（化学工艺专业论文）复合电缆芯的研制及性能测试.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着国民经济的快速发展，电力需求不断提高，传统的架空输电导线已经成 为电力输送事业的瓶颈，因此，研发新型的、具有高输送量、低弧垂特性的架空 输电导线已迫在眉睫。使用耐高温、自身重量轻、热膨胀系数小、比强度高的聚 合物基纤维增强复合材料芯代替钢芯铝绞线的钢芯发挥承力作用，可以使导线在 更高的温度下安全稳定运行，从而提高输电量，因此成为国际上电工输电新材料 研究领域的热点。 本文首先对制造复合材料芯的三种环氧类基体树脂一一环氧6 1 8 体系、 g f 6 3 0 体系和海因树脂体系的固化工艺及最佳固化剂添加量进行了实验研究， 并在此基础上对各树脂体系的粘度、适用期，树脂固化物的热稳定性做了分析对 比，结果表明： 三种树脂体系中固化剂添加比例分别为7 5 、4 0 、3 5 时其各项力学性能、 固化度均为各自最大值，而此时固化剂的添加量均较接近化学计量添加量，从而 确定了三种树脂体系的各自最佳固化剂添加量。 在研究的三种环氧树脂体系中，6 0 条件下海因树脂体系的粘度小于 8 0 0 m p a s ，凝胶时间大于8 小时，拉伸强度8 4 9 m p a ，剪切强度( 金属对金 属) 3 1 0 m p a 均为最高，其断裂伸长率为3 3 ，与芳纶纤维的断裂伸长率较为匹 配；同时该体系的玻璃化温度t g 达1 7 3 8 ，及通过热重分析得出的三个温度 指数t s1 9 3 3 0 、t a3 7 5 9 c 、k 1 8 7 2 c 在三种环氧树脂体系中均为最高。因此 可初步判断在较高使用温度条件下，该体系具有较高的综合性能，为较优树脂体 系。 然后采用手糊成型工艺制备了海因树脂基芳纶纤维增强复合缆芯试样，并对 其各项性能指标进行了分析测试。 复合材料线芯的密度为1 5 4g c m 3 ，在同样的直径和长度下，复合材料缆芯 的质量比钢质缆芯的质量减少了8 0 4 ；通过d m a 分析，确定复合材料芯的玻璃 化温度为1 5 7 8 ，o n s e t 值为1 3 9 6 0 ；复合材料线芯的线膨胀系数为较小的负值， 即采用复合材料线芯代替钢芯在高温运行情况下不产生弧垂；自制复合材料芯的 拉伸强度3 8 8 k n ( 6 1 0 2 m p a ) ，拉伸模量7 9 g p a ，剪切强度3 7 8 m p a ，弯曲强度 6 8 0 7 m p a ，弯曲模量1 9 9 g p a 。采用扫描电镜对基体树脂与增强纤维界面结合状 山东大学硕士学位论文 况进行了观察，在不同放大倍数的电镜照片上可以看出，未进行剪切破坏前基体 树脂与增强纤维界面结合状况良好；经剪切破坏后各纤维表面均附着着一定量的 基体树脂，纤维表面较粗糙，说明基体树脂与纤维界面结合良好。 综合分析测试数据，自制复合材料芯的拉伸强度、拉伸模量、剪切强度、弯 曲强度、弯曲模量等主要性能指标，远未达到芳纶1 4 1 4 纤维的最佳力学性能，其 主要原因是本实验采用手糊成型工艺制作，多数纤维并未展直，在受力时不是所 有纤维一起承载，未能发挥纤维的全部性能，若采用拉挤成型工艺，所得产品的 拉伸性能可以提高5 倍以上。 最后，参考玻璃纤维复合材料拉挤成型工艺对海因树脂基芳纶纤维增强复合 缆芯成型工艺及设备进行了初步设计。 关键词：架空输电导线，环氧树脂，芳纶纤维，复合材料电缆芯 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so fd e v e l o p m e n te c o n o m y , t r a d i t i o n a lo v e r h e a dt r a n s m i s s i o nc a b l e sh a v en o l o n g e rm e to u rd e m a n d sf o rp o w e ri n c r e a s i n g i ti si m p e n d e n ta n di m p o r t a n tt o d e v e l o p an e wk i n d o fl i n e sw i t l i l a r g e t r a n s m i s s i o n c a p a c i t y b u tl o ws a g c h a r a c t e r i s t i c p o l y m e rm a t r i x f i b e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t e sa r eh i g ht e m p e r a t u r e r e s i s t a n c e ，l i g h tw e i g h t ，l o wt h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n ta n dh i 【g hs p e c i f i cs t r e n g t h u s i n gt h e ma sc o r ei n s t e a do fs t e e li ns t e e lc o r e da l u m i n u ms t r a n