專利名稱：一種用于增強電纜的復合材料芯及增強電纜的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種復合材料芯，特別涉及一種用于增強電纜的復合材料芯。另 外，本實用新型還涉及使用復合材料芯的增強電纜。
背景技術：
目前，在遠距離電纜架設及傳輸方面，電纜的承重部件多采用鋼芯。而采用鋼芯作 為承重部件存在諸多缺點和不足。如易受熱膨脹致使電纜下垂，鋼芯自身導電會消耗大量 電能，且重量較大，導致輸電塔和電線桿的結構需要相應加強。為了解決鋼芯作為承重部件存在的諸多問題，現(xiàn)有技術中提出了復合材料芯的方 案。采用玻璃纖維、碳纖維和樹脂材料進行復合而成。不僅重量相比鋼芯大大減輕，且具有 極低的膨脹系數(shù)，在電纜溫度升高時不增加電纜的下垂。拉伸強度較鋼芯有顯著提高，可以 增加塔距。目前已開始使用。但其仍存在問題，由于采用玻璃纖維、碳纖維、樹脂材料進行 復合，結構為內(nèi)芯和外芯。當復合芯在生產(chǎn)、運輸、施工時會發(fā)生彎曲，彎曲時復合芯內(nèi)部產(chǎn) 生剪切應力，并隨復合芯截面增大或彎曲半徑減小復合芯內(nèi)部會產(chǎn)生更大的應力，當復合 芯內(nèi)部應力大于纖維之間的粘結力時，復合芯發(fā)生開裂。如國家知識產(chǎn)權局于2008年12月17日公布的、專利申請?zhí)枮?00710110870. 4、名稱為“碳纖維復合加強芯線纜”的實用新型專利申請公布文本中，其包括內(nèi)芯和外芯。內(nèi) 芯包含碳纖維和環(huán)氧樹脂，外芯包含玻璃纖維和環(huán)氧樹脂。相對于傳統(tǒng)鋼芯材料，本實用新 型強度高、使用范圍廣、加工容易。在該專利申請的方案中，加強芯分為內(nèi)芯和外芯，內(nèi)芯 的復合材料中采用碳纖維，外芯的復合材料中采用玻璃纖維，復合芯在生產(chǎn)、運輸、施工時 會發(fā)生彎曲，彎曲時復合芯內(nèi)部產(chǎn)生剪切應力，并隨復合芯截面增大或彎曲半徑減小復合 芯內(nèi)部會產(chǎn)生更大的應力，當復合芯內(nèi)部應力大于纖維之間的粘結力時，復合芯發(fā)生開裂。 所以只能制做小直徑的復合芯。又如國家知識產(chǎn)權局于2009年1月14日授權公告的、專利號為03809284. 0、名稱 為“鋁導體復合芯增強電纜以及制造方法”的實用新型專利中，ACCC電纜具有由至少一層 鋁導體圍繞的復合材料芯。該復合材料芯包括內(nèi)芯和外芯。在該專利申請方案中，同樣存 在在復合芯彎曲時復合芯內(nèi)部產(chǎn)生應力和層間開裂的問題。所以也只能制做小直徑的復合 芯.對于制做直徑大于IOmm的復合芯只能分段制做，之后再復合，不能一體成型，由于張力 不勻勢必影響強度。同時，除了上述提到的缺點外，現(xiàn)有復合芯還存在耐磨性和抗老化較差的問題。由 于復合芯的外芯裸露在外，日曬雨淋以及安裝鋪設過程中的磨損都會造成外芯的損壞，縮 短了外芯的使用壽命。給使用帶來影響。為了解決內(nèi)芯、外芯的防護問題，現(xiàn)有復合芯在外芯外設置保護膜的方案。如國家 知識產(chǎn)權局于2007年1月17日公布的、專利申請?zhí)枮?004800385 . 7、名稱為“鋁導體復 合材料芯增強電纜及其制備方法”的實用新型專利申請文件中，ACCC電纜具有由外芯部膜 和至少一層鋁導體圍繞的復合材料芯。該復合材料芯包括一種或多種基體材料中的多根纖維，該纖維來自至少一種纖維類型。在該專利方案中，在其說明書第9頁第2段提到具有保 護性涂層或膜305圍繞復合材料芯303。這里保護性涂層或膜305起到保護、防磨損的性 能。但其僅為一層膜結構，易破損且耐久性較差，而且是涂敷于外芯上的，實際應用中容易 脫落，導致局部裸露，不能完全包裹的情況，影響復合芯的使用壽命。