專利名稱：鋁導(dǎo)體復(fù)合材料芯增強(qiáng)電纜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁導(dǎo)體復(fù)合材料芯(ACCC)增強(qiáng)電纜及其制備方法。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于供電的電纜，其具有由能夠承載增加的載流容量并在高溫下工作的鋁導(dǎo)線圍繞的復(fù)合材料芯，該復(fù)合材料芯由纖維增強(qiáng)體(fiber reinforcement)和基體構(gòu)成。
背景技術(shù)：
人們曾經(jīng)嘗試開發(fā)由單一類型的纖維和熱塑性樹脂構(gòu)成的復(fù)合材料芯。其目的在于提供利用增強(qiáng)塑料復(fù)合材料芯作為電纜中的承重構(gòu)件的輸電電纜，及提供通過利用內(nèi)部增強(qiáng)塑料芯的輸電電纜傳輸電流的方法。所述單一纖維/熱塑性復(fù)合材料芯未能實(shí)現(xiàn)這些目的。一種纖維/熱塑性系統(tǒng)不具有在防止電纜下垂的同時(shí)有效地傳遞載荷所需的物理特性。其次，包含玻璃纖維和熱塑性樹脂的復(fù)合材料芯未能滿足載流容量增加所需的工作溫度，即，90℃和240℃之間，或者更高的溫度。
熱塑性復(fù)合材料芯物理性能還受處理方法限制。以前的處理方法不能實(shí)現(xiàn)高的纖維與樹脂體積或重量比例。這些方法不會(huì)產(chǎn)生將實(shí)現(xiàn)電纜所需強(qiáng)度的富纖維芯。而且，以前的處理方法的處理速度受到方法本身的固有特性限制。例如，常規(guī)的擠出/拉擠成型模具長為大約36英寸，其具有恒定的橫截面。較長的模具引起復(fù)合材料和模具之間的摩擦力增加，延緩了處理時(shí)間。在用于熱塑性/熱固性樹脂的這種系統(tǒng)中的處理時(shí)間為約3～12英寸/分鐘。利用聚酯和乙烯基酯樹脂的處理速度能夠以高達(dá)72英寸/分鐘生產(chǎn)復(fù)合材料。在需要數(shù)千英里的電纜的情況下，這些緩慢的處理速度未能以經(jīng)濟(jì)上可以接受的方式滿足需要。
因此需要設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)上可行的電纜，其使得載流容量容易增加，而不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電纜下垂。還需要利用這樣的方法處理復(fù)合材料芯，即，使復(fù)合材料芯在處理過程中成形和調(diào)整，并且能夠以高達(dá)或超過60英尺/分鐘的速度進(jìn)行處理。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題在常規(guī)鋁導(dǎo)體鋼增強(qiáng)電纜(ACSR)中，鋁導(dǎo)體傳輸電能，鋼芯提供強(qiáng)度構(gòu)件(strength member)。導(dǎo)體電纜受到組分的固有物理特性抑制；這些組分限制載流容量。載流容量為通過電纜送電力的量度。電纜中電流或功率增加引起導(dǎo)體的工作溫度的相應(yīng)增加。過多的熱將引起常規(guī)電纜下垂至低于允許的水平，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)芯較高的熱膨脹系數(shù)引起構(gòu)件膨脹，導(dǎo)致電纜下垂。一般的ACSR電纜能夠在至多75℃的溫度下連續(xù)工作，而不使與下垂有關(guān)的導(dǎo)體的物理性能發(fā)生重大變化。在高于100℃下工作任何長的時(shí)間，ACSR電纜經(jīng)受塑性的(plastic-like)和永久性的伸長，以及強(qiáng)度的大幅降低。這些物理變化引起過多的線下垂。線下垂被認(rèn)為是2003年美國東北停電的主要原因之一。溫度限制將用795kcmil ACSR‘Drake’導(dǎo)體架設(shè)的一般230-kV線的電力負(fù)載額定值抑制至約400MVA，相應(yīng)于1000A的電流。因此，為了增加輸電電纜的負(fù)荷能力，必須利用具有允許載流容量增加而不引起過多線下垂的固有特性的組分設(shè)計(jì)電纜本身。
雖然載流容量增益可以通過增加圍繞輸電電纜的鋼芯的導(dǎo)體面積獲得，但是導(dǎo)體體積增加會(huì)提高電纜的重量并有助于下垂。而且，重量提高需要電纜在電纜支架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中使用增加的張力。這種重量大幅提高一般會(huì)需要輸電塔和電線桿的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)或替換?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)變更在經(jīng)濟(jì)上一般是不可行的。因而，在利用現(xiàn)有的輸電結(jié)構(gòu)和電線的同時(shí)，增加輸電電纜上的負(fù)荷容量，存在著經(jīng)濟(jì)目的。
技術(shù)方案鋁導(dǎo)體復(fù)合材料芯(ACCC)增強(qiáng)電纜能夠改善現(xiàn)有技術(shù)中的問題。ACCC電纜為具有復(fù)合材料芯的電纜，該復(fù)合材料芯包含一種或多種嵌入基體中的纖維類型增強(qiáng)體。所述復(fù)合材料芯包覆有電導(dǎo)線。ACCC增強(qiáng)電纜為高溫、低弛度導(dǎo)體，其能夠在高于100℃的溫度下工作，同時(shí)具有穩(wěn)定的拉伸強(qiáng)度和蠕變伸長性質(zhì)。在示例性實(shí)施方案中，ACCC電纜能夠在高于100℃的溫度下工作，在一些實(shí)施方案中，在高于240℃的溫度下工作。具有相似外徑的ACCC電纜的線額定值(line rating)可能比現(xiàn)有技術(shù)電纜增加至少50％，而不明顯改變導(dǎo)體的總重量。
根據(jù)本發(fā)明，在一個(gè)實(shí)施方案中，ACCC電纜包括芯，該芯包含由保護(hù)性涂層圍繞的復(fù)合材料。該復(fù)合材料包含多根纖維，該纖維選自一種或多種纖維類型并嵌入基體中。所述ACCC電纜的重要特性為結(jié)構(gòu)芯的較高的彈性模量和較低的熱膨脹系數(shù)。ACCC芯還比以前的芯設(shè)計(jì)直徑更小、重量更輕、且更牢固，且在大約相等的重量下，通過在相同的總面積中增加額外的導(dǎo)體材料，使導(dǎo)體電纜的載流容量增加。還需要設(shè)計(jì)具有長期耐力的復(fù)合材料芯。在高工作溫度和其將要暴露的其它環(huán)境條件下，復(fù)合材料強(qiáng)度構(gòu)件應(yīng)該工作最少40年，更優(yōu)選為它的2倍。
在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明公開一種用于電纜的復(fù)合材料芯，其包括由先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)成的內(nèi)芯，該先進(jìn)復(fù)合材料包含至少一種在熱固性樹脂中縱向定向且基本連續(xù)的增強(qiáng)纖維類型；由低模量復(fù)合材料構(gòu)成的外芯，該低模量復(fù)合材料包含至少一種在熱固性樹脂中縱向定向且基本連續(xù)的增強(qiáng)纖維類型；及圍繞所述復(fù)合材料芯的外部膜，其中所述復(fù)合材料芯包括至少約160Ksi的拉伸強(qiáng)度。