d e dc a b l e sc a nm a k e c a b l e sf u n c t i o ns t a b l ya th i g h e rt e m p e r a t u r e ，w h i c hh a sb e e nf o c u s e di nt h er e s e a r c h f i e l do fn e wt r a n s m i s s i o nm a t e r i a l s h e r es t u d i e df i r s to nc u r i n gt e c h n o l o g yo fc o m p o s i t ec o r e sb a s e do nt h r e e d i f f e r e n tm a t r i xr e s i n sw h i c ha r ee p618s y s t e m 、g f - 6 3 0s y s t e ma n dh y d a n t o i ne p s y s t e m ，e x p l o r e dt h eo p t i m u ma d d i n ga m o u n to fc u r i n ga g e n t ，a n dc o m p a r e dv i s c o s i t y , p o tl i f e ，c u r i n ga g e n t st h e r m a ls t a b i l i t yo f t h r e ee ps y s t e m s t h ec o n c l u s i o n ss h o wa s f o l l o w t h eo p t i m u mm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dc u r i n gd e g r e ew a so b t a i n e da st h ea d d i n g p r o p o r t i o n so f c u r i n ga g e n tw e r e7 5 、4 0 、3 5 e a c hf o rt h r e es y s t e m sw h i c h w e r e a l lc l o s et os t o i c h i o m e t r i cp r o p o r t i o n s t h e r e f o r e ，i tc o u l db ea c q u i r e dt h eo p t i m u m c u r i n ga g e n ta d d i n gm o u n to f e a c hm a t r i xs y s t e m s a m o n gt h et h r e ek i n d so fe ps y s t e m ，t h ev i s c o s i t yo fh y d a n t o i ne ps y s t e mi sl e s s t h a n8 0 0 m p a sa t6 0 ，g e l a t i o nt i m ei sm o r et h a ne i g h th o u r s ，t h et e n s i l es t r e n g t hi s 8 4 9 m p a a tt h ep r e s s u r eo f3 1 0m p as h e a rs t r e n g t h ( m e t a lt om e t a l ) i st h eh i g h e s t ， a n di t se l o n g a t i o ni s3 3 ，w h i c hm a t c h i n gw i t ht h em a t c h i n gw i t ht h ea r a m i df i b e r s e l o n g a t i o na tb r e a k 肌i l et h ev i t r i f i c a t i o nt e m p e r a t u r et gi s 17 3 8 ，a n db yt g a w eg o tt h r e et e m p e r a t u r e si n d e x e st s ( 19 3 3 ) ，t a ( 19 3 3 ) ，t z g ( 3 7 5 9 ) ， r e s p e c t i v e l y , w h i c hi st h eh i g h e s t a c c o r d i n g l y , i ti ss h o w e d t h a ti nh i g h e rt e m p e r a t u r e ， t h eh y d a n t o i ne ps y s t e mi sb e t t e rw i t hh i g h e rc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s t h e nw eg o tt h es a m p l e so ft h ec o m p o s i t ec a b l ec o r et h r o u g ht h eh a n dl a y