在其權利要求5記載 的技術方案中，外部膜選自 Kapton、Teflon, iTefzel、iTedlar、Mylar、Melonix、Tednex, PEN 和PET等材料。由于是膜結構，導致電纜在實際鋪設時，保護膜極易磨損或破損，另外，保護 膜在實際應用中容易脫落，導致局部沒有完全包裹的情況出現(xiàn)?，F(xiàn)有復合材料芯，其性能都具有局限性。第一，原有復合芯不能生產(chǎn)大直徑(直徑 大于9. 5mm)要求；第二，原有復合芯扭轉(zhuǎn)時易開裂；第三，原有復合芯彎曲時彎曲半徑大； 第四，抗疲勞強度和抗疲勞次數(shù)較低；第五，原有復合芯外保護層易脫層。無法將高抗拉強 度、較低的彎曲半徑、較高的扭轉(zhuǎn)角度、較高的使用溫度及較高的抗疲勞強度這些相互矛盾 的性能要求有效融合為一體，形成高性能復合材料芯。在性能上都有局限性，無法適應各種 不同應用環(huán)境和使用要求，適用性較差。以上所舉例的專利及現(xiàn)有的技術還存在一個共同的缺點，其增強電纜用的復合芯 只有縱向纖維增強，而沒有橫向或斜向纖維增強，復合芯的抗疲勞強度和抗疲勞次數(shù)較低， 電纜的使用壽命受到影響。并且在制作電纜時由于受到鋁導體的擠壓，復合芯易開裂，而且 還不能檢驗出來，勢必影響到復合芯和輸電線纜的強度和使用壽命。為此，申請人在本實用新型申請之前向國家知識產(chǎn)權局申請了一種復合材料芯的 專利，專利申請?zhí)枮?00910172177. 9、名稱為“一種用于增強電纜的復合材料芯及其制備 工藝和增強電纜”。在該方案中，外層采用多個纖維束交錯編制的纖維套管套于內(nèi)芯的表 面。由于纖維套管的交錯編制結構使復合材料芯具有橫向或斜向纖維，在抗彎曲、抗疲勞強 度以及低彎曲半徑方面的性能得到提高。但僅僅是內(nèi)芯和外層(纖維套管)組成的二層結 構會產(chǎn)生如下問題第一、復合芯在受巨大拉力情況下，在復合芯接頭處或聯(lián)接處纖維套 管與內(nèi)芯會發(fā)生脫離，復合芯不是拉斷，而是由于纖維套管與內(nèi)芯發(fā)生脫離在接頭處或聯(lián) 接處斷裂，降低了復合芯軸向的拉伸強度，產(chǎn)生負面效果；第二、由于復合芯的纖維套管與 內(nèi)芯部分在批量生產(chǎn)時會出現(xiàn)分層或空鼓，粘結不密實，質(zhì)量不宜控制，使纖維套管橫向纖 維的作用沒有得到完全利用，橫向纖維無論在復合芯抗彎曲、抗扭轉(zhuǎn)、抗疲勞還不能完全達 到十分突出的作用。
實用新型內(nèi)容為了解決上述現(xiàn)有技術中存在的問題，本實用新型提供一種用于增強電纜的復合 材料芯，采用3層結構，每層各負其職但又相互作用，有效融合，使復合材料芯要求的高抗 拉強度、較低的彎曲半徑、較高的扭轉(zhuǎn)次數(shù)、較高的使用溫度及較高的抗疲勞強度這些相互 矛盾的性能要求完美結合，有效解決現(xiàn)有復合材料芯在性能上的局限性。適應各種不同應 用環(huán)境和使用要求，適用性更好。在基于復合材料芯的基礎上，本實用新型還另外提供使用復合材料芯的增強電纜。本實用新型提供的一種用于增強電纜的復合材料芯采用的技術方案為一種用于 增強電纜的復合材料芯，包括內(nèi)芯、結構層、外層，所述內(nèi)芯包括纖維、和熱固性樹脂，所述結構層包括纖維套管和熱固性樹脂，所述纖維套管為由多根纖維束相互交錯編織而成或沿 著內(nèi)芯軸向方向螺旋纏繞而成，所述外層包括沿復合芯長度方向排布的纖維、和熱固性樹 月旨，所述纖維束的螺距H在0. lmm-500mm之間。