在又一個(gè)實(shí)施方案中，公開一種處理用于電纜的復(fù)合材料芯的方法。步驟包括將一種或多種類型的縱向定向且基本連續(xù)的纖維類型拉過樹脂，形成纖維樹脂基體；從該纖維樹脂基體中除去過量的樹脂；通過至少一種第一模具類型處理纖維樹脂基體，將纖維壓縮成由該至少一種模具確定的幾何形狀；引入外部膜；將該外部膜包覆在復(fù)合材料芯周圍；通過至少一種第二模具類型處理纖維樹脂基體，壓縮所述復(fù)合材料芯和涂層；及固化復(fù)合材料芯和涂層。
在各種實(shí)施方案中，所述保護(hù)性涂層在制備過程中有助于芯的拉擠成型，并起著保護(hù)芯不受包括例如環(huán)境條件和對構(gòu)成芯的樹脂的影響在內(nèi)的各種因素干擾。


通過參照結(jié)合附圖的本發(fā)明的詳細(xì)說明，本發(fā)明的這些和其它特征得到最好地理解，附圖中圖1為根據(jù)本發(fā)明的鋁導(dǎo)體復(fù)合材料芯(ACCC)增強(qiáng)電纜的一個(gè)實(shí)施方案示意圖，該電纜具有由兩層鋁導(dǎo)體圍繞的內(nèi)部復(fù)合材料芯和外部復(fù)合材料芯。
圖1B為根據(jù)本發(fā)明的鋁導(dǎo)體復(fù)合材料芯(ACCC)增強(qiáng)電纜的一個(gè)實(shí)施方案示意圖，該電纜具有由外部保護(hù)層和兩層鋁導(dǎo)體圍繞的內(nèi)部復(fù)合材料芯和外部復(fù)合材料芯。
圖2為根據(jù)本發(fā)明五種可能的復(fù)合材料芯截面幾何形狀的剖視圖。
圖3為根據(jù)本發(fā)明處理復(fù)合材料芯的方法的一個(gè)實(shí)施方案的剖視圖。
為了清楚起見，各圖均包括附圖標(biāo)記。這些附圖標(biāo)記遵循共同的命名法。附圖標(biāo)記將有3位數(shù)。第一位數(shù)表示首次使用該附圖標(biāo)記的圖號。例如，首次用于圖1中的附圖標(biāo)記將具有如同1XX的數(shù)字，而首先用于圖4的數(shù)字將具有如同4XX的數(shù)字。另外兩位數(shù)表示圖中的特定元件。圖1中的一個(gè)元件可以為101，而另一個(gè)元件可以為102。用于后面圖中的同樣的附圖標(biāo)記表示相同的元件。例如，圖3中的附圖標(biāo)記102為與圖1中所示相同的元件。另外，附圖不一定按比例繪制，而只要構(gòu)造得能清楚地說明本發(fā)明即可。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的ACCC增強(qiáng)電纜的實(shí)例如下。ACCC增強(qiáng)電纜包括四層組分，其構(gòu)成如下內(nèi)部碳/環(huán)氧層，其次玻璃-纖維/環(huán)氧層，Kapton表面材料，及兩層或多層四面體形鋁絞線。強(qiáng)度構(gòu)件由直徑為約0.28英寸的先進(jìn)復(fù)合材料T700S碳/環(huán)氧構(gòu)成，該先進(jìn)復(fù)合材料被層直徑(layer diameter)為約0.375英寸的250得量(yield)Advantex E-玻璃-纖維/環(huán)氧外層圍繞。該玻璃-纖維/環(huán)氧層被9條直徑為約0.7415英寸的梯形鋁絞線內(nèi)層和13條直徑為約1.1080英寸的梯形鋁絞線外層圍繞。碳的總面積為約0.06in2，玻璃的總面積為約0.05in2，內(nèi)層鋁的總面積為約.315in2，外層鋁的總面積為約.53in2。內(nèi)部碳強(qiáng)度構(gòu)件中纖維與樹脂的重量比例為65/35，外部玻璃層纖維與樹脂的重量比例為60/40。
詳細(xì)說明總結(jié)于下表中E-玻璃

碳(石墨)

環(huán)氧基體體系

在可供選擇的實(shí)施方案中，S-玻璃可以代替上述實(shí)施例中的全部或部分E-玻璃。S-玻璃的值示于下表中。

發(fā)明的實(shí)施方式現(xiàn)在將在下文中參照附圖更充分地描述本發(fā)明，附圖中圖示了本發(fā)明的示例性實(shí)施方案。然而，本發(fā)明可以體現(xiàn)為許多不同的形式，并不應(yīng)該解釋為限于本文中所提出的實(shí)施方案；相反，提供這些實(shí)施方案，使得公開將向本領(lǐng)域的技術(shù)人員全面地轉(zhuǎn)達(dá)本發(fā)明的范圍。
ACCC增強(qiáng)電纜本發(fā)明涉及一種增強(qiáng)復(fù)合材料芯構(gòu)件，其中所述構(gòu)件還包括外表面涂層。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述復(fù)合材料芯包括由多根嵌入到基體中的纖維增強(qiáng)體制成的復(fù)合材料，該纖維增強(qiáng)體來自一種或多種纖維類型。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案將復(fù)合材料芯用于一種鋁導(dǎo)體復(fù)合材料芯增強(qiáng)(ACCC)電纜中。這些ACCC電纜可以為電力分配裝置作準(zhǔn)備，其中該電力分配裝置包括分配和輸電電纜。圖1圖示了ACCC增強(qiáng)電纜300的實(shí)施方案。圖1中的實(shí)施方案圖示了ACCC增強(qiáng)電纜，其包括被第一層鋁導(dǎo)體306圍繞的復(fù)合材料芯303，該復(fù)合材料芯進(jìn)一步包括碳纖維增強(qiáng)體和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料內(nèi)芯302及玻璃纖維增強(qiáng)體和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料外芯304。該實(shí)施方案中的導(dǎo)體包括多條螺旋形圍繞復(fù)合材料芯的梯形鋁絞線。第一層鋁還被第二層梯形鋁導(dǎo)體308圍繞。
圖1B所示的本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案圖示了ACCC增強(qiáng)電纜300，其包括被保護(hù)性涂層或膜305圍繞的復(fù)合材料芯303，該復(fù)合材料芯303進(jìn)一步包括碳纖維增強(qiáng)體和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料內(nèi)芯302及玻璃纖維增強(qiáng)體和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料外芯304。所述保護(hù)性涂層將在下面進(jìn)一步討論。該保護(hù)性涂層還被第一層導(dǎo)體306圍繞。該第一層還被第二層導(dǎo)體308圍繞。
本發(fā)明的復(fù)合材料芯的拉伸強(qiáng)度可以大于200Ksi，更優(yōu)選為約200～380Ksi；其彈性模量大于7Msi，更優(yōu)選為約7～37Msi；工作溫度能力大于-45℃，更優(yōu)選為約-45～240℃或更高；及熱膨脹系數(shù)低于1.0×10-5/℃，更優(yōu)選為約1.0×10-5～-0.6×10-6/℃。