u p m o l d i n gp r o c e s s ，a n dt h ev a r i o u sp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sa r ea n a l y z e d t h ed e n s i t yo ft h ec o m p o s i t ei s1 5 4 9 c m 5 a tt h es a m ed i a m e t e ra n dl e n g t h ，i t s i i i 山东大学硕士学位论文 q u a l i t yr e d u c t sb y8 0 4 c o m p a r e dw i t ht h a to fs t e e lc o r e d m aa n a l y s i sw a s p e r f o r m e d ，t h ev i t r i f i c a t i o nt e m p e r a t u r ei s1 5 7 8 c ，t h ev a l u eo f o n s e ti s1 3 9 6 ；t h e l i n e a re x p a n s i o nc o e f f i c i e n ti sl e s s e rn e g a t i v e ，i na n o t h e rw o r d ，t h e r ei sn os a gw h e n t h ec o m p o s i t ec o r eu n d e rh i g ht e m p e r a t u r eo p e r a t i o n ；t h et e n s i l es t r e n g t h ，t e n s i l e m o d u l u s ，t h es h e a rs t r e n g t h ，t h ef l e x u r a ls t r e n g t ha n dt h eb e n d i n gm o d u l u sa r e 3 8 8 k n ( 6 1 0 2 m p a ) ，7 9 g p a ，3 7 8 m p a , 6 8 0 7 m p a , 1 9 9 g p a , r e s p e c t i v e l y t h e b o n d i n gs i t u a t i o nb e t w e e ns u b s t r a t er e s i na n dt h ee n f o r c e df i b e ri n t e r f a c ew a ss t u d i e d u s i n gs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) f r o mt h ep i c t u r e s ，w ef o u n dt h eb o n d i n g s i t u a t i o ni sg o o db e f o r et h es h e a rf a i l u r e a f t e rt h es h e a rf a i l u r e ，ac e r t a i na m o u n to f m a t r i xr e s i nw a si nf i b e rs u r f a c e t h eb o n d i n gs i t u a t i o ni sa l s og o o db e t w e e n s u b a t r a t er e s i na n df i b e ri n t e r f a c e a n a l y z i n gt h et e s t i n gd a t a ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tm a i np e r f o r m a n c e so f c o m p o s i t ec o r e sp r e p a r e di nt h ep a p e rw e r ef a ri n f e r i o rt ot h o s eo f14 14a r a m i df i b e r t h e s ep e r f o r m a n c e sc o n t a i nt h et e n s i l es t r e n g t h ，t h et e n s i l em o d u l u s ，t h es h e a r s t r e n g t h ，t h eb e n ds t r e n g t ha n dt h ef l e x u r a lm o d u l u s b e c a u s ec o m p o s i t ec o r e sw e r e p r e p a r e d 、析t hh a n dl a y u pp r o c e s si nt h i sp a p e r , m o s to ff i b e r sh a dn o tt o t a l l y s t r e t c h e d ，a n da l lo ft h e mc o u l dn o th e a rp o w