复合材料电缆总结.doc

复合材料电缆1 复合材料电缆芯的研究背景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( 2310- 6/ C ) 超出碳纤维复合芯的线膨胀系数( 1. 610- 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1.610- 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 1C上升到186C 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, ACCC 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45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。3 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-GF。T700S 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260C( 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:区为预热区, 一般在120C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; 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;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、氮化硅纤维）与聚合物基体之间的亲和性都较差，复合时容易在界面上形成空隙和缺陷，增强相与基体材料之间难以形成有效的粘结。对于聚合物基复合材料，纤维的表面改性就是竭力促使纤维表面发生化学反应，提高纤维与聚合物基体间的粘合性能，从而最大限度地发挥纤维增强复合材料力学性能的能力。利用物理和化学2种方法对所用碳纤维和玻璃纤维进行处理， 可以有效地改善纤维与树脂的润湿性和界面结合性。美国CTC的产品及纤维表面处理前后对比如图2所示。图2 材料断面的SEM照片3.2 拉挤工艺对复合芯力学性能的影响10将树脂（耐高温改性环氧树脂）、固化剂（液体酸酐）、助剂等按一定比例混合，搅拌均匀，进行真空脱泡后倒入树脂浸渍槽，将含有不同比例混杂的玄武岩纤维和碳纤维放入浸渍槽浸渍树脂，然后进入模具连续固化成型。其中在纤维芯棒内层纤维为混杂的碳纤维和玄武岩纤维，外层主要为玄武岩纤维;加热模具的温度控制分3个区段，分别为145 、160 、145 ，模具长度100 cm，拉挤速度为0. 1 0. 5 m/min拉挤成型工艺过程。混杂纤维复合加强芯的弯曲强度和弯曲模量试验是按 GB /T 13096 2008，在材料万能试验机上测量;热膨胀系数则采用热膨胀仪进行测量。结果如下：(1) 随着纤维体积含量的增加混杂纤维复合芯的弯曲强度和弯曲模量均增加， 而且近乎成线性关系，通过提高纤维含量和采用高强度纤维，可进一步提高纤维复合芯的力学强度;(2) 随着拉挤速度的上升，混杂纤维复合芯的弯曲强度和弯曲模量均有下降，当拉挤速度超过一定临界值后弯曲强度和弯曲模量下降速度加快，因此在复合芯的制备中应严格控制拉挤速度;(3) 对混杂纤维复合芯进行了150 1000h的热老化实验，其弯曲强度并未随着老化时间的增加而下降，相反在老化时间为1000 h时弯曲强度达到更高值;(4) 在温度范围23 100 时混杂纤维复合芯的热膨胀系数仅为0. 