為了獲得上述范圍內(nèi)的復(fù)合材料芯，可以使用不同的基體材料和纖維類型。在下面進(jìn)一步解釋基體和纖維性質(zhì)。首先，基體材料使纖維嵌入。換言之，基體包裹纖維并與其固定在一起作為一個(gè)單元-載荷構(gòu)件。基體協(xié)助纖維充當(dāng)單一單元，以經(jīng)受住作用于ACCC電纜上的物理力。所述基體材料可以為能夠?qū)⒗w維嵌入并包裹到復(fù)合材料芯中的任何類型的無機(jī)或有機(jī)材料?；w可以包括，但不限于，諸如膠、陶瓷、金屬基體、樹脂、環(huán)氧、改性環(huán)氧、泡沫、彈性體、環(huán)氧酚醛樹脂混合物或其它高性能聚合物的材料。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到可以用作基體材料的其它材料。
雖然可以使用其它材料，但是本發(fā)明的示例性實(shí)施方案采用改性的環(huán)氧樹脂。在整個(gè)本發(fā)明的余下部分，可以使用術(shù)語樹脂或環(huán)氧表示基體。然而，使用術(shù)語環(huán)氧和樹脂并不是將本發(fā)明限制于那些實(shí)施方案，而是所有其它類型的基體材料也包含在本發(fā)明中。本發(fā)明的復(fù)合材料芯可以包括物理性能可調(diào)的樹脂，以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。而且，根據(jù)本發(fā)明的樹脂包含多種組分，該組分可以根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行調(diào)節(jié)和改性。
本發(fā)明可以采用任何適宜的樹脂。另外，在各種實(shí)施方案中，設(shè)計(jì)樹脂以便容易制備。根據(jù)本發(fā)明，為了高反應(yīng)性和較快的生產(chǎn)線速度，可以優(yōu)化各種樹脂粘度。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以采用環(huán)氧酸酐體系。為了芯所需的性質(zhì)以及制備而優(yōu)化樹脂體系的重要方面是選擇最佳的催化劑組合。例如，根據(jù)本發(fā)明，應(yīng)該優(yōu)化催化劑(或‘促進(jìn)劑’)，以在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生最大量的樹脂組分的固化，同時(shí)發(fā)生最少量的能夠產(chǎn)生裂紋的副反應(yīng)。另外，還期望催化劑為了增加貯存期在低溫下是不活潑的并且為了制備過程中最快的拉拔時(shí)間在高溫下是非常活潑的。
在一個(gè)實(shí)施方案中，可以特別對于高溫固化工藝設(shè)計(jì)乙烯基酯樹脂。另一個(gè)實(shí)例為液體環(huán)氧樹脂，其為環(huán)氧氯丙烷和雙酚-A的反應(yīng)產(chǎn)物。另一個(gè)實(shí)例為高純度雙酚-A縮水甘油醚。其它實(shí)例包括聚醚酰胺，雙馬來酰亞胺(bismalimide)，各種酸酐，或者酰亞胺。另外，可以根據(jù)最終復(fù)合材料芯構(gòu)件所需的性質(zhì)和處理方法來選擇固化劑。例如，固化劑可以為脂肪族聚胺、聚酰胺及其改性型式。其它適宜的樹脂可以包括熱固性樹脂、熱塑性樹脂或熱塑改性的樹脂、增韌樹脂(toughened resin)、彈性改性的樹脂、多功能樹脂、橡膠改性的樹脂、氰酸酯、或者聚氰酸酯樹脂。某些熱固性和熱塑性樹脂可以包括，但不限于，酚醛，環(huán)氧，聚酯，高溫聚合物(聚酰亞胺)，尼龍，含氟聚合物，聚乙烯(polyethelene)，乙烯基酯等。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到在本發(fā)明中可以使用其它樹脂。
依據(jù)計(jì)劃中的電纜應(yīng)用，根據(jù)所需電纜性質(zhì)來選擇適宜的樹脂，以使所述復(fù)合材料芯在高溫工作中具有長期耐力。還可以根據(jù)復(fù)合材料芯的形成方法選擇適宜的樹脂，以使處理過程中摩擦最小，從而增加處理速度，及實(shí)現(xiàn)在最終的復(fù)合材料芯中適當(dāng)?shù)睦w維與樹脂的比例。根據(jù)本發(fā)明，樹脂的粘度可以為約50～10000cPs，優(yōu)選為約500～3000cPs，更優(yōu)選為約800～1800cPs。
本發(fā)明的復(fù)合材料芯包括具有良好力學(xué)性質(zhì)和耐化學(xué)品性的樹脂。這些樹脂在使用的至少40年內(nèi)，能夠在長期暴露于環(huán)境下發(fā)揮作用。更優(yōu)選地，本發(fā)明的復(fù)合材料芯可以包括在使用的至少約80年內(nèi)在長期暴露下具有良好力學(xué)性質(zhì)及耐化學(xué)品性、耐水性和耐UV性的樹脂。而且，本發(fā)明的復(fù)合材料芯包括這樣的樹脂，其可以在-45～240℃或更高的溫度下，在任何地方工作，并且在溫度極限下，具有下降最小的結(jié)構(gòu)性能特性。
根據(jù)本發(fā)明，為了優(yōu)化復(fù)合材料芯的性質(zhì)和制備過程，樹脂可以包括多種組分。在各種實(shí)施方案中，樹脂包括一種或多種硬化劑/促進(jìn)劑，以在固化過程中給予幫助。選擇的促進(jìn)劑取決于樹脂和制備過程中模具溫度。而且，為了改善生產(chǎn)線速度和表面質(zhì)量，樹脂可以包括表面活性劑以有助于降低表面張力。樹脂還可以包括粘土或其它填料。這些成分對于樹脂增加了體積，并起著降低成本的作用，同時(shí)保持樹脂的物理性能。還可以加入額外的添加劑，例如，使樹脂耐UV的耐UV添加劑，及著色添加劑(coloring additive)。
通常，樹脂體系的伸長性質(zhì)應(yīng)該超過所采用的玻璃、碳或其它纖維的伸長性質(zhì)。例如，環(huán)氧體系的實(shí)施方案可以包括利用酸酐硬化劑和咪唑促進(jìn)劑的低粘度多功能環(huán)氧樹脂。這種類型的環(huán)氧體系的實(shí)例可以為由HuntsmanInc.制造的AralditeMY 721/硬化劑99-023/促進(jìn)劑DY 070熱固化環(huán)氧基體體系，并且在2002年9月的同樣標(biāo)題的數(shù)據(jù)表中對其作出說明。所述樹脂具有N，N，N′，N′-四縮水甘油基-4，4′-亞甲基二苯胺(methylenebisbenzenamine)的化學(xué)名稱。所述硬化劑描述為1H-咪唑，1-甲基-1-甲基咪唑。特別對于ACCC應(yīng)用而改性的該示例性樹脂環(huán)氧體系可以具有下列性質(zhì)約3.0～5％的拉伸伸長率；約16.5～19.5Ksi的撓曲強(qiáng)度；約6.0～7.0Ksi的拉伸強(qiáng)度；約450～500Ksi的拉伸模量；及約4.5～6.0％的撓曲伸長率。環(huán)氧樹脂體系的另一個(gè)實(shí)施方案可以為多功能環(huán)氧及脂環(huán)族-胺混合硬化劑。該類型的環(huán)氧體系的實(shí)例可以為由JEFFCO Products Inc.制造的用于浸漬的JEFFCO1401-16/4101-17環(huán)氧體系，并在2002年7月的同樣標(biāo)題的數(shù)據(jù)表中對其作出說明。該示例性樹脂環(huán)氧體系可以具有下列性質(zhì)約88D的肖氏D硬度；9.7Ksi的極限拉伸強(qiáng)度；在拉伸強(qiáng)度下約4.5～5.0％的伸長率；約7.5～8.5％的極限伸長率；約15.25Ksi的撓曲強(qiáng)度；及約14.5Ksi的壓縮極限強(qiáng)度。環(huán)氧樹脂體系的這些實(shí)施方案是示例性，并不是將本發(fā)明限于這些具體的環(huán)氧樹脂體系。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到其它環(huán)氧體系也可以生產(chǎn)出本發(fā)明范圍內(nèi)的復(fù)合材料芯。