本實用新型提供的一種用于增強電纜的復合材料芯還采用如下附屬技術方案所 述纖維與熱固性樹脂復合形成所述內(nèi)芯；所述纖維套管和熱固性樹脂復合形成所述結構 層；所述纖維與熱固性樹脂復合形成所述外層；所述內(nèi)芯、結構層、和外層采用同一熱固性樹脂，一體成形；所述外層外又依次包覆有第二結構層和第二外層，所述第二結構層由纖維套管和 熱固性樹脂復合形成；所述第二外層由纖維與熱固性樹脂復合形成，所述內(nèi)芯、結構層、外 層、第二結構層和第二外層采用同一熱固性樹脂，一體成形；所述內(nèi)芯和外層的橫截面為1層、或多層結構；所述外層外還形成有富樹脂層，所述富樹脂層包含高分子材料氈、或玻璃纖維氈、 還包括熱固性樹脂，所述內(nèi)芯、結構層、外層、和富樹脂層采用同一熱固性樹脂，一體成形；所述復合材料芯中的纖維總和，占到所述復合材料芯總重量的60% 85% ；所述纖維、和纖維套管包含碳纖維、或玄武巖纖維、或玻璃纖維、或芳綸纖維；所述 熱固性樹脂包含環(huán)氧樹脂、或改性環(huán)氧樹脂、或聚氨酯樹脂；所述外層的彈性模量小于所述內(nèi)芯的彈性模量。本實用新型提供的增強電纜采用的主要技術方案為復合材料芯包括內(nèi)芯、結構 層、外層，所述內(nèi)芯包括纖維、和熱固性樹脂，所述結構層包括纖維套管和熱固性樹脂，所述 纖維套管為由多根纖維束相互交錯編織而成或沿著內(nèi)芯軸向方向螺旋纏繞而成，所述外層 包括沿復合芯長度方向排布的纖維、和熱固性樹脂，所述復合材料芯的外表面至少絞繞有一層導線。采用本實用新型提供的復合材料芯帶來的有益效果為(1)本實用新型提供的復 合材料芯，在結構層之外又增加一層外層結構，外層中加入沿復合材料芯長度方向排布的 連續(xù)纖維，該連續(xù)纖維完全包裹住結構層，也相應的包裹住結構層中的纖維套管，使內(nèi)芯、 結構層和外層緊密粘結。由于增加的外層結構將結構層2完全包裹，為結構層2中的纖維 套管提供了保護，在復合芯受巨大拉力的情況下，外層3與內(nèi)心1的拉伸延展率基本相同， 延展量同步，內(nèi)心與外層夾緊結構層，使位于中間的結構層不易脫落、分離，有效解決復合 材料芯中采用纖維套管結構的缺陷。(2)內(nèi)芯包含沿復合芯長度方向排布的連續(xù)纖維和熱 固性樹脂，全部或大部分是由高模量纖維組成，使內(nèi)芯的拉伸及彈性模量較高，有效提高復 合芯的抗拉強度，結構層中的纖維套管為由多根纖維束相互交錯編織而成或沿軸向方向螺 旋纏繞而成，起結構有效解決了復合芯沒有橫向纖維增強的問題。而且，相互交錯編織的 結構大大增強了復合材料芯的橫向強度，從而大大提高了復合芯的抗疲勞強度和抗疲勞次 數(shù)。電纜在使用過程會不斷發(fā)生舞動，由于結構層中橫向纖維充分發(fā)揮作用，復合芯在隨電 纜舞動時有效阻止復合芯的層間分裂，這樣會提高復合芯的疲勞壽命。同時完全避免在制 造電纜過程中由于導體絞繞擠壓而使復合芯開裂破損的問題。外層包含沿復合芯長度方向 排布的連續(xù)纖維和熱固性樹脂，全部或大部分是由較低模量纖維組成，使外層的彈性模量 相比內(nèi)芯的彈性模量低，不僅起著包裹和壓緊結構層的纖維套管的作用，而且由于有較低 的模量，使外層也起到柔韌的效果，同時外層纖維也進一步提高了復合芯的軸向拉伸強度。(3)內(nèi)芯中的纖維沿復合芯長度方向排布，并包含全部或大部分高模量纖維，結構層為纖維 套管，提供了橫向纖維，外層的纖維沿復合芯長度方向排布，并包含全部或大部分較低模量 纖維，形成內(nèi)芯的高模量縱向纖維加上結構層的橫向纖維再加上外層的低模量縱向纖維形 成“三明治”結構，通過結構層纖維套管的橫向纖維的作用，有效防止復合芯在彎曲時內(nèi)芯 發(fā)生層間剪切而開裂，并在外層較低模量纖維的輔助下大大減小復合芯的彎曲半徑，可以 滿足制造大直徑復合材料芯的需求并達到復合芯的彎曲半徑的要求。(4)復合芯扭轉(zhuǎn)發(fā)生 開裂主要是由于內(nèi)芯中的纖維模量很高，并且由于要提供高拉伸強度，纖維含量很高，內(nèi) 芯脆性較大，容易發(fā)生開裂，本實用新型提供的復合材料芯由于采用“三明治”結構，外層擠 壓并向結構層提供充裕的樹脂，結構層的纖維套管與內(nèi)外層緊密貼合，復合芯在扭轉(zhuǎn)時，內(nèi) 芯由于結構層的橫向纖維的作用，不易產(chǎn)生裂紋，從而大幅度提高了復合芯的扭轉(zhuǎn)性能，在 電纜架設過程中不因電纜扭轉(zhuǎn)而破裂，保證電纜架設及使用的安全，并達到復合芯扭轉(zhuǎn)的 要求。