330210 6/，在降低线路弧垂方面作用尤为显著。3.3 拉挤成型过程出现的缺陷及原因拉挤成型过程中出现的缺陷及产生的原因如下表所示8。3 .4 芯棒裂纹及竹节产生的原因分析CF高强度、低延伸率，GF低强度、高延伸率，两者之间的线膨胀系数相差近10倍。ACCC/TW导线的芯棒是以碳纤维为芯材、玻璃纤维为表面材料组合而成的实心夹层复合材料（如图7所示），两者组合后碳纤维芯棒的线膨胀系数约1.610- 6- 111。将 ACCC D rake 1020导线与配套的金具压接成一组合体试样,共18组,将各 6组试样分别按导线呈自然直状态、呈直线段受张力状态、呈耐张跳线段状态进行低压大电流通流耐高温热循环试验,试样温升从150 C开始按10C递增,直至升到200C12。表 1 ACCC导线经耐高温热循环试验后芯棒表面检查结果由热力学原理可知12:当温度变化所引起物体的膨胀或收缩受到约束时,会在物体内产生应力, 这种由于温度变化引起的热变形受到约束而产生的应力,称为温度应力或热应力。ACCC导线的芯棒以碳纤维为芯材,玻璃纤维为表面材料组合而成的实心夹层复合材料,温度变化时2种材料相互制约, 可见, 碳纤维与玻璃纤维的膨胀系数之差、碳纤维芯与玻璃纤维层的界面粘结力和温度变化是 ACCC导线的芯棒产生热应力的必要条件。当 ACCC导线承受高温热循环时, 芯棒的膨胀在环向受到了束缚, 产生热应力。当热应力随温度的升高逐渐增加,将破坏碳纤维芯与玻璃纤维层的界面结合力,造成两者局部错位;热应力超越玻璃纤维材料的界面结合力时,玻璃纤维复合材料内的环氧树脂、基体和玻璃纤维丝、 增强体的结合力会被破坏,造成芯棒表面出现裂纹现象,且裂纹量和芯棒表层的颜色将随温升温度的增加而增加12。当 ACCC导线试样呈自然直线状态温升时,芯棒的膨胀趋直线方向是自由的; 当 ACCC导线试样呈直线段受张力状态温升时,芯棒的膨胀趋直线方向且受轴拉力牵引。这2种情况芯棒的膨胀均未受到伸展方向的约束。当 ACCC导线呈耐张跳线段状态时,导线呈弧线,芯棒外侧受拉内侧受压, 温升时受拉侧的膨胀无约束,而受压侧的膨胀受到了束缚, 产生热应力。当热应力随温度的升高逐渐增加, 将破坏碳纤维芯与玻璃纤维层的界面结合力, 造成两者局部的错位;热应力超越玻璃纤维材料屈服应力时, 玻璃纤维复合材料表层原有的弹性变形将转变为塑性变形,温度降至常温后, 芯棒表面就会留下残余变形-“竹节”现象,且这种残余变形量将随温升温度、热循环次数的增加而变大 (如图4和表4所示 )12。3. 5握力试验对比研究12 握力试验值也可视为导线拉断力值, ACCC Drake 1020导线高温时及高温后拉断力的对比见表 5。从表 5的数据可见,碳纤维复合芯铝导线的拉断力随着导线温度的升高有所下降,导线经高温再恢复至常温后,导线的拉断力也有所下降。4、具体的几个制备案例4.1 碳纤维复合芯组合物及碳纤维复合芯的制备方法4.1.113由AFG-90高温环氧树脂，固化剂，促进剂，碳纤维组成，其中AFG-90高温环氧树脂：固化剂：促进剂：碳纤维=100:120-140:1-3:60-80，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，所述的固化剂为甲基四氢苯酐、甲迪纳迪克酸酐，所述的促进剂为2-乙基4-甲基咪唑、二甲胺基甲基、苄基二甲胺。制备方法：A、 碳纤维由纱架经导纱机构，张力控制机构进入偶联剂喷涂器；B、 纤维张力控制器调节张力，纤维单丝张力为45N-55N；C、 偶联剂（Y-氨丙基三乙氧基硅烷NH2-CH2-CH2-CH2-Si-COC2H5）喷涂器中装有高压喷头喷涂雾状KH560溶剂，用95%浓度的乙醇将KH560配制成1%-3%的溶液，喷涂量为0.05cm3/分钟。