本發(fā)明的復(fù)合材料芯可以包括這樣的樹脂，其足夠強(qiáng)韌而能經(jīng)受住絞接操作(splicing operation)，而不使復(fù)合材料體破裂。本發(fā)明的復(fù)合材料芯可以包括凈樹脂斷裂韌度(net resin fracture toughness)為至少約0.96MPa·m1/2的樹脂。
本發(fā)明的復(fù)合材料芯可以包括具有低熱膨脹系數(shù)的樹脂。低的熱膨脹系數(shù)降低所得到的電纜的弛度。本發(fā)明的樹脂可以具有小于約4.2×10-5/℃和可能小于1.5×10-5/℃的熱膨脹系數(shù)。本發(fā)明的復(fù)合材料芯可以包括伸長率大于約3％或更優(yōu)選約4.5％的樹脂。
其次，復(fù)合材料芯包括多根纖維增強(qiáng)體，該纖維增強(qiáng)體來自一種或多種纖維類型。纖維類型可以選自碳(石墨)纖維-HM和HS(瀝青基)、凱夫拉纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維、芳族聚酰胺纖維、硼纖維、液晶纖維、高性能聚乙烯纖維、或者碳納米纖維、硬鋼絲(steel hardwire filament)、鋼絲、鋼纖維、具有或不具有附著優(yōu)化涂層的高碳鋼絲繩(carbon steel cord)、或者納米管。幾種類型的碳、硼、凱夫拉和玻璃纖維從商業(yè)上可以得到。各種纖維類型可以具有亞型，其能夠不同地組合以實(shí)現(xiàn)具有一定特性的復(fù)合材料。例如，碳纖維可以為選自下列中的任何類型的產(chǎn)品Zoltek Panex、Zoltek Pyron、Hexcel、Toray、或者Thornel系列。這些碳纖維可以來自PAN碳纖維或聚丙烯腈(PAN)前體。其它碳纖維會(huì)包括，PAN-IM，PAN-HM，PAN-UHM，PITCH，或者人造纖維副產(chǎn)品。有許多不同類型的碳纖維，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識到許多碳纖維可以用于本發(fā)明。也有許多不同類型的玻璃纖維。例如，在本發(fā)明中可以使用A-玻璃、B-玻璃、C-玻璃、D-玻璃、E-玻璃、S-玻璃、AR-玻璃、R-玻璃或玄武巖纖維。也可以使用纖維玻璃和paraglass。如同碳纖維一樣，也有許多不同類型的玻璃纖維，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識到許多玻璃纖維可以用于本發(fā)明。要指出的是，這些僅僅是可以滿足本發(fā)明的特定特性的纖維的實(shí)例，因此本發(fā)明不僅限于這些纖維。可以使用滿足本發(fā)明所需物理特性的其它纖維。
為了實(shí)現(xiàn)這些物理特性，根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合材料芯可以僅包括一種類型的纖維。復(fù)合材料芯可以是由一種纖維類型和一種基體類型形成的均勻的部分或?qū)印＠?，?fù)合材料芯可以是嵌入到樹脂中的碳纖維。所述芯還可以是嵌入到聚合物中的玻璃纖維，芯還可以是嵌入到乙烯基酯中的玄武巖。然而，在本發(fā)明范圍內(nèi)，大多數(shù)電纜可以包括至少兩種截然不同的纖維類型。
該兩種纖維類型可以為一般的纖維類型，纖維族(fiber class)，纖維類型亞型，或者纖維類型屬(fiber type genera)。例如，復(fù)合材料芯可以利用碳和玻璃形成。然而，當(dāng)實(shí)施方案提及兩種或多種纖維類型時(shí)，纖維類型不需要是不同族的纖維，像碳和玻璃。相反，所述兩種纖維類型可以在一種纖維族或纖維系列(fiber family)內(nèi)。例如，芯可以由E-玻璃和S-玻璃構(gòu)成，其為玻璃纖維系列或纖維族內(nèi)的兩種纖維類型或纖維亞型。在另一個(gè)實(shí)施方案中，復(fù)合材料可以包括兩種類型的碳纖維。例如，復(fù)合材料可以由IM6碳纖維和IM7碳纖維構(gòu)成。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到利用兩種或多種類型的纖維的其它實(shí)施方案。
相對于常用于電力傳輸和分配系統(tǒng)中的電纜的常規(guī)材料，如常規(guī)鋼非復(fù)合材料，兩種或多種纖維類型組合成復(fù)合材料芯構(gòu)件提供了強(qiáng)度與重量比的實(shí)質(zhì)上的提高。組合纖維類型還可以使復(fù)合材料芯具有充足的剛度和強(qiáng)度，但保持了部分柔性。
本發(fā)明的復(fù)合材料芯可以包括具有較高得量或較小K數(shù)的纖維束。纖維束是一束連續(xù)的微纖維，其中所述纖維束的構(gòu)成由它的得量或K數(shù)表示。例如，12K碳纖維束具有12000根單根微纖維，900得量(yield)玻璃纖維束對于每一磅的重量具有900碼的長度。理想地，微纖維利用樹脂浸濕，使得在該束或纖維束內(nèi)各微纖維的外周涂布樹脂。復(fù)合材料中纖維束的浸濕和滲透對于所得到的復(fù)合材料的性能具有至關(guān)重要的意義。浸濕不完全導(dǎo)致在纖維復(fù)合材料內(nèi)產(chǎn)生裂紋(flaw)或干點(diǎn)，其降低復(fù)合材料產(chǎn)品的強(qiáng)度、耐久性和壽命。還可以根據(jù)所述方法能夠處理的纖維束的尺寸選擇纖維束。
本發(fā)明的碳纖維束可以選自2K及以上，但是更優(yōu)選約4～50K。玻璃纖維束可以為50得量及以上，但是更優(yōu)選約115～1200得量。
對于玻璃纖維，根據(jù)本發(fā)明的單根纖維尺寸直徑可以低于15mm，或者更優(yōu)選為約8～15mm，直徑最優(yōu)選為約10mm。碳纖維直徑可以低于10mm，或者更優(yōu)選為約5～10mm，最優(yōu)選為約7mm。對于其它類型的纖維，適宜的尺寸范圍根據(jù)所需的物理性能確定。該范圍是基于最佳浸濕特性和使用的可行性而進(jìn)行選擇的。
各種類型纖維的相對量可以依據(jù)復(fù)合材料芯所需的物理特性而變。例如，具有較高彈性模量的纖維能夠形成高強(qiáng)度和高剛度的復(fù)合材料芯。舉例來說，碳纖維的彈性模量為15Msi及以上，但是更優(yōu)選為約22～45Msi；玻璃纖維被認(rèn)為是低模量纖維，其彈性模量為約6～15Msi，更優(yōu)選為約9～15Msi。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到，可以選擇能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合材料芯所需的物理性能的其它纖維。在一個(gè)實(shí)施例中，復(fù)合材料芯可以包括被顯著薄的外層低模量玻璃纖維圍繞的內(nèi)部先進(jìn)復(fù)合材料的大部分。通過改變纖維類型的具體組合和比例，也可以實(shí)現(xiàn)所完成的芯的預(yù)拉伸(pre-tensioning)，以提供芯的極限強(qiáng)度的綜合的改善。例如，具有非常低的熱膨脹系數(shù)和較低伸長率的碳纖維能夠與具有較高熱膨脹系數(shù)和較大伸長率的e-玻璃(舉例來說)組合。通過改變樹脂化學(xué)組成和處理溫度，能夠“調(diào)整”所得到的“固化”產(chǎn)品，以提供比各纖維類型的單獨(dú)強(qiáng)度的總和更大的強(qiáng)度。在較高的處理溫度下，玻璃纖維膨脹，而碳纖維基本上不膨脹。在處理模具的控制的幾何形狀中，結(jié)果是，隨著產(chǎn)品離開模具并開始冷卻至室溫，基于纖維混合物的比例和樹脂的物理特性，努力恢復(fù)它的初始長度的玻璃開始壓縮碳纖維，而仍然保持部分的預(yù)張力(pre tension)。所得到的產(chǎn)品具有顯著提高的拉伸強(qiáng)度和撓曲強(qiáng)度特性。