e r i fc o m p o s i t ec o r e sp r e p a r e dw e r e p r e p a r e dw i t hp u l l i n ga n de x t r u d i n gm o l d i n gp r o c e s s ，t h e i rp e r f o r m a n c e sw o u l d i m p r o v eb y5t i m e s i nt h ee n d ，t h em o l d i n gt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t sw e r ed e s i g n e d ，r e f e r e n c i n gt o t h ee x t r u d i n gm o l d i n gp r o c e s so fg l a s sf i b e rc o m p o s i t e s ，t op r e p a r eh y d a n t o i nr e s i n m a t r i xf i b e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t ec o r e s k e yw o r d s ：o v e r h e a dt r a n s m i s s i o nl i n e ，e p o x yr e s i n ，a r a m i df i b e r ， c o m p o s i t ec a b l e i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 蔓圣通趣 e t 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：靴导师签名： 论文作者签名：曼臣娄勉导师签名： 日期：丝幽 山东大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 我国是个缺电的国家，发电业发展滞后，近年来，随着国民经济持续快速增 长，国内( 尤其是华东、华北和南方等经济发达地区) 用电负荷急剧攀升，供电形 势日趋严峻，输电业的弊端也凸现出来，输电线路已不堪承受传输容量快速扩容 的需求，由于超负荷造成的停电、断电故障频频发生，电力传输成为电力工业发 展的”瓶颈”，电网建设已滞后于经济的发展，加速电网建设的呼声也越来越高。 这种情况在美国同样存在，1 9 8 0 年，电力输送容量相比电力需求仅有轻微增长， 然而到了1 9 9 0 年，电力需求已经超过了电力输送容量【l 】。毫无疑问，增加新的 输电线路就能输送更多的电能，而建设新的输电线路不仅投资巨大，建设周期长， 而且在用地紧张的经济发达地区开辟新的线路走廊难度很大，该方法一般只能用 于十分必要的线路建设。在老线路上增加导线的截面积( 同时增大了直径和重量) 可增大输送电能，但需要改造铁塔以提高塔头的高度和强度，甚至更换铁塔。虽 然可以增加线路的输送容量和利用原有线路路径( 即不增加用地) ，但仍需较大的 投资，一般须经严格计算后，在其他方法难以解决时才使用。因此，如何提高现 有架空输电线路的单位走廊的输送容量，已成为确保电网安全、经济、可靠运行 的一个迫在眉睫的突出问题。 架空输电导线作为输送电力的载体，在输电线路中占有极为重要的地位。长 期以来，电力部门输电线路使用的架空导线主要是钢芯铝绞线( a l u m i n u m c o n d u c t o rs t e e lr e i n f o r c e d ，a c s r ) ，这种导线以镀锌钢绞线为芯部，主要起承力 作用，在其外边绞上导线起导电作用1 2 - 4 1 。这种输电线路受到输送容量热稳定限 额的限制：当通过架空线传输的电流增大时，架空线温度升高，钢芯被加热时伸 长开始加剧，承载能力下降，并开始产生弧垂，过热时( l o o ) 这种弧垂会使得 电缆下垂至低于设计安全水平，可能会引发安全事故。在2 0 0 3 年8 月1 4 日，美 国东部及加拿大电力中断，就是由于输电线弧垂碰到树的顶部而导致线路短路， 断路开关立即切断这条线路，但电流被分配到其他线路上从而导致了过载【5 】，而 钢芯本身的重量也会引起弧垂，弧垂问题极大地影响了电网供电能力；又由于使 用的是钢芯，腐蚀问题也不可避免。 山东大学硕士学位论文 不改变原输电线路路径，也几乎不必改造增强铁塔，只需要更换新型导线， 这种新型导线与原线路所使用的导线有着相同或十分相近的力学性能，在更换新 的导线后，线路就能输送更多的电能，达到线路增容的目的。无疑这是最具吸引 力的，为此各国的科技工作者不断地努力寻求理想的架空输电线路用导线，以取 代传统的各种导线，如为提高防腐性能开发的铝包钢芯铝绞线；为提高强度开发 的钢芯铝合金绞线、全铝合金绞线、铝包钢芯铝合金绞线等；为提高导线耐热性 能和输送容量开发的各种耐热铝合金导线；为降低导线弛度开发的用殷钢芯代替 普通钢芯的低弛度导线等【6 9 】；并研制出了一种自承式铝绞线( a l u m i n u m c o n d u c t o rs t e e ls u p p o r t e d ，a c s s ) ，与a c s r 相比较有如下优点：a c s s 可以在 2 0 0 的高温下连续运行而不会产生伤害；在相同载流量、相同张力的情况下， a c s s 产生的弧垂小，抗风蚀能力强【1 0 , 1 1 】。 