纤维经偶联剂喷涂器进入真空注射预浸装置浸渍高温环氧树脂胶后进入加热的成型模具中固化成型，其中加热的成型模具分三区加热，即预热区、凝胶区和固化区，三区温度依次分别为120C-130C,160C-170C，170C-190C；D、 固化后再经烘干筒二次固化，固化温度控制为进口温度165C-175C，出口温度140C-160C；E、 整个过程由液压牵引机连续牵引。拉挤速度为9.0cm/分钟。4.1.2 另一种碳纤维复合芯的制造14此法制得的复合芯比重1.95g/cm3,线膨胀系数1.6106（纵向），横向2.77106，抗拉强度2597MPa，极限工作温度250C，持续工作温度180C。1） A组分的制备：取高性能脂环族环氧树脂6份、酚醛树脂3份、晶须粉末抱合剂0.5份、辅助材料0.5份，用高速分散机分散即可；2） B组分的制备：取桐油4份，在桐油中加入辅助材料1份，200C下反应生成桐油树脂，然后加入高温酸酐 树脂5份，用高速分散机分散即可；3） 将A:B两组份各50%，混合均匀，转移至上浆斗，备用；4） 将内芯用碳纤维束和外部用复合纤维束退绕，经过烘干箱65-85C烘干、预热；5） 纤维束然后穿过上浆斗，被上浆斗的树脂浸透，浸透后的纤维束导线器、集纱器集中；6） 将纤维束加热到65-150C，使纤维束上的树脂从液态转为半固化至黏着状态，通过模具压紧，预成型；7） 保持温度不变，将预成型的纤维束通过调节通道，进一步压缩纤维束、排除纤维束中的空气、调节纤维树脂比，将纤维束初步集中，塑造成小股纤维束；8） 进一步将小股纤维束集中、压实，先将内碳芯集中成一束，然后在内碳芯外复合玻璃纤维束，压实、加热至145-205C固化，接着冷却至65-85C，再次加热至145-205C固化，进行二次固化，冷却后，缠绕储存。当然最好两次固化温度的选择与所用树脂的种类有关，两次固化的温度一致，固化效果更好。4.2 几种复合电缆举例4.2.1玻璃纤维与碳纤维复合芯电缆15本例为玻璃纤维和碳纤维复合芯，是采用热固性工艺复合玻璃纤维和热固性树脂，其直径为8mm-25mm；碳纤维复合芯直径为6mm-20mm；采用热塑性工艺将PE涂覆在玻璃纤维和热固性树脂复合而成的内包裹碳纤维加强芯的杆体上。由碳纤维50%-55%、玻璃纤维10%-15%、树脂及辅助材料30%-40%组成。其中树脂为环氧树脂及乙烯基树脂。配置树脂原料，应在搅拌机上充分搅拌，搅拌时间不少于5分钟。搅拌好的树脂原料须经80目网筛过滤后，方可倒入树脂槽中。工艺熟化区域20010C和定型区域14010C，并通电加热模具。碳纤维圆形体与玻璃纤维纱经树脂槽和加热模具加热，然后再经烘箱定型，生产线最高车速为8m/min,生产过程中，为改善产品表面质量，允许车速在5m/min-8m/min范围内适当调整。提前2-3小时，启动挤出机的加热系统，并按工艺要求调整好各加热区的温度。4.2.2 玄武岩纤维与碳纤维复合芯16、芳纶纤维与碳纤维复合芯17针对玻璃纤维、碳纤维复合芯生产效率慢，弯曲半径较大的不足，研究了由碳纤维50%-55%、玄武岩纤维（或芳纶纤维）10%-15%、树脂及辅助材料30%-40%组成的复合芯。碳纤维束丝经集聚机架将碳纤维束丝集聚呈圆形体向外拉出，碳纤维圆形体在玄武岩纤维（或芳纶纤维）纱的包裹下同步向外穿过模具拉出。搅拌好的树脂原料须经80目网筛过滤后，方可倒入树脂槽中。工艺熟化区域20010C和定型区域14010C，并通电加热模具。