芯性能的影响[9]资料显示，碳纤维增强复合材料的弯曲强度和弯曲模量随碳纤维含量的增加 而增加碳纤维在基体中分布均匀，纤维同基体有良好的粘结性，碳纤维的高强 度和高模量才会在复合材料中发挥作用在热变形方面， 纤维增强材料有一个 共同特点，即少量的纤维可使复合材料的热变形温度很快接近基体的熔点在材 料硬度方面，当碳纤维含量较少时，复合材料的硬度提高不多，此时主要是基体 承载负荷；当纤维体积的比例超过一定量时，载荷主要由纤维承担。

3.1.3 纤维和树脂的界面性能[9]一般而言，无机纤维（如碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、氮化硅纤。