但上述导线并未从根本上解决弧垂问题，弧垂仍然是限制传输线路容量增加 的主要因素，而导线的芯的问题更是其中的重中之重。因此2 0 世纪9 0 年代以来， 人们尝试用有机复合材料代替金属材料来制作导线的芯材，并已开发出几种复合 材料合成芯导线。这些新型导线充分发挥了有机复合材料的特长，与钢芯导线相 比，新型复合芯导线重量更轻，强度更大，热膨胀系数更小，弹性系数更高，导 电性能更好，且耐腐蚀、线损低。 1 2 关于复合材料 1 2 1 材料的发展与人类社会的进步 材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。综观人类发 展和材料发展的历史，可以清楚地看到，每一种重要材料的发现和利用都会把人 类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来巨 大的变化。 1 2 2 复合材料的提出 现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展，在现代高技术迅猛发展的 今天，特别是航空、航天和海洋开发领域的发展，使材料的使用环境更加恶劣， 因而对材料提出了越来越苛刻的要求，例如，航天飞机等空间飞行器在飞行过程 中要受到大气阻力、地球引力、太阳辐射力、空间热环境、太阳风、宇宙射线、 宇宙尘埃、流星、磁矩等的作用。飞行器发动机还要受到其热环境、内流形成的 2 山东大学硕士学位论文 气动力、结构振动、机件高速转动、液体晃动、振荡燃烧和p o g o 振动等非正常 破坏力的作用。同时由于飞行范围( 马赫数、飞行高度) 的扩大、发动机的推力、 比推力及推重比大大提高，导致了发动机压力比、涵道比、进口温度、燃烧室 温度、转子转速等也日益提高。由此构成的力、热、化学和物理等效应的作用， 最终都要集中到构成飞行器和发动机结构的材料上去，因此对材料的质轻、高强、 高韧、耐热、抗疲劳、抗氧化及抗腐蚀等特性也日益提出了更加苛刻的要求。 很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要求，当前作为单一的金属、陶 瓷、聚合物等材料虽然仍在不断日新月异地发展，但是以上这些材料由于其各自 固有的局限性而不能满足现代科学技术发展的需要。例如，金属材料的强度、模 量和高温性能等已几乎开发到了极限；陶瓷的脆性、有机高分子材料的低模量、 低熔点等固有的缺点极大地限制了其应用。这些都促使人们研究开发并按预定性 能设计新型材料。 复合材料，特别是先进复合材料就是为了满足以上高技术发展的需求而开发 的高性能的先进材料。它由两种或两种以上性质不同的材料组合而成，各组分之 间性能“取长补短 ，起到“协同作用 ，可以得到单一材料无法比拟的优秀的综 合性能，极大地满足了人类发展对新材料的需求。因此，复合材料是应现代科学 技术而发展出来的具有极大生命力的材料，是现代科学技术不断进步的结果，是 材料设计的一个突破。 1 2 3 复合材料的特点 ( 1 ) 由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一起的新型材料， 组分之间存在着明显的界面。 ( 2 ) 各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发挥各种组分的优点，赋 予单一材料所不具备的优良特殊性能。 ( 3 ) 复合材料具有可设计性。 1 2 4 复合材料的基本结构模式 复合材料由基体和增强剂两个组分构成：复合材料结构通常一个相为连续相， 称为基体；而另一相是一以独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相 的性能优越，会使材料的性能显著改善和和增强，称为增强剂( 增强相、增强体) 。 增强剂( 相) 一般较基体硬，强度、模量较基体大，或具有其它特性。 3 山东大学硕士学位论文 增强剂( 相) 可以是纤维状、颗粒状或弥散状。 增强剂( 相) 与基体之间存在着明显界面。 1 2 5 复合材料的分类 磁雌分类： 粼 按基体分类 按用途分类卜功能复合材料 r - 结构复合材料 l - 智能复台材料 按增强剂分类颗粒增强复合材料 晶须增强复台材科 短纤维增强复合材料 莲续纤维增强复台材料 混杂纤维增强复合材料 三向编织复合材料 图1 1 复合材料的分类 f i gl - 1t h ec l a s s i f i c a t i o no fc o m p o s i t em a t e r i a l s 1 2 6 复合材料的基本性能( 优点) ( 1 ) 高比强度、高比模量( 刚度) ： ( 2 ) 良好的高温性能： ( 3 ) 良好的尺寸稳定性： ( 4 ) 良好的化学稳定性： ( 5 ) 良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性： ( 6 ) 良好的功能性能：包括光、电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑等性能。 