本發(fā)明的復(fù)合材料芯可以包括具有較高拉伸強(qiáng)度的纖維。在高架的電力輸電電纜中初始架設(shè)的弛度與跨度長度的平方成正比，與電纜的拉伸強(qiáng)度成反比。拉伸強(qiáng)度的增加能夠有效地降低ACCC電纜的弛度。舉例來說，可以選擇這樣的碳或石墨纖維，其拉伸強(qiáng)度為至少250Ksi，更優(yōu)選為約350～1000Ksi，但是最優(yōu)選為710～750Ksi。并且舉例來說，可以選擇這樣的玻璃纖維，其拉伸強(qiáng)度為至少約180Ksi，更優(yōu)選為約180～800Ksi。通過結(jié)合具有較低拉伸強(qiáng)度的玻璃纖維與具有較高拉伸強(qiáng)度的碳纖維，能夠調(diào)整復(fù)合材料芯的拉伸強(qiáng)度。兩種類型的纖維的性質(zhì)可以結(jié)合，形成具有一組更需要的物理特性的新電纜。
本發(fā)明的復(fù)合材料芯可以具有各種纖維與樹脂的體積分?jǐn)?shù)。該體積分?jǐn)?shù)為纖維的面積除以橫截面的總面積。本發(fā)明的復(fù)合材料芯可以包括嵌入到樹脂中的纖維，其體積分?jǐn)?shù)為至少50％，優(yōu)選為至少60％。纖維與樹脂的比例影響復(fù)合材料芯構(gòu)件的物理性能。具體地，拉伸強(qiáng)度、撓曲強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)為纖維與樹脂的體積比的函數(shù)。通常，復(fù)合材料中纖維的體積分?jǐn)?shù)越高，復(fù)合材料的性能越高。纖維和樹脂基體的重量將確定纖維與樹脂的重量比。
所述復(fù)合材料芯的任何層或部分都可以具有不同于其它層或部分的纖維與樹脂的重量比。這些不同可以通過選擇和選定用于適當(dāng)樹脂類型的適當(dāng)數(shù)量的纖維來完成，以實(shí)現(xiàn)所需的纖維與樹脂的比例。例如，復(fù)合材料芯構(gòu)件具有3/8英尺的直徑截面，由被外部玻璃和環(huán)氧層圍繞的碳纖維和環(huán)氧層構(gòu)成，其可以包括28卷(spools of)250得量玻璃纖維和在50℃下粘度為約1000～2000cPs的環(huán)氧樹脂。該纖維與樹脂選擇能夠產(chǎn)生約65/45的纖維與樹脂的重量比。樹脂可以優(yōu)選被改性，以實(shí)現(xiàn)用于形成工藝的所需的粘度。示例性復(fù)合材料還可以具有28卷24K碳纖維和在50℃下粘度為約1000～2000cps的環(huán)氧樹脂。該選擇能夠產(chǎn)生約65/35的纖維與樹脂的重量比。改變纖維的卷數(shù)會(huì)改變纖維與樹脂的重量比，從而能夠改變復(fù)合材料芯的物理特性。作為選擇，可以調(diào)整樹脂以增加或降低樹脂粘度，從而改善纖維的樹脂浸漬。
在各種實(shí)施方案中，所述復(fù)合材料芯可以包括多種幾何形狀中的任何一種。將在下文中解釋各種幾何形狀的部分不同的實(shí)施方案。另外，復(fù)合材料芯還可以包括具有各種定向或定位的纖維。連續(xù)的纖維束(towing)能夠沿著電纜縱向地定向纖維。所述芯可以具有沿電纜長度方向延伸的縱軸。在本領(lǐng)域中，該縱軸稱為0°定向。在大部分芯中，縱軸沿芯的中心延伸。纖維能夠與該縱軸平行排列；該定向常稱為0°定向或單向定向。然而，為了各種優(yōu)化目的，可以引入其它定向，以調(diào)整例如如撓曲強(qiáng)度的變量。
復(fù)合材料芯中的纖維可以以各種方式排列在芯內(nèi)。除了0°定向之外，纖維可以具有其它排列。一些實(shí)施方案可以包括離軸的幾何形狀。所述復(fù)合材料芯的一個(gè)實(shí)施方案可以具有圍繞復(fù)合材料芯的縱軸螺旋形纏繞的纖維。纖維的纏繞可以為離開0°定向接近0°到接近90°的任意角度。該纏繞可以在+和-方向或者+或-方向。換言之，纖維可以沿著順時(shí)針或逆時(shí)針方向纏繞。在示例性實(shí)施方案中，纖維會(huì)以與縱軸成某一角度圍繞縱軸螺旋形纏繞。在一些實(shí)施方案中，芯不會(huì)形成在徑向?qū)又?。相反，芯可以具有兩層或多層平層，其一起緊密結(jié)合成芯。在該構(gòu)造中，除了0°定向之外，纖維還可以具有其它纖維定向。在任何層中，纖維都可以以與0°定向成某一角度放置。而且，該角度可以為從接近0°到接近90°+或-的任意角度。在一些實(shí)施方案中，一根纖維或一組纖維可以具有一個(gè)方向，而另一根纖維或另一組纖維可以具有第二方向。因而，本發(fā)明包括所有多方向的幾何形狀。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到其它可能角度的定向。
在各種實(shí)施方案中，纖維可以是交織的(interlaced)或編織的(braided)。例如，一組纖維可以在一個(gè)方向螺旋形纏繞，而第二組纖維在相反方向纏繞。在纖維纏繞時(shí)，一組纖維可以與其它組纖維改變位置。換言之，所述纖維會(huì)編織或交叉。這些組螺旋形纏繞的纖維也可能不是編織的或交織的，但是可能在芯中形成同心層。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以在芯上放置編織套并將其嵌入到最終的芯結(jié)構(gòu)中。并且，纖維可以本身或者以纖維組扭轉(zhuǎn)(twisted)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到纖維定向不同的其它實(shí)施方案。那些不同的實(shí)施方案包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
除了纖維的定向之外，其它幾何形狀也是可能的。所述復(fù)合材料芯可以形成于不同的層和部分中。在一個(gè)實(shí)施方案中，復(fù)合材料芯包括兩層或多層。例如，第一層可以具有第一纖維類型和第一類型的基體。隨后的層可以包括不同于第一層的纖維類型和基體。所述不同的層可以成束并緊密結(jié)合成最終的復(fù)合材料芯。舉例來說，所述復(fù)合材料芯可以由下列構(gòu)成由碳和環(huán)氧制成的層、玻璃纖維和環(huán)氧層、以及玄武巖纖維和環(huán)氧層。在另一個(gè)實(shí)例中，芯可以包括四層玄武巖內(nèi)層、下一碳層、下一玻璃層和玄武巖外層。所有這些不同的排列能夠產(chǎn)生復(fù)合材料芯的不同的物理性能。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到許多其它層結(jié)構(gòu)是可能的。
另一種芯排列可以在芯中包括不同的部分來代替層。圖2圖示了復(fù)合材料芯的五種可能的可供選擇的實(shí)施方案。這些橫截面表明所述復(fù)合材料芯可以以兩個(gè)或更多部分排列，而不使那些部分分層。因而，依據(jù)所需的物理特性，復(fù)合材料芯能夠具有含某種復(fù)合材料的芯的第一部分和含有不同復(fù)合材料的一個(gè)或多個(gè)其它部分。這些部分可以分別由嵌入到一種或多種類型基體中的多根纖維制成，該多根纖維來自一種或多種纖維類型。所述不同的部分可以成束和緊密結(jié)合成最終的芯構(gòu)造。