4.2.3 复合材料加强导线18由于复合芯外芯的纤维都是沿电缆长度方向分布，造成横向的力学性能比较弱，在缠绕外层铝导体的时候，很容易造成外芯的破坏，而且这种破坏由于外层铝导体的遮盖而很难发现。在电缆的使用过程中，在湿度、腐蚀和温度环境会直接作用到碳纤维复合材料内芯上，从而降低复合芯的承载性能并缩短复合芯的使用寿命。故制造一种复合材料加强筋，包括保护体和承载体。保护体的纤维毡或者纤维布包括玻璃纤维、玄武岩纤维或者芳纶纤维，纤维毡的纤维是不定项分布的，纤维布的纤维包括垂直和平行于加强筋长度方向的纤维；承载体的纤维包括碳纤维。承载体为圆柱形，保护体为圆环形，并且所述承载体和保护体形成同心圆形。所述加强筋包括至少一根沿加强筋纵向定向的金属线体（如钢丝）。上述加强筋由于保护层增加了横向纤维，似的保护层增加了横向力学性能。采用拉挤工艺制造加强筋，模具包括可以分开/闭合的瓣模，即瓣模分开时加强筋工料运动，瓣模闭合时形成一个完整的模具，加强筋工料在模具中固化。其中至少包括一次感应加热步骤，所述感应加热步骤通过感应加热设备对加强筋工料中的金属线体进行加热。4.2.4 非金属复合材料芯线19非金属复合材料芯线具有线膨胀系数小、重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、韧性好等特点。抗拉强度在2000-3500MPa。包括内部芯件，中间涂层构件及外部涂层构件。内部芯件包括若干玻璃纤维束，中间涂层构件包括若干碳纤维束，中间涂层构件包覆在内部芯件外，外部涂层包括若干无硼E级玻璃纤维束，外部涂层构件包覆在中间涂层构件外，在外部涂层构件的外面有保护层，保护层能抗紫外线。纤维与基体材料的体积比例78:19-25。例如：采用S级玻璃纤维，中间涂层构件采用24K碳纤维，外部涂层构件采用无硼E级玻璃纤维；内部基体材料、中间基体材料、外部基体材料相同：均包括65%AG-80环氧树脂和20%E-54环氧树脂、0.8%XB3022促进剂、14.2%HY918固化剂；保护层包含45%AG-80环氧树脂、28%CHDM、15%HY918、1%DY070、5%碳酸钙晶须、6%纳米SiO2.4.2.5 复合超高强铝导线20由一复合超高强芯线（10）和沿其长度方向绞合于其上的铝线构成。所述复合超高强芯线（10）包括纵向延伸的高性能碳纤维束（11）、高强度的玄武岩纤维束（12）为主芯，和螺旋状连续缠绕主芯的高强S玻璃纤维束（13），以及将高性能碳纤维束（11）、高强度玄武岩纤维束（12）、高强S玻璃纤维束（13）固结为一体的改性热塑性树脂。重量百分比碳纤维束：玄武岩纤维束：玻璃纤维束：热塑性树脂=20-25%：30-45%：20-25%：15-30%。所述改性热塑性树脂按重量百分比的组分为聚四氟乙烯：聚酰亚胺=25-50%：50-75%。4.2.6 树脂的Tg与运行温度及强度的关系21此导线可根据导线最高运行温度和拉断力指标要求制造导线，从而实现合理价格，以满足新建线路、旧线路改造的各种要求。一种复合加强芯架空导线，包括线芯，该线芯周围绞绕有铝线，导线直径为16-40mm，所述线芯是1根含有碳纤维、玻璃纤维的树脂基复合材料芯棒，该芯棒周围分层绞绕2-4层电工软铝线，其中铝线截面为圆形或异形，芯棒是以碳纤维为中心层、外部包覆玻璃纤维，并经热固性树脂浸润固化处理所形成的圆形复合材料芯棒，直径为6.3-8.49mm，其中碳纤维和玻璃纤维是连续的，芯棒中所含玻璃纤维的重量百分比为30%-50%。芯棒直径为6.3-8.4mm，碳纤维重量百分比为30%-50%，基体材料为环氧树脂，玻璃化转变温度Tg分为120-130C、150-160C、180-190C、220-230C四种情况，其安全运行温度分为100C、130C、160C、200C四个等级，其抗拉强度在1880-2706MPa范围内。