( 所述外層的表面形成富樹脂層，可進一步提高復合材料芯的耐磨性能，在輸電電 纜制作和施工時有效的保護復合芯纖維不磨損。并且可以保護好復合材料芯不受日曬雨林 以及磨損的影響，使復合芯更耐腐蝕，更耐雨水沖刷，更抗老化，更好的保護好復合材料芯 中的纖維，延長使用壽命。(6)內(nèi)芯、結構層和外層合理配置，內(nèi)芯中高模量纖維有效提高復 合芯的抗拉強度；結構層纖維套管大大增強復合材料芯的橫向、斜向強度，提高復合芯的抗 疲勞強度和抗疲勞次數(shù)；外層中的低模量纖維提供復合芯的外層柔性，并且通過外層纖維 對結構層的擠壓和樹脂提供，將內(nèi)芯、結構層和外層有效形成一個整體，降低復合芯的彎曲 半徑，提高了復合芯的彎曲性能。復合材料芯的每層各負其職但又相互作用，有效融合，使 復合材料芯要求的高抗拉強度、較低的彎曲半徑、較高的扭轉(zhuǎn)次數(shù)、較高的使用溫度及較高 的抗疲勞強度這些相互矛盾的性能要求完美結合，有效解決了現(xiàn)有復合材料芯在性能上的 局限性。適應各種不同應用環(huán)境和使用要求，適用性更好。(7)在本實用新型提供的更進一 步的改進方案中，在外層3的表面再依次重復形成第二結構層和第二外層，形成了內(nèi)芯、結 構層、外層、第二結構層和第二外層的5層結構，與三層的結構相比，適用于更大直徑的復 合芯，能滿足大直徑復合芯的拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)及抗疲勞的要求。 采用本實用新型提供的增強電纜帶來的有益效果為(1)復合材料芯中，內(nèi)芯高 模量纖維有效提高復合芯的抗拉強度；結構層纖維套管大大增強復合材料芯的橫向強度， 提高復合芯的抗疲勞強度和抗疲勞次數(shù)；外層纖維在進一步提高復合材料芯軸向拉伸強度 的同時，通過纖維擠壓和樹脂的提供將內(nèi)芯與結構層有效形成一個整體。復合材料芯的每 層各負其職但又相互作用，有效融合，使使用復合材料芯的電纜在高抗拉強度、較低的彎曲 半徑、較高的扭轉(zhuǎn)次數(shù)、較高的使用溫度及較高的抗疲勞強度具有顯著效果。( 形成內(nèi) 芯的高模量縱向纖維加上結構層的橫向纖維再加上外層的低模量縱向纖維形成“三明治” 結構，通過結構層纖維套管交錯編織或螺旋纏繞的結構，提高橫向、斜向的拉伸強度，有效 防止復合芯在彎曲時內(nèi)芯發(fā)生層間剪切而開裂，并在外層較低模量纖維的輔助下大大減小 復合芯的彎曲半徑，可以滿足制造大直徑復合材料芯的需求并達到復合芯的彎曲半徑的要 求。在生產(chǎn)大截面復合芯方面也能滿足復合芯和電纜的彎曲半徑要求，從而能生產(chǎn)出大截 面積的電纜，適應大容量輸電要求.(3)另外，富樹脂層的設置使電纜鋪設時產(chǎn)生的彎曲、 拉伸不會造成復合材料芯纖維的斷裂，表面耐磨層也不會脫落。從而延長電纜的使用壽命。
圖1為本實用新型提供的復合材料芯的立體結構示意圖，示出內(nèi)層、結構層、外層 的結構；圖2為圖1橫截面剖視圖；圖3為本實用新型復合材料芯的立體結構示意圖，示出內(nèi)層、結構層、外層和富樹 脂層的結構；圖4為圖3橫截面剖視圖；圖5為本實用新型提供的另一復合材料芯的立體結構示意圖，示出內(nèi)層、結構層、 外層、第二結構層、第二外層的5層結構；圖6為圖5的橫截面剖視圖；圖7為圖5所示復合材料芯的第二外層外形成的富樹脂層的立體結構圖；圖8為圖7的橫截面剖視圖；圖9為圖2中復合材料芯絞繞有一層導線的電纜結構示意圖；圖10為圖4中復合材料芯絞繞有一層導線的電纜結構示意圖；圖11為圖6中復合材料芯絞繞有一層導線的電纜結構示意圖；圖12為圖8中復合材料芯絞繞有一層導線的電纜結構示意圖；圖13為本實用新型復合材料芯結構層中纖維套管由多根纖維束交錯編制而成的 結構圖，重點示出交錯編織結構、以及纖維束交錯編織的螺距；圖14為本實用新型復合材料芯結構層中纖維套管由多根纖維束沿內(nèi)芯軸向方向 螺旋纏繞而成的結構圖，重點示出螺旋纏繞結構、以及纖維束螺旋纏繞的螺距。