在各種實(shí)施方案中，所述層或部分可以包括不同的纖維或不同的基體。例如，一部分芯可以為嵌入到熱固性樹脂中的碳纖維。另一個(gè)部分可以為嵌入到熱塑性部分中的玻璃纖維。各部分中基體和纖維類型可以一致。然而，所述部分和層也可以混雜。換言之，任何部分或?qū)佣伎梢杂蓛煞N或多種纖維類型構(gòu)成。因而，舉例來說，所述部分或?qū)涌梢詾橛汕度氲綐渲械牟ＡЮw維和碳纖維制成的復(fù)合材料。因而，本發(fā)明的復(fù)合材料芯可以形成僅具有一種纖維類型和一種基體的復(fù)合材料芯，僅具有含兩種或多種纖維類型和一種或多種基體的一層或部分的復(fù)合材料芯，或者由各自含一種或多種纖維類型和一種或多種基體類型的兩個(gè)或多個(gè)層或部分的復(fù)合材料芯。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到復(fù)合材料芯的幾何形狀的其它可能性。
復(fù)合材料芯的物理特性也可以通過調(diào)整復(fù)合材料芯構(gòu)件內(nèi)各組分的面積百分比來調(diào)節(jié)。例如，通過從0.0634平方英寸減小前面提到的復(fù)合材料芯中碳的總面積，并從0.0469平方英寸增加玻璃層的面積，復(fù)合材料芯構(gòu)件產(chǎn)品可以減小剛度并增加柔性。
先進(jìn)的復(fù)合材料纖維可以選自具有下列的特性的材料拉伸強(qiáng)度為至少約250Ksi，優(yōu)選為約350～1000Ksi；彈性模量為至少15Msi，優(yōu)選為約22～45Msi；熱膨脹系數(shù)為至少約-0.6×10-6～1.0×10-5/℃；屈服伸長百分率為約2～4％；介電性能(dielectric)為約0.31～0.04W/m·K；及密度為約0.065～0.13lb/in3。
低模量纖維可以選自具有下列的特性的材料拉伸強(qiáng)度為約180～800Ksi；彈性模量為約6～15，更優(yōu)選約9～15Msi；熱膨脹系數(shù)為約5×10-6～10×10-6/℃；屈服伸長百分率為約3～6％；介電性能為約0.034～0.04W/m·K；及密度為約0.060lbs/in3及以上，但是更優(yōu)選為約0.065～0.13lbs/in3。
在一個(gè)實(shí)施方案中，復(fù)合材料芯可以包括散置的高彈性模量纖維和低彈性模量纖維。依據(jù)斷裂應(yīng)變比，該類型的芯可以為混雜復(fù)合材料的單一部分或?qū)?，或者它可以以幾個(gè)部分的單一纖維復(fù)合材料形成。
根據(jù)本發(fā)明，包括復(fù)合材料基體的樹脂可以被定制，以實(shí)現(xiàn)用于處理的某些性質(zhì)以及實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品所需的物理性能。同樣，可以確定纖維和定制的樹脂斷裂應(yīng)變比。
復(fù)合材料芯還可以包括對復(fù)合材料芯或在復(fù)合材料芯周圍的膜進(jìn)行的其它表面涂布或表面處理。例如，參照圖1B，膜305或涂層圍繞復(fù)合材料芯303。膜可以包括任何涂布于芯上的化學(xué)品或材料，其保護(hù)芯303不受環(huán)境因素干擾，保護(hù)芯303不受磨損，或者制備芯303以進(jìn)行進(jìn)一步處理。某些這些類型的處理可以包括，但不限于凝膠涂層、防護(hù)漆或其它后涂布或預(yù)涂布的表面、或者膜如Kapton、Teflon、Tefzel、Tedlar、Mylar、Melonex、Tednex、PET、PEN等。
根據(jù)本發(fā)明，保護(hù)膜提供至少兩個(gè)作用。首先，膜附著到芯上，以保護(hù)芯不受環(huán)境因素干擾，從而可能增加壽命。其次，膜使與模具接觸的芯的外部潤滑，以便容易制備并增加處理速度。在各種實(shí)施方案中，該材料會(huì)防止通常像粘合劑一樣的樹脂基體與模具的內(nèi)表面接觸，從而能夠大大提高處理速度。效果實(shí)質(zhì)上是，在實(shí)際上為動(dòng)態(tài)的環(huán)境內(nèi)產(chǎn)生了靜態(tài)處理環(huán)境。在各種實(shí)施方案中，膜可以為單膜或多層膜，其中所述多層包括多樣的尺寸和/或物理特性。例如，在結(jié)合芯303的方面，內(nèi)層的物理性能可能是相容的，而外層可能簡單地用作不相容的處理助劑。
某些材料涂布可以包括，但不限于涂布于芯上的表面罩(surface veil)、涂布于芯上的墊子(mat)、或者包覆在芯周圍的保護(hù)性或?qū)щ娦詭?tape)。該帶可以包括干的或濕的帶。所述帶可以包括，但不限于紙或紙制品帶、金屬帶(如鋁帶)、聚合物帶、橡膠帶等。任何這些產(chǎn)品都可以保護(hù)芯不受環(huán)境力如水分、熱、冷、UV輻射或腐蝕成分干擾。膜的某些實(shí)例可以包括Kapton，Tefzel(Teflon和Kapton的混合物)，VB-3，Teflon，PEN和PET(聚酯膜，聚酯等)。對芯進(jìn)行的其它涂布和處理將為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所認(rèn)識并包括在本發(fā)明中。
另一個(gè)問題出現(xiàn)在某些鋼增強(qiáng)或金屬增強(qiáng)電纜中。鋼增強(qiáng)電纜需要測量連續(xù)的塔或電線桿結(jié)構(gòu)之間電纜的下垂。線中的下垂使得電纜發(fā)生振動(dòng)或搖擺，并且在某些情況下，下垂可能經(jīng)受電纜中的諧波振動(dòng)，風(fēng)激(風(fēng)-引發(fā)的)振動(dòng)，或過度搖擺。在某一風(fēng)速下或者由于環(huán)境力，電纜可能以諧頻或在這樣的力作用下振動(dòng)，該力使得電纜或支撐結(jié)構(gòu)由于應(yīng)力和應(yīng)變而磨損或變?nèi)?。能夠引起破壞性振?dòng)的某些環(huán)境力可以包括，但不限于風(fēng)、雨、地震、潮汐作用、波浪作用、河川徑流作用、附近的汽車通行、附近的船只、或者附近的飛機(jī)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到可能引起破壞性振動(dòng)的其它力量。另外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到諧波或破壞性振動(dòng)為電纜中的材料、弛度、跨度的長度(the length ofthe span)和引發(fā)振動(dòng)的力量的函數(shù)。
對橫越或靠近鐵路軌道的電纜而言，出現(xiàn)了一個(gè)特別的問題?；疖囇刂F路軌道的運(yùn)動(dòng)和來自大功率柴油機(jī)的振動(dòng)引起鐵路軌道和軌道周圍的地面的振動(dòng)。地面振動(dòng)引發(fā)支撐電纜的電線桿和支撐結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。電纜又由于振動(dòng)的支撐結(jié)構(gòu)而振動(dòng)。在有些情況下，電纜中的振動(dòng)以諧波發(fā)生，該諧波引起劇烈或破壞性的振動(dòng)和搖擺。該諧波或破壞性振動(dòng)在電纜和支撐結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生應(yīng)力。ACSR或相似的電纜的下垂放大了振動(dòng)的作用。在某些情況下，下垂使得來自火車的諧波振動(dòng)發(fā)生。接近火車軌道的ACCC電纜不受相同的振動(dòng)作用影響。相反，平行或接近軌道或者跨越軌道的ACCC電纜可以具有較少的線下垂。復(fù)合材料芯的減小的線下垂或不同性質(zhì)減小，抑制，或者減輕火車引起的振動(dòng)的作用。