1 3 连续纤维增强复合材料 复合材料的主要组成成分是增强材料与基体材料。对于纤维复合材料，纤维 相起增强作用，使材料具有较高的强度和刚度并承受大部份外加负载；基体相与 增强纤维粘结在一起，并将外加负载通过界面传递到增强纤维，使增强纤维的强 4 山东大学硕士学位论文 度和刚度得到充分的发挥；而在粒子增强复合材料中，起主要作用的是基体。一 股情况下，用于受力构件的复合材料大多数为纤维复合材料。 纤维增强复合材料的特点，主要有如下几点： ( 1 ) 比强度和比模量高：强度和模量除以比重之值是材料的承载能力的一个 指标，纤维增强聚合物复合材料的比强度和比模量尤其出众。对于非常注重重 量的桥梁和航空航天空间结构而言，兼有高的比强度和比模量的材料是十分 理想的选择。 ( 2 ) 抗疲劳性好：疲劳破坏是材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩 展而形成的低应力破坏。金属材料的疲劳破坏是由里向外突然发展的，事先没有 任何预兆。而纤维复合材料中纤维与基体的界面能可以阻止裂纹扩展，因此其疲 劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始的，逐渐扩散到结合面上，破坏前有明显预兆。 ( 3 ) 减振性能好：结构的自振频率除了和结构本身的形状有关外，还与材料 的比模量的平方根成正比。较高的自振频率避免了在低频工作状态下共振而引起 的早期破损。同时，复合材料中的纤维与基体界面具有吸振能力，因此其振动阻 尼很高。 ( 4 ) 破损安全性好：纤维增强复合材料的破坏不像传统材料由于主裂纹的失 稳扩展而突然发生，而是经历基体开裂、界面脱粘、纤维拔出、断裂等一系列损 伤的发展过程。纤维增强复合材料基体中有大量独立纤维，这类材料的构件如果 超载并有少量纤维断裂时，其载荷会迅速重新分配在未破坏的纤维上，短期内不 会造成整个结构丧失承载能力。 ( 5 ) 成型工艺好：复合材料构件制造工艺简单，适合整体成型。能用模具制 造的复合材料构件，可采用一次成型，不但可以减少结构的零部件、紧固件和接 头的数目，还可以节省原材料和加工工时。 因此，纤维增强复合材料结构作为先进材料比传统材料有着无可比拟的优越 性。目前，以各种有机、无机或金属的高性能纤维为增强材料的纤维复合材料， 在航空、航天、石油化工、交通运输、电子电器、体育器材、医疗卫生、军事与 国防等诸多领域有着广泛的应用，已成为现代科学技术发展所不可缺少的材料。 1 3 1 高性能纤维 高性能纤维( h i g hp e r f o r m a n c ef i b e r s ) 是近年来纤维高分子材料领域发展迅速 5 山东大学硕+ 学位论文 的一类特种纤维，通常是指具有高强度、高模量、耐高温、耐环境、耐摩擦、耐 化学药品等所谓高物性纤维。高性能纤维品种很多，如碳纤维、芳香族聚酰胺纤 维、芳香族聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维、高模量聚乙烯( p e ) 纤维、硼纤维、石 英纤维、陶瓷纤维，还有更新的纤维，如聚对亚苯基苯并双恶唑( p b o ) 纤维以及 各种无机及金属纤维。用作复合材料特别是先进复合材料的增强材料，是高性能 纤维的重要用途之一。 1 3 1 1 碳纤维【1 2 】 碳纤维( c a r b o nf i b e r ，c f ) 的开发历史可追溯到1 9 世纪末期美团科学家爱迪生 发明的白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值并工业规模生产的碳纤维，则出现在 本世纪5 0 年代末期。 习惯上将1 0 0 0 2 3 0 0 范围内碳化得到的纤维称为碳纤维，而2 3 0 0 以上碳 化得到的纤维称为石墨碳纤维( g r a p h i t i z e dc a r b o nf i b e r ，g p l p ) 或简称石墨纤维。 石墨碳纤维在结构上类似石墨，有金属光泽，导电性好，杂质极少，含碳量超过 9 8 。按力学性能可将碳纤维分成高强型( h i g ht e n a c i t y ，h t ) 、高模型( h i g h m o d u l u s ，h m ) 和通用型( g e n e r a l - p u r p o s e ，g p ) 等。从原料划分，碳纤维主要有 纤维素( 以粘胶纤维为主) 基、聚丙烯腈基、沥青基及酚醛树脂基等几种。若根据 功能分类，则有受力结构用碳纤维、活性碳纤维、导电碳纤维、耐燃碳纤维、耐 磨碳纤维等。 碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金 属材料。它不属于有机纤维范畴，但从制法上看，它又不同于普通无机纤维。碳 纤维复合材料质地强而轻，耐高温、耐腐蚀和耐辐射，在航空航天、军事、工业、 体育器材等许多方面有着广泛的用途。 碳纤维的主要特性【1 3 】如下： ( 1 ) 碳纤维的强度高。t 8 0 0 碳纤维强度达到5 4 9 g p a ，t 1 0 0 0 高达6 6 3 g p a ， 比钢高7 倍多。 ( 2 ) 弹性模量高。t 8 0 0 和t 1 0 0 0 碳纤维的模量都能达至u 2 9 4 g p a 。 ( 3 ) 密度小，比强度高。