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型做進一步的詳述如圖1至圖8所示，為本實用新型提供的一種用于增強電纜的復合材料芯，包括內(nèi) 芯1、結構層2、外層3，所述內(nèi)芯1包括纖維、和熱固性樹脂，所述結構層2包括纖維套管和 熱固性樹脂，所述纖維套管為由多根纖維束相互交錯編織而成或沿著內(nèi)芯軸向方向螺旋纏 繞而成，所述外層3包括沿復合芯長度方向排布的纖維、和熱固性樹脂，所述纖維束的螺距 H 在 0. lmm-500mm 之間。多根纖維束相互交錯編織是指多根纖維束相互之間交叉編織，形成一個網(wǎng)狀的套 管。螺旋纏繞則是由多根纖維束沿著內(nèi)芯軸向的方向順序纏繞、包裹在內(nèi)芯1上，與交錯編 制的結構不同點在于多根纖維束之間沒有相互交錯的結構，而是順序螺旋纏繞。為了更進 一步的提高螺旋纏繞的包裹緊密度，也可在沿著內(nèi)芯1軸向方向由一端螺旋纏繞到另一端 后再返回螺旋纏繞，正向和反向纏繞形成層間疊加的結構，包裹內(nèi)芯1的緊密度更好，可以 使纖維套管與內(nèi)芯1緊密、完全貼合。如圖13所示，結構層中的纖維套管由多根纖維束相互交錯編織而成的結構。每根 纖維束以內(nèi)芯1軸向上的一個點為起點，圍繞內(nèi)芯1纏繞一周、完成一個完整的交錯編制程 序后的另一點為終點，起點與終點之間在軸向上位于同一直線上，在該直線上兩點之間間 隔的距離H即為螺距。如圖14所示，結構層中的纖維套管由多根纖維束沿著內(nèi)芯1的軸向方向螺旋纏繞的結構。與圖13相比，纖維束沿著相同方向順序纏繞，彼此之間沒有交錯。因此，這里所述 的纖維束的螺距H，是指纖維束在圍繞內(nèi)芯1的表面以螺旋線的方式纏繞時，纏繞一周后， 前后相距的距離。在圍繞內(nèi)芯1螺旋纏繞一周后，起點和終點位于軸向的同一直線上，兩點 之間間隔距離H為所述的螺距。復合材料芯的內(nèi)芯1中的纖維沿著復合材料芯長度方向排布，這是復合材料芯中 內(nèi)芯纖維基本的要求排布方向，其目的是提高復合材料芯的軸向拉伸強度。外層3中的纖 維沿復合材料芯長度方向排布與內(nèi)芯1中的纖維排布方向相同，形成內(nèi)芯1的高模量縱向 纖維加上結構層2的橫向纖維再加上外層3的低模量縱向纖維形成“三明治”結構，通過結 構層纖維套管的橫向纖維的作用，有效防止復合芯在彎曲時內(nèi)芯發(fā)生層間剪切而開裂，并 在外層3較低模量纖維的輔助下大大減小復合芯的彎曲半徑，可以滿足制造大直徑復合材 料芯的需求并達到復合芯的彎曲半徑的要求。外層3包裹結構層2，也相應的包裹住結構層2中的纖維套管，使內(nèi)芯、結構層和 外層緊密粘結。由于增加的外層結構將結構層2完全包裹，為結構層2中的纖維套管提供 了保護，在復合芯受巨大拉力的情況下，外層3與內(nèi)心1的纖維排布方向相同，拉伸延展率 基本相同，延展量同步，內(nèi)芯1與外層3夾緊結構層2，使位于中間的結構層2不易脫落、分 離，有效解決復合材料芯中采用纖維套管結構的缺陷。在本實用新型提供的上述優(yōu)選方案中所述纖維與熱固性樹脂復合形成所述內(nèi)芯 1 ；所述纖維套管和熱固性樹脂復合形成所述結構層2 ；所述纖維與熱固性樹脂復合形成所 述外層3。在本實用新型提供的上述優(yōu)選方案中所述內(nèi)芯1、結構層2、和外層3采用同一熱 固性樹脂，一體成形。所述內(nèi)芯1和外層3的橫截面為1層、或多層結構。所述3層結構的 復合材料芯中的纖維總和，占到所述復合材料芯總重量的60% 85%。