芯棒直径为6.3mm，安全运行温度100C时，其芯棒所含碳纤维的重量百分比为30%-50%，玻璃化转变温度Tg分为120-130C、150-160C、180-190C、220-230C，其抗拉强度分为1907、2427、2677MPa三个等级。芯棒直径为7.5mm，安全运行温度100C时，其芯棒所含碳纤维的重量百分比为30%-50%，玻璃化转变温度Tg分为120-130C、150-160C、180-190C、220-230C，其抗拉强度分为1880、2088、2353、2706MPa四个等级。芯棒直径为8.4mm，安全运行温度100C时，其芯棒所含碳纤维的重量百分比为30%-50%，玻璃化转变温度Tg分为120-130C、150-160C、180-190C、220-230C，其抗拉强度分为2313、2441、2684MPa三个等级。4.2.7 特殊形状的复合芯导线22普通复合芯采用了碳纤维/环氧树脂内部芯及玻璃纤维/环氧树脂外部芯同心复合结构，但是由于复合芯采用拉挤成型工艺，碳纤维内部芯外围的外部芯玻璃纤维仍然为纵向平行直排，纵向直排纤维对内部碳纤维/树脂芯抱合力有限，基本没有抱紧抗开裂作用，断裂韧性低。本实例提供一种复合芯，包括碳纤维内层和绝缘纤维（玄武岩纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维中的一种或任意组合）外层，所述绝缘纤维外层呈螺纹状包覆在所述碳纤维内层上，还包括导电介质（铝、铜、银、金、铂），导电介质嵌在呈螺纹状的绝缘纤维的纹缝中。上述碳纤维内层为三维织物拉挤缠绕成型。，且外层缠绕包覆螺纹状的绝缘纤维，从而大大提高了复合芯横向的强度和韧性，使其具有良好的抗弯曲能力。上述绝缘纤维外层的直径为1-3mm，碳纤维内层的直径为4-15mm，复合芯的密度为1-3g/cm3,优选密度为1.7-1.9g/cm3.。此复合芯导线的拉断力为120-180KN。此复合芯导线，由于采用碳纤维增强树脂基复合材料作为承载力的导线芯，具有拉伸强度大、韧性好、热膨胀系数小、弧垂低的特点。同时，由于复合芯与导电介质可以紧密结合，从而可以避免由导线变形引起的电晕和电干扰等问题。4.2.8 铝基碳纤维复合材料芯导线23这是一种导电率更高、强度更大、耐高温并且没有“竹节”相信的新型架空导线。利用铝基碳纤维复合材料作为导线内芯，在复合内芯的外层绞合铝合金导体，代替ACCC导线树脂基碳纤维复合材料内芯。利用金属比树脂基体具有更高的强度、耐热性、导电导热性及抗老化性能的优点制备比树脂基复合材料性能更为优异的导线复合内芯。4.2.9 耐蚀防振导线24本例导线通过间隙实现自阻尼防振。包括加强内芯和外围绞合电导体，其特征在于所说加强内芯为纤维树脂定型细长体（至少有碳纤维和/或玄武岩纤维组成，体积混合比为40-60%/60-40%），加强内芯与最外层绞合电导体间有0.5-8mm的间隙，间隙中填充有油膏或油脂。，绞合电导体最外层表面有聚氨酯涂层。纤维树脂细长体为中心工字芯、外包组合套管的拼合芯。4.2.10 复合倍容量导线此复合芯铝绞线，其中心为由碳纤维制成的线芯，在线芯外同心绞合有至少二层、每层至少六根截面为S形或Z形的铝绞线。与普通截面为圆形的金属线相比，可以提高导电层的填充率，从而提高导电能力25。另有截面为瓦形26以及铝合金线的截面一侧带有凸起，另一侧带有与此凸起相匹配的凹槽的梯形截面的铝绞线27。4.2.11 多芯绞合型碳纤维复合材料电缆芯28包括绝缘层2和芯层3，所述芯层3由碳纤维4和树脂体系5构成，绝缘层环向缠绕在芯层外层，其特征在于：多束碳纤维浸渍树脂体系后加捻成股，加捻的捻回角范围为1-10。