本發(fā)明有助于防止由于風(fēng)或其它力量，如通過火車而引起的電纜中諧波或破壞性的搖擺或振動(dòng)。首先，由于它的強(qiáng)度與重量比特性增加，ACCC電纜可以不同地架設(shè)。ACCC電纜可以橫跨長距離而下垂較少。由于上述內(nèi)芯的性質(zhì)提高，可以制造比鋼增強(qiáng)電纜更輕和更硬的ACCC電纜。因而，與鋼增強(qiáng)電纜相比，對于ACCC電纜來說，產(chǎn)生問題的頻率可能是不同的?？梢愿淖兂诙纫哉{(diào)節(jié)電纜中能夠引起破壞性振動(dòng)或搖擺的頻率?？梢詼p少電纜下垂，以改變可能在電纜中引發(fā)的諧波或破壞性頻率。另外，可以改變電纜跨度。由于某些ACCC電纜的強(qiáng)度增加，可以改變電線桿之間的距離，以調(diào)節(jié)破壞性頻率。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到ACCC電纜提供的其它架設(shè)可能性，其有助于減小或消除振動(dòng)或搖擺，特別是諧波或破壞性振動(dòng)。
其次，可以調(diào)節(jié)所述復(fù)合材料芯中所使用的材料以阻尼電纜中的振動(dòng)。例如，可以將彈性體或其它材料用于層、部分中，或者用作復(fù)合材料芯的部分基體材料。彈性體或其它材料的存在可以充當(dāng)阻尼成分，其吸收振動(dòng)或消散振動(dòng)。另外，可以調(diào)節(jié)纖維類型來阻尼振動(dòng)。例如，可以使用更加彈性的纖維類型如聚合物纖維，以吸收或消散振動(dòng)。因而，所述復(fù)合材料芯的組成可以防止或減輕振動(dòng)力量。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到對復(fù)合材料芯進(jìn)行其它改變，其可以減小或消除振動(dòng)或搖擺，特別是諧波或破壞性振動(dòng)。
第三，作為單一或多樣外形的芯的幾何形狀可以用來提供自-阻尼特性，因?yàn)樗钠交砻嬖谒鼈儽旧砗?或鋁導(dǎo)體絞線之間相互作用。該相互作用“吸收”跨越寬范圍的頻率和振幅的振動(dòng)，其還可以通過改變芯組成的幾何形狀和/或ACCC電纜的架設(shè)張力來調(diào)節(jié)。
根據(jù)本發(fā)明制備的復(fù)合材料電纜具有物理性能，其中這些確定的物理性能可以通過改變復(fù)合材料芯形成過程中的參數(shù)進(jìn)行控制。更具體地，復(fù)合材料芯形成過程是可調(diào)節(jié)的，以實(shí)現(xiàn)最終的ACCC電纜中所需的物理特性。
用于ACCC增強(qiáng)電纜的復(fù)合材料芯的制備方法可以存在幾種產(chǎn)生復(fù)合材料芯的形成方法，但是在下文中說明一種示例性方法。該示例性方法為復(fù)合材料芯的高速制備方法。包括所述示例性方法在內(nèi)的許多方法可以用于形成幾種不同的復(fù)合材料芯，其具有前面提及或描述的幾種不同的芯結(jié)構(gòu)。然而，隨后的說明選擇就產(chǎn)生具有玻璃纖維外層的碳纖維芯，具有單向性纖維，及均勻的層狀、同心復(fù)合材料芯方面來說明該高速方法。本發(fā)明不限于該實(shí)施方案，而是包括利用高速方法形成上述復(fù)合材料芯所需的所有修改。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到這些修改。
根據(jù)本發(fā)明，多階段形成方法由大量連續(xù)長度的適宜的纖維束和可熱處理的樹脂產(chǎn)生復(fù)合材料芯構(gòu)件。在產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男局?，所述?fù)合材料芯構(gòu)件可以用高導(dǎo)電材料包覆。
根據(jù)本發(fā)明制備用于ACCC電纜的復(fù)合材料芯的方法描述如下。參照圖3，顯示了本發(fā)明的導(dǎo)體芯形成方法，并且其通常由附圖標(biāo)記400標(biāo)明。采用該形成方法400以由適宜的纖維束或粗紗和樹脂制備連續(xù)長度的復(fù)合材料芯構(gòu)件。所得到的復(fù)合材料芯構(gòu)件包括混雜的同心芯，其具有內(nèi)層和外層的均勻分布的實(shí)質(zhì)上平行的纖維。
將僅簡單描述操作的開始階段，因?yàn)樵赨S部分繼續(xù)申請(CIP)10/691447和US部分繼續(xù)申請10/692304以及PCT/US03/12520中對它進(jìn)行了詳細(xì)討論，所述各專利引入本文中作為參考。在開始操作中，激活拉拔和纏繞線軸(spool)機(jī)構(gòu)以開始拉拔。在一個(gè)實(shí)施方案中，在操作的開始階段，未浸漬的初始纖維束充當(dāng)引線(leader)，以從線軸(未示出)通過纖維束導(dǎo)向體和復(fù)合材料芯處理系統(tǒng)400拉拔纖維束402(和401)，所述初始纖維束包括從所述過程的出口端伸出的多根纖維。所示的纖維束402包括中心部分的碳纖維401，其由玻璃纖維402的外部纖維束圍繞。
參照圖3，多卷纖維束401和402包含在分配托架系統(tǒng)內(nèi)并穿過纖維束導(dǎo)向體(未示出)。該纖維可以是未卷繞的并且取決于芯所需的特性，在該方法中，纖維可以保持平行或者纖維可以扭轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，在設(shè)備末端的拉出器(未示出)將纖維拉過該設(shè)備。各分配托架可以包括允許調(diào)整各線軸張力的裝置。例如，各托架可以具有在分配托架上的小制動(dòng)器，以單獨(dú)地調(diào)整各線軸的張力。當(dāng)纖維移動(dòng)時(shí)，張力調(diào)整使纖維的懸鏈和跨接最小并有助于浸濕工藝。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以將纖維束401/402拉過導(dǎo)向體(未示出)并拉入預(yù)熱爐中，該預(yù)熱爐消除水分。優(yōu)選地，預(yù)熱爐利用連續(xù)的循環(huán)氣流和加熱元件，以保持溫度恒定。預(yù)熱爐優(yōu)選高于100℃。
在一個(gè)實(shí)施方案中，纖維束401/402被拉入浸濕系統(tǒng)中。該浸濕系統(tǒng)可以為任何能夠用樹脂浸潤纖維或浸漬纖維的方法或裝置。浸濕系統(tǒng)可以包括引入固體形式的樹脂，該固體形式將在后面的加熱過程中液化。例如，熱塑性樹脂可以形成為幾種纖維。這些纖維可以與示例性實(shí)施方案的碳和玻璃纖維散置。當(dāng)向纖維束加熱時(shí)，熱塑性纖維液化或熔化，并浸漬或浸潤碳和玻璃纖維。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，碳和玻璃纖維可以具有圍繞纖維的樹皮狀(bark)或皮膚狀表面；該樹皮狀表面保持或包含粉末形式的熱塑性或其它類型樹脂。當(dāng)對纖維加熱時(shí)，樹皮狀表面熔化或蒸發(fā)，粉末狀的樹脂熔化，熔化的樹脂浸潤纖維。在另一個(gè)實(shí)施方案中，樹脂為施加到纖維上的膜，然后熔化從而浸潤纖維。在另一個(gè)實(shí)施方案中，纖維已經(jīng)浸有樹脂-在本領(lǐng)域中這些纖維已知為預(yù)浸漬材料纖維束。如果使用該預(yù)浸漬材料纖維束，就不使用浸濕罐或裝置。浸潤系統(tǒng)的實(shí)施方案為浸潤罐。在下文中，浸潤罐將用于本說明書中，但是本發(fā)明不限于該實(shí)施方案。相反，浸潤系統(tǒng)可以為浸潤纖維的任何裝置。浸潤罐填充有樹脂，以浸漬纖維束401/402。在經(jīng)過浸潤罐出口過程中，從纖維束401/402中除去過量的樹脂，最后作為材料拉入初始固化模具中。