所述外層3的彈性 模量小于所述內(nèi)芯1的彈性模量。在本實用新型提供的上述優(yōu)選方案中如圖3、圖4所示，所述外層3外還形成有 富樹脂層4，所述富樹脂層4包含高分子材料氈、或玻璃纖維氈、還包括熱固性樹脂，所述內(nèi) 芯1、結構層2、外層3、和富樹脂層4采用同一熱固性樹脂，一體成形。所述內(nèi)芯1和外層3 的橫截面為1層、或多層結構。所述4層結構的復合材料芯中的纖維總和，占到所述復合材 料芯總重量的60% 85%。所述外層3的彈性模量小于所述內(nèi)芯1的彈性模量。在本實用新型提供的上述優(yōu)選方案中如圖5、圖6所示，所述外層3外又依次包 覆有第二結構層2’和第二外層3’，所述第二結構層2’由纖維套管和熱固性樹脂復合形成； 所述第二外層3’由纖維與熱固性樹脂復合形成，所述內(nèi)芯1、結構層2、外層3、第二結構層 2’和第二外層3’采用同一熱固性樹脂，一體成形。所述內(nèi)芯1、外層3和第二外層3’的橫 截面為1層、或多層結構。所述5層結構的復合材料芯中的纖維總和，占到所述復合材料 芯總重量的60% 85%。所述外層3和第二外層3’的彈性模量小于所述內(nèi)芯1的彈性模 量。在本實用新型提供的上述優(yōu)選方案中如圖7、圖8所示，所述第二外層3’外還形 成有富樹脂層4，所述富樹脂層4包含高分子材料氈、或玻璃纖維氈、還包括熱固性樹脂，所 述內(nèi)芯1、結構層2、外層3、第二結構層2’和第二外層3’和富樹脂層4采用同一熱固性樹 脂，一體成形。所述6層結構的復合材料芯中的纖維總和，占到所述復合材料芯總重量的60% 85%。所述外層3和第二外層3’的彈性模量小于所述內(nèi)芯1的彈性模量。在本實用新型提供的上述優(yōu)選方案中所述纖維、和纖維套管包含碳纖維、或玄武 巖纖維、或玻璃纖維、或芳綸纖維、或它們之間的混合物；所述熱固性樹脂包含環(huán)氧樹脂、或 改性環(huán)氧樹脂、或它們的混合物、或聚氨酯樹脂。下面，本實用新型給出如下4個實施例對上述優(yōu)選方案加以支持。實施例一內(nèi)芯1選用12K的碳纖維72根，纖維直徑為7微米，并用可調(diào)張力架 進行張力控制，使碳纖維張力基本一致；結構層2用M束玻璃纖維編織纖維編織管，每束 纖維束交錯編織的螺距H為300mm，每束玻璃纖維為90支4股；選用一臺M錠臥式編織 機；外層3選用1200TeX玻璃纖維觀根，熱固性樹脂選用改性環(huán)氧樹脂，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 Tg為約210°C，用酸酐類固化劑，咪唑類促進劑。環(huán)氧樹脂膠配比改性環(huán)氧樹脂改性酸 酐1-甲基咪唑硬脂酸鋅=100 100 2 2。內(nèi)芯1中的碳纖維、結構層2中的纖 維編織管和外層3中玻璃纖維的纖維重量之和占復合芯總重量的約80%。用此配比選材用以制造外徑為9. 5mm的復合材料芯，拉伸強度約2300MPa。內(nèi)層1 選用高模量的碳纖維，結構層2為玻璃纖維編織層，外層3選用低模量的玻璃纖維。輸電線 運行溫度達到190°C。實施例二 內(nèi)芯1選用12K的碳纖維36根，纖維直徑為7微米，并用可調(diào)張力架進 行張力控制，使碳纖維張力基本一致；結構層2選用玄武巖纖維編織纖維編織管，用16束玄 武巖纖維編織，每束玻璃纖維為120支二股，每束纖維束交錯編織的螺距H為50mm，選用一 臺16錠臥式編織機；外層3選用600Tex的玄武巖纖維20根，熱固性樹脂選用環(huán)氧樹脂，玻 璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為約180°C，用酸酐類固化劑，咪唑作促進劑。環(huán)氧樹脂膠配比改性環(huán)氧 樹脂甲基四氫苯酐1-甲基咪唑硬脂酸鋅=100 90 1. 5 2。