绝缘层通常为玻纤纱或布。优点：一是碳纤维加捻后缠绕玻璃纤维，使捻后的纤维不易松散从而有利于二次加捻及固化；二是采用多芯加捻工艺使电缆芯耐疲劳性能较同截面单根电缆芯好，并且可以有效避免单芯结构发生某处缺陷而导致断裂的现象；三是多芯结构的电缆芯惯性矩较小，柔韧性好，可以减小卷轴直径，便于收卷、包装、运输。4.2.12 一种防覆冰接触网导线29该导线是以碳纤维作为发热材料与金属导电介质几何的防覆冰电力导线。包括碳纤维中心体，以及包覆在碳纤维中心体外部的导电介质层，所述碳纤维中心体是碳纤维棒、或单股的碳纤维束、或多股碳纤维束、导电介质层是铜、铝、铜合金、铝合金、银铜合金。导电介质在外环的二分之一上部左右对称具有两个V形缺口。具有抗拉强度高、弹性模量大、温差变化小、柔韧性好的特点，关键在于其具有自动加热防覆冰的功能。4.2.13 一种加强芯扩径导线30加强芯扩径导线包括内芯和绞绕在所述内芯上的导电层，优选采用7根单纤维绞合而成的碳纤维芯，碳纤维芯层可用环氧树脂将碳纤维丝拉挤、固化到一起，再用玻璃纤维布在其外层挤拉一层保护层制成。根据不同的要求对环氧树脂的耐温等级分别为90C、120C、150C、200C。导电层包括一层或多层疏绕层和位于疏绕层上的一层或多层绞合层。疏绕层包括邻内层2和邻外层3，邻内层右向和邻外层左向由内向外依次绞绕在碳纤维芯层上；紧密绞合层包括外层4，外层右向紧密绞合在邻外层3上。邻内层和邻外层采用铝单线制成，邻内层、邻外层、外层教的的节距范围分别为210-230mm、270-290mm、300-330mm。外层4采用铝单线绞绕而成。4.2.14 架空输电铝绞线用智能复合芯31虽然ACCC导线性能优异，但碳纤维价格昂贵，大面积应用受资金等条件限制，故采用玄武岩纤维制复合芯。玄武岩纤维具有性价比高、比强度、比模量高、耐低温（269-650C）、抗水损害性能好。耐紫外线光照、电绝缘、防火阻燃等特点。此智能复合芯是由玄武岩纤维-高强钢丝-分布式连续光纤传感器、耐高温树脂和耐高温阻燃涂层构成。在牺牲部分性能的情况下，也可采用玻璃纤维代替玄武岩纤维和其他材料形成智能复合芯。其主要结构是：将玄武岩纤维、高强钢丝和分布式连续光纤传感器和耐高温树脂一次性挤拉复合形成复合芯材，其中高强钢丝、一根连续光纤传感器和玄武岩纤维与耐高温树脂复合分布在复合芯材的内芯，再将玄武岩纤维和另一根连续光纤传感器和耐高温树脂复合分布在中央内芯周围形成外芯；最后在外芯上再涂覆一层耐高温阻燃涂层。以复合芯材为核心将铝导线通过扭绞方式形成输电铝绞线。该新型复合芯材，其玄武岩纤维和高强钢丝的体积比例为4:1-1:1，复合芯材中耐高温树脂基体体积占整个复合芯材的体积不大于50%。4.2.15 一种自熄性碳纤维电缆32包括碳纤维复合芯导线、绝缘层、阻燃包带层和护套层。碳纤维复合芯导线外面包覆绝缘层，绝缘层外面包覆阻燃包带层，护套层包覆于阻燃包带层外面，是电缆的最外层。绝缘层为聚醚砜绝缘层，厚度为0.5-1.5mm。阻燃包带层的制备包含由聚合物基体和无机阻燃填料组成的阻燃组合物和脱水剂。聚合物基体选自聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯酸酯共聚物；无机阻燃填料选用天然氢氧化镁；脱水剂选自氧化钙、沸石或其混合物，含量为5-10wt%。阻燃包带层的制备过程为将聚合物基体和无机阻燃填料放入密闭式Banbury混合机中混合，当温度升至200C时添加脱水剂，充分混合10-15分钟，然后将此组合物从机筒中挤出在包含绝缘层的碳纤维复合芯导线上。