碳纤维的质量是钢的，是铝合金的抛，比强度比 钢大1 6 倍，比铝合金大1 2 倍。 ( 4 ) 能耐超高温。碳纤维可在2 0 0 0 使用，在3 0 0 0 。c 非氧化气氛的高温下不 6 山东大学硕士学位论文 融化，不软化。 ( 5 ) 耐低温性能好。在1 8 0 低温下，钢铁变得比玻璃脆，而碳纤维依旧很 柔软。 ( 6 ) 耐酸性能好。能耐浓盐酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介质侵蚀。将碳纤 维放在浓度为5 0 的盐酸、硫酸和磷酸中，2 0 0 天后其弹性模量、强度和直径基 本没有变化；在5 0 浓度的硝酸中只是稍有膨胀，其耐腐蚀性能超过黄金和铂金。 耐油、耐腐蚀性能好。 ( 7 ) 热膨胀系数小，导热系数大。可以耐急冷急热，即使从3 0 0 0 c 的高温突 然降到室温也不会炸裂。 ( 8 ) 防原予辐射，能使中子减速。 ( 9 ) 导电性性能好。 ( 1 0 ) 轴向剪切模量较低，断裂延伸率小，使耐冲击差，并且后加工较为困 难。在碳纤维的形成过程中，有机化合物在惰性气体中加热至u 1 0 0 0 1 5 0 0 时， 所有非碳原子将逐步被驱除，碳含量逐步增加，固相间发生一系列脱氢、环化、 交联和缩聚等化学反应，而非碳原子的脱除会形成各种微小的缺陷，加之微晶的 大小、取向程度等诸因素的影响，使得最终纤维的强度及模量与理论值有较大差 异【1 4 1 。 ( 11 ) 碳纤维的应力应变曲线为一直线，伸长小，断裂过程在瞬间完成，不 发生屈服。碳纤维轴向分子间的结合力比石墨大，所以它的抗张强度和模量都明 显高于石墨，而径向分子间作用力弱，抗压性能较差，轴向抗压强度仅为抗张强 度的1 0 3 0 ，而且不能结节。 ( 1 2 ) 碳纤维的热行为有明显的各向异性。例如，纤维径向的热膨胀系数比 轴向高数十倍，而轴向导热系数约为径向的2 0 倍。在1 9 0 5 0 c 温度范围内，碳 纤维的导热系数随温度升高而有所增大，但温度进一步升高时，导热系数则减小。 0 3 ) 碳纤维的化学性能与碳十分相似，在室温下是情性的。除能被强氧化 剂氧化外，一股的酸碱对碳纤维不起作用。在空气中，当温度高于4 0 0 时，碳 纤维发生氧化反应，生成c 0 2 和c o 从纤维表面选出。但在惰性气氛下，碳纤维 的耐热性十分突出，在1 5 0 0 c 以上的高温下强度才开始降低。此外，碳纤维还具 有自润滑性好、电阻率低、吸附性强以及耐辐射等特点。 7 山东大学硕士学位论文 1 3 1 2 芳香族聚酰胺纤维 芳香族聚酰胺( a r a m i d ) 是指聚合物大分子的主链由芳香环和酰胺键构成，且 其中至少8 5 的酰胺键直接键合在芳香环上，每个重复单元的酰胺基中的氮原子 和羰基均直接与芳香环中的碳原子相连，并且置换其中的一个氢原子的聚合物称 为芳香聚酰胺树脂，由它纺成的纤维总称为芳香聚酰胺纤维，我国定名为芳纶 【1 5 】 0 芳纶首先由美国杜邦公司( d u p o m ) 1 9 6 8 年开始研制，1 9 7 2 年开始正式生产， 商品名为a r a m i d ，牌号为k e v l a r 。k e v l a r 是全对位芳香聚酰胺，即聚对苯二甲酰 对苯二胺( p p t a ) 。其结构式为： 脒廿骶一c o 一 图3 8 环氧6 1 8 体系固化物的d s c 扫描曲线图 f i 9 3 8d s cg r a p ho f t h ec u r e dr e s i no f e p6 1 8s y s t e m 2 04 0 6 08 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0 t ( ) 图3 9g f 6 3 0 体系固化物的d s c 扫描曲线图 f i 9 3 - 9d s cg r a p ho f t h ec u r e dr e s i no f g f 6 3 0s y s t e m 4 5 7 6 5 4 3 2 1 0 1 山东大学硕士学位论文 5 4 3 ，、 童 2 拐 。 1 0 1 01 0 01 5 0 t ( ) 图3 1 0 海因树脂体系固化物的d s c 扫描曲线图 f i 够一10d s cg r a p ho ft h ec u r e dr e s i no fh y d a n t o i ne ps y s t e m 玻璃化温度为玻璃化转变阶段曲线斜率最大的切线在低温侧基线与高温侧 基线之间线段的中点所对应的温度。表3 1 4 给出了三种环氧树脂体系的玻璃化温 度分析结果。 表3 1 4 环氧树脂体系固化物的玻璃化温度 t a b3 1 4t h et go f t h ec u r e dr e s i no f e ps y s t e m 由表3 1 4 可以看出，海因树脂体系固化物的玻璃化温度最高，达至1 j 1 7 3 8 ， 即复合芯中的海因树脂可以在较高的温度范围内，具有较好的体现以剪应力的形 式向纤维传递载荷的能力。 3 1 5 环氧树脂体系固化物的热重分析 许多物质在加热或冷却过程中除了产生热效应外，往往有质量变化，其变化 的大小及出现的温度与物质的化学组成和结构密切相关，因此利用在加热和冷却 过程中物质质量变化的特点，可以区别和鉴定不同的物质。