內(nèi)芯1中的碳纖 維和結構層2中的玄武巖纖維、以及外層3中玄武巖纖維的纖維重量之和占復合芯總重量 的約70%。用此配比選材用以制造外徑為6. 35mm的復合材料芯，拉伸強度MOOMPa，內(nèi)芯1中 的碳纖維和結構層2中的玄武巖纖維、以及外層3中的玄武巖纖維重量之和占復合芯總重 量的約70%。輸電線運行溫度達到160°C。實施例三內(nèi)芯1選用12K的碳纖維75根，纖維直徑為7微米，結構層2選用M束 玄武巖纖維交錯編織，每束纖維束交錯編織的螺距H為400mm，每束纖維為90支四股，外層 3選用Kevlar49芳綸纖維100根，第二結構層2’選用36束玻璃纖維編織，每束纖維束交錯 編織的螺距H為200mm，每束玻璃纖維為80支6股，第二外層3’選用1200Tex的玻璃纖維 40根，并用可調(diào)張力架進行張力控制，使碳纖維，芳綸纖維和玻璃纖維張力基本一致；熱固 性樹脂選用環(huán)氧樹脂，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為約200°C，用酸酐類固化劑，咪唑作促進劑。環(huán) 氧樹脂膠配比改性環(huán)氧樹脂改性酸酐1-甲基咪唑硬脂酸鋅12 14烷基縮水甘 油醚=100 100 1.6 2 5。內(nèi)芯1中的碳纖維、結構層2中的玄武巖纖維、外層3 中的芳綸纖維、第二結構層2’中的玻璃纖維及第二外層3’中的玻璃纖維的纖維重量之和 占復合芯總重量的65%。用此配比選材用以制造外徑為12. 7mm的復合材料芯，拉伸強度約2200MPa。輸電 線運行溫度達到180°C。實施例四內(nèi)芯1選用12K的碳纖維40根，纖維直徑為7微米，及選用SOOTex的玄武巖纖維20根，內(nèi)芯1為2層結構，并分層排布。碳纖維在里層，玄武巖纖維排在次里層， 并用可調(diào)張力架進行張力控制，使碳纖維和玄武巖纖維張力基本一致；結構層2選用16束 高強玻璃纖維沿復合芯軸向螺旋纏繞，纖維束螺旋纏繞的螺距H為100mm，高強玻璃纖維選 用80支6股，選用16錠螺旋纏繞機纏繞；外層3選用16根1200Tex的高強玻璃纖維；在外 層3外面的富樹脂層4選用二片15mm的聚酯氈，單重為M克/平方米；熱固性樹脂選用改 性環(huán)氧樹脂，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為約220°C，用酸酐作固化劑，咪唑作促進劑。改性環(huán)氧樹 脂膠配比改性環(huán)氧樹脂酸酐1-甲基咪唑硬脂酸鋅=100 120 2 2用此配比選材用以制造外徑為8. 8mm的復合材料芯，拉伸強度2200MPa，內(nèi)芯1中 的碳纖維和玄武巖纖維、結構層2中的高強玻璃纖維和外層3中的高強玻璃纖維的重量之 和占復合芯總重量的約75%。輸電線運行溫度達到200°C。在上述4個實施例中，實施例1、3、4制成的復合材料芯根據(jù)需要可以至少絞繞一 層導體5，如圖9、圖12所示，一般絞繞1 2層導線。亦可絞繞3至4層導線。導線一般 為軟鋁線、或鋁線、或鋁合金導線.導體橫截面一般為圓形、梯形。下面，本實用新型給出使用上述復合材料芯的電纜的實施例，如圖9所示，復合材 料芯包括內(nèi)芯1、結構層2、外層3，所述內(nèi)芯1包括纖維、和熱固性樹脂，所述結構層2包括 纖維套管和熱固性樹脂，所述纖維套管為由多根纖維束相互交錯編織而成或沿著內(nèi)芯軸向 方向螺旋纏繞而成，所述外層3包括沿復合芯長度方向排布的纖維、和熱固性樹脂，所述復 合材料芯的外表面至少絞繞有一層導線5。如圖10所示，為另一種電纜，在外層3外還形成有富樹脂層4的復合材料芯，在復 合材料芯外表面絞繞有一層導線5。如圖11所示，為另一種電纜，在外層3外還有第二結構層2’，第二外層3’，在復合 材料芯外表面絞繞有一層導線5。如圖12所示，為另一種電纜，在5層結構的復合材料芯的第二外層3’外形成有富 樹脂層4，在復合材料芯外表面絞繞有一層導線5。