组合物在挤出机中的温度保持在200C。4.2.16 抗老化复合材料电缆33对于纤维增强环氧树脂复合材料的电缆，环氧树脂长期户外暴露，抗老化性能下降较大，输电耐温不能超过120C，因而一定上限制了在超高压和特高压线路上的应用。为此，制备了一种新型碳纤维复合材料线体，包括碳纤维与酚醛树脂的均匀固化体芯层，芯层外层为混杂纤维增强酚醛树脂基复合材料的缠绕体。芯层断面为圆形，直径为5-30mm，碳纤维沿芯层轴向单向排布，碳纤维含量50-75%，酚醛树脂含量50-30%。外层为圆环形，厚度为1-10mm，其中纤维是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维的一种或几种的混合体，纤维含量40-70%。酚醛树脂含量60-30%，缠绕角度范围0-90。此线体拉伸强度超过1800MPa，拉伸模量大于120GPa，使用温度超过150C，耐腐蚀性能优良，特别适合连续生产，效率高，稳定性好。4.2.17 碳纤维晶须增强接触网导线34碳纤维晶须增强接触网导线具有抗拉强度高、弹性模量大、柔韧性好、重量轻的特点，关键在于导线张力和驰度随气温变化小的特点。碳纤维的含碳量不小于90%，抗拉强度不小于3500MPa；所述晶须为氧化锌晶须，也可以是硫酸钙晶须、硫酸镁晶须、氧化镁晶须、碳化硅晶须；金属导电介质为铜、银、铝、镁、锌或铜合金、银合金、铝合金、镁合金、锌合金；所述添加剂为镍、锡、铌。所述接触网导线整体为环形结构，且在外环的二分之一上部左右对称具有两个V形缺口。碳纤维、晶须预先浸镀金属导电介质，然后将浸镀金属导电介质的碳纤维、晶须、添加剂按照9:1:1的比例充分混合均匀，放在热压成型机上挤压形成原材铸坯。热压时的压强为100-300MPa，热压温度为750-1300C，保温时间为20-30分钟。5 应用领域 35新型复合材料合成芯导线是一种全新概念的架空输电线路用导线，与同等直径的常规导线相比，具有许多优越性，在以下有特别要求的应用场合具有应用和推广的价值： （1）具有与传统钢芯铝绞线相当的重量和刚度，合成芯材重量轻，在选用与原 ACSR相同重量的导线时，相当于导线上有更多的铝材。 （2）合成芯导线可运行在远高于 ACSR 导线的运行温度下，具有更高的载流容量，以及复合材料导线更高的强度和小得多的弛度，因此允许对现有铁塔不作修改，仅用复合材料导线替换原有常规线路，可实现大幅增大现有走廊的输送功率。从而避免大范围的重建，减少停电时间。 （3）由于弛度小，可采用较矮的铁塔实现新建的大跨越以及普通线路工程，并可有效减小风偏，在特殊气候条件下保证输送容量。 （4）降低线路电晕损耗和减小电磁场辐射。 （5）由于复合材料增强的耐热特性，可减少冰的集结，或在重覆冰地区，可采用更小直径的复合导线，在不改变输送容量的情况下实现安全输送。 （6）由于导线中的金属材料仅有铝材，可用在高腐蚀的地区。 另外5，山东大学的一篇硕士毕业论文中，采用碳纤维（T700-12K）、耐热环氧树脂、甲基四氢苯酐（固化剂）为原料制的碳纤维复合导线芯。确定了固化温度为200-220C，最佳固化剂含量为40%。并将此制品的热膨胀系数、玻璃化转变温度、抗拉强度、纤维与基体的粘结性能与美国的ACCC进行了对比。此外，还研究了复合芯的湿热老化行为。6、参考文献1 程显军.电源导线的玻璃纤维与碳纤维复合芯P.国家发明专利，公开号：200920012806.7.2 杨宁.ACCC碳纤维复合芯导线技术在我国的应用前景分析.电气应用，2008,27（5）.3 余长水，余虹云，曹钧.碳纤维复合芯铝导线高温拉断力探讨.浙江电力，2008,3:4448.4 孙微，贺福.高端新产品-碳纤维复合芯电缆