热重分析( t h e r m o g r a v i m e t r y ，简称t g ) 就是在程序控制温度下测量获得物质的质量与温度关系的一种 山东大学硕士学位论文 技术。其特点是定量性强，能准确地测量物质的质量变化及变化的速率。热重分 析方法( t g a ) 常用来表征材料的热降解特性，并研究材料的热稳定性，特别是使 用等速升温的动态热重分析，能在较短的时间内获得较全面的材料热分解信息， 是研究高分子材料热稳定性的理想手段。 热重分析法包括静态法和动态法两种类型。目前用得最多的是动态法，又称 非等温热重法，分为热重分析和微商热重分析，都是在程序升温的情况下，测定 物质质量变化与温度的关系，该分析简便实用，又利于与d t a 、d s c 等技术联用， 因此广泛地应用在热分析技术中。 温度指数t s 表征的是试样的长期使用温度，其计算公式为： t s = 0 4 9 t l + o 6 ( t 2 - t 1 ) 】( 3 - 2 ) 其中t l 为失重5 时的温度；1 2 为失重3 0 时的温度。 耐热性也可用表观分解温度t a 和温度指数k 来表征，其计算公式为， t a ：( 1 0 c - 3 b ) ( 3 3 ) 7 。岛= 了t a + f b ( 3 - 4 ) 式中b 为失重5 0 时对应的温度；c 为失重1 5 时对应的温度；x 为功能性系 数，取2 1 4 。 图3 1 1 、3 1 2 、3 1 3 给出了三种环氧树脂体系固化物的t g 扫描曲线。表3 1 5 给出了通过上述公式计算得出的三种环氧树脂体系固化物的温度指数。 图3 1 l 环氧6 1 8 体系固化物的热重曲线 f i 9 3 - 11t h et h e r m o g r a v i m e t r i cc u r v eo f c u r e dr e s i no f e p6 1 8s y s t e m 4 7 e 5 4 3 2 1 o 一西e￥仍一aj 山东大学硕士学位论文 令 量 墨 多 01 0 02 3 0 04 0 0 t ( ) 图3 1 2g f 6 3 0 体系固化物的热重曲线 f i 9 3 1 2t h et h e r m o g r a v i m e t r i cc u r v eo fc u r e dr e s i no fg f - - 6 3 0s y s t e m 奇 量 与 姜 o1 0 02 3 4 0 0 t ( ) 图3 1 3 海因树脂体系固化物的热重曲线 f i 9 3 - 1 3 t h et h e r m o g r a v i m e t r i ec a l v eo f c u r e dr e s i no f h y d a n t o i ne ps y s t e m 表3 1 5 环氧树脂体系固化物的温度指数 t a b 3 - 1 5t h et e m p e r a t u r ei n d e xo f c u r e dr e s i no f e ps y s t e m 9 8 7 6 5 4 3 2 1 o 6 4 2 o 8 6 4 2 o 山东大学硕士学位论文 由表3 1 5 可看出，海因树脂体系的三个温度指数分别为：长期使用温度为 1 9 7 1 ，表观分解温度为3 8 3 o ，温度指数为1 8 9 9 c ，在三种树脂体系中均为 最高。因此海因树脂体系的耐温性能最佳，可以保证复合材料芯具有较长的使用 寿命。 式3 2 、3 3 、3 - 4 均是经验公式，可以在相互比较时使用，而实际应用时应以 d m a 所测的t g 和o n s e t 温度作为耐热性的参考指标。 3 1 6 较优树脂体系的确定 综合3 1 2 、3 1 3 、3 1 4 、3 1 5 中对三种环氧树脂体系进行对比分析后得出的 结论，可以知道：海因树脂体系拥有较高的力学性能，与增强纤维匹配性较好， 6 0 c 下具有较低的适合拉挤工艺的粘度和较长的适用期，且其玻璃化温度t g 及 通过热重分析得出的温度指数均为最高，因此确定海因树脂体系为较优树脂体 系。 3 2 环氧树脂基纤维增强复合材料的性能研究 3 2 1 纤维增强复合材料芯的密度 通过浮力法测得复合材料线芯的密度为1 5 4g c m 3 ，而钢质线芯的密度为7 8 5 g c m 3 。在同样的直径和长度下，复合材料线芯的质量比钢质线芯的质量减少了 8 0 4 。在质量一定的前提下，复合材料线芯的外面可允许缠绕更多的铝导线， 从而提高复合材料线芯铝绞线的载流量。 3 2 2 纤维增强复合材料芯的动态力学性能 动态热机械分析d m a ( d y n a m i nm e c h a n i c a la n a l y s i s ) 技术，是在程序控制温 度下，测量物质在振动负荷下的动态模量或力学损耗与温度关系的技术。d m a 是测定高分子材料的各种转变，评价材料的耐热性、耐寒性、相容性、减震阻尼 及加工工艺性能的一种简便的方法，并为研究高分子的聚集态结构提供信息。由 于高分子的玻璃化转变、结晶、取向、交联、相分离等机构变化都与分子运动状 态的变化密切相关，而分子运动的变化又能在动态力学性能上灵敏的反映。因此， 动态力学分析是研究高分子结构变化一分子运动性能的一种有效手段。 d m a 的特点： ( 1 ) 动态力学分析通常只需要一个很小的试样就可在很宽的频率或温度范