本實用新型提供的電纜，使使用復合材料芯的電纜在高抗拉強度、較低的彎曲半 徑、較高的扭轉(zhuǎn)次數(shù)、較高的使用溫度及較高的抗疲勞強度具有顯著效果。復合材料芯的 “三明治”結構，通過結構層纖維套管交錯編織或螺旋纏繞的結構，提高橫向、斜向的拉伸強 度，有效防止復合芯在彎曲時內(nèi)芯發(fā)生層間剪切而開裂，并在外層較低模量纖維的輔助下 大大減小復合芯的彎曲半徑，可以滿足制造大直徑復合材料芯的需求并達到復合芯的彎曲 半徑的要求。在生產(chǎn)大截面復合芯方面也能滿足復合芯和電纜的彎曲半徑要求，從而能生 產(chǎn)出大截面積的電纜，適應大容量輸電要求。另外，富樹脂層的設置使電纜鋪設時產(chǎn)生的彎 曲、拉伸不會造成復合材料芯纖維的斷裂，表面耐磨層也不會脫落。從而延長電纜的使用壽 命。
權利要求1.一種用于增強電纜的復合材料芯，包括內(nèi)芯(1)、結構層O)、外層(3)，所述內(nèi)芯 (1)包括纖維、和熱固性樹脂，其特征在于所述結構層( 包括纖維套管和熱固性樹脂， 所述纖維套管為由多根纖維束相互交錯編織而成或沿著內(nèi)芯軸向方向螺旋纏繞而成，所 述外層( 包括沿復合芯長度方向排布的纖維、和熱固性樹脂，所述纖維束的螺距H在 0. lmm-500mm 之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的復合材料芯，其特征在于所述纖維與熱固性樹脂復合形成 所述內(nèi)芯(1)；所述纖維套管和熱固性樹脂復合形成所述結構層O)；所述纖維與熱固性樹 脂復合形成所述外層(3)。
3.根據(jù)權利要求2所述的復合材料芯，其特征在于所述內(nèi)芯(1)、結構層O)、和外層 (3)采用同一熱固性樹脂，一體成形。
4.根據(jù)權利要求2所述的復合材料芯，其特征在于所述外層C3)外又依次包覆有第 二結構層O’)和第二外層(3’)，所述第二結構層O’)由纖維套管和熱固性樹脂復合形成； 所述第二外層(3’)由纖維與熱固性樹脂復合形成，所述內(nèi)芯(1)、結構層O)、外層(3)、第 二結構層(2’ )和第二外層(3’ )采用同一熱固性樹脂，一體成形。
5.根據(jù)權利要求3所述的復合材料芯，其特征在于所述內(nèi)芯⑴和外層(3)的橫截 面為1層、或多層結構。
6.根據(jù)權利要求3所述的復合材料芯，其特征在于所述外層(3)外還形成有富樹脂 層(4)，所述內(nèi)芯(1)、結構層(2)、外層(3)、和富樹脂層(4)采用同一熱固性樹脂，一體成 形。
7.根據(jù)權利要求3所述的復合材料芯，其特征在于所述外層(3)的彈性模量小于所 述內(nèi)芯(1)的彈性模量。
8.一種應用上述權利要求1至7任一所述復合材料芯的增強電纜，其特征在于所述 復合材料芯的外表面至少絞繞有一層導線(5)。
專利摘要本實用新型涉及一種用于增強電纜的復合材料芯，包括內(nèi)芯、結構層、外層，內(nèi)芯包括纖維、和熱固性樹脂，結構層包括纖維套管和熱固性樹脂，纖維套管為由多根纖維束相互交錯編織而成或沿著內(nèi)芯軸向方向螺旋纏繞而成，外層包括沿復合芯長度方向排布的纖維、和熱固性樹脂。本實用新型提供的復合材料芯，在結構層之外又增加一層外層結構，外層中加入沿復合材料芯長度方向排布的連續(xù)纖維，由于增加的外層結構將結構層2完全包裹，為結構層2中的纖維套管提供了保護，在復合芯受巨大拉力的情況下，外層3與內(nèi)心1的拉伸延展率基本相同，延展量同步，內(nèi)心與外層夾緊結構層，使位于中間的結構層不易脫落、分離，有效解決復合材料芯中采用纖維套管結構的缺陷。
文檔編號H01B5/10GK201838345SQ20092029805
公開日2011年5月18日 申請日期2009年12月28日 優(yōu)先權日2009年12月28日
發(fā)明者馮毅 申請人:江蘇源盛復合材料技術股份有限公司