可以采用本領(lǐng)域中已知的各種選擇性技術(shù)來用樹脂涂布或浸漬纖維。該技術(shù)例如包括例如，噴涂，浸涂，反向涂布(reverse coating)，刷涂，及樹脂注射。在可供選擇的實(shí)施方案中，超聲波活化利用振動(dòng)來改善纖維的浸潤能力。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以使用浸漬罐浸潤纖維。浸漬罐含有投入到充滿樹脂的罐中的纖維。當(dāng)纖維從充滿樹脂的罐中顯露出來時(shí)，纖維已經(jīng)被浸潤。又一個(gè)實(shí)施方案可以包括注射模具組件。在該實(shí)施方案中，纖維進(jìn)入充滿樹脂的加壓罐。罐內(nèi)的壓力有助于浸潤纖維。當(dāng)仍然在加壓罐內(nèi)時(shí)，纖維可以進(jìn)入用于形成復(fù)合材料的模具中。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到可以使用的其它類型的罐和浸潤系統(tǒng)。
通常，可以將各種已知樹脂組合物中的任何一種用于本發(fā)明中。在示例性實(shí)施方案中，可以使用可熱固化的的熱固性聚合物。樹脂可以為例如，PEAR(聚醚酰胺樹脂)，雙馬來酰亞胺，聚酰亞胺，液晶聚合物(LCP)，乙烯基酯，基于液晶技術(shù)的高溫環(huán)氧，或相似的樹脂材料。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到可用于本發(fā)明中的其它樹脂。依據(jù)方法和復(fù)合材料芯所需的物理特性來選擇樹脂。
而且，樹脂的粘度影響形成速率。為了實(shí)現(xiàn)所需的用于形成復(fù)合材料芯構(gòu)件的纖維與樹脂的比例，樹脂的粘度范圍在20℃優(yōu)選為約50～3000厘泊。更優(yōu)選地在20℃粘度為約800～1200厘泊。優(yōu)選的聚合物提供耐寬范圍的腐蝕性化學(xué)品性，并具有非常穩(wěn)定的介電性能和絕緣性質(zhì)。還優(yōu)選聚合物滿足ASTME595除氣要求和UL94可燃性試驗(yàn)，并且能夠在180～240℃或更高的溫度下間歇性地工作，而不熱或機(jī)械地破壞構(gòu)件的強(qiáng)度。
為了獲得所需的纖維與樹脂浸潤比，浸潤罐的上游可以包括從纖維中取出過量樹脂的裝置。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以在浸潤系統(tǒng)的末端之后放置一組擦拭器(wiper)，其優(yōu)選由鍍鉻的鋼(steel chrome plated)擦拭條制成。該擦拭器可以是用于除去過量樹脂的“刮片”或其它器件。
在浸潤過程中，各束纖維包含的樹脂為最終產(chǎn)品所需的樹脂的3倍。為了獲得復(fù)合材料芯構(gòu)件的橫截面中合適比例的纖維和樹脂，計(jì)算純纖維的量。設(shè)計(jì)模具或系列模具或擦拭器，以除去過量樹脂并控制纖維與樹脂的體積比。作為選擇，可以設(shè)計(jì)模具和擦拭器，以使任何體積比的纖維與樹脂通過。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該器件可以為取出樹脂的一組條或擠出襯套。這些樹脂取出器件還可以用于其它浸潤系統(tǒng)中。另外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到可以用于取出過量樹脂的其它裝置。優(yōu)選地，將過量樹脂收集并再循環(huán)到浸潤罐中。
優(yōu)選地，再循環(huán)塔盤優(yōu)選縱向延伸到浸潤罐下以收集溢流樹脂。更優(yōu)選地，浸潤罐包括具有溢流容量的輔助罐。溢流樹脂通過重力經(jīng)過管道返回輔助罐。作為選擇，罐溢流可以通過溢流通道收集并通過重力返回罐中。在又一個(gè)可供選擇的實(shí)施方案中，該方法可以利用排出泵系統(tǒng)將樹脂從輔助罐再循環(huán)到浸潤罐中。優(yōu)選地，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制罐內(nèi)樹脂的水平。傳感器檢測低樹脂水平并激活泵以將樹脂泵入罐中，從輔助混合罐進(jìn)入處理罐。更優(yōu)選地，存在位于浸潤罐區(qū)域內(nèi)的混合罐。將樹脂在混合罐中混合并泵入樹脂浸潤罐中。
將纖維束401/402拉入模具406中，壓緊并使纖維束401和402成形?？梢允褂靡环N或多種模具壓緊，以將空氣趕出復(fù)合材料，并將纖維成形為復(fù)合材料芯。在示例性實(shí)施方案中，復(fù)合材料芯由兩組纖維束制成-內(nèi)部段由碳構(gòu)成，而外部段由玻璃構(gòu)成。第一模具406還起著從纖維樹脂基體中除去過量樹脂的作用，并且可以開始樹脂的催化(catalyzation)(或者“B-階段(Staging)”)。模具的長度為纖維和樹脂所需特性的函數(shù)。根據(jù)本發(fā)明，模具406的長度可以為約1/2英寸到約6英尺。依據(jù)所需的線速度，模具406的長度優(yōu)選為約3～36英寸。模具406還包括加熱元件，以使模具406的溫度能夠發(fā)生變化。例如，在各種樹脂體系中，需要在模具內(nèi)具有一個(gè)或多個(gè)加熱區(qū)域，以活化各種硬化劑或促進(jìn)劑。
根據(jù)本發(fā)明所使用的樹脂可以使該方法實(shí)現(xiàn)達(dá)到或超過60英尺/分鐘的速度。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，芯從第一模具406中拉出并包覆有保護(hù)性的帶、涂層或膜。雖然帶、涂層和膜可以用于描述不同的實(shí)施方案，但是本文中使用術(shù)語“膜”來簡化說明，并且不是限制性的。
在圖3中，兩大輥的帶408將帶引入到第一梳理板(carding plate)410中。該梳理板410排列所述帶使得彼此平行圍繞芯。將該芯409拉拔至第二梳理板412。該梳理板412的作用在于使帶向中心芯409逐漸地折疊。將芯409拉過第三梳理板414。梳理板414起著使帶向中心芯409折疊的作用。再次參照圖3，將芯409拉過第四梳理板416，梳理板416起著進(jìn)一步將帶包覆在芯409周圍的作用。雖然該示例性實(shí)施方案包括4個(gè)梳理板，但是本發(fā)明可以包括任意多個(gè)板，以促進(jìn)所述包覆。各模具之間的面積也可以溫度控制，以幫助樹脂催化和處理。
在可供選擇的實(shí)施方案中，帶被涂布機(jī)構(gòu)取代。該機(jī)構(gòu)起著用保護(hù)性涂層涂布芯409的作用。在各種實(shí)施方案中，涂層可以通過設(shè)備噴涂或輥壓在芯上，該設(shè)備經(jīng)調(diào)整從相對于復(fù)合材料芯的任意多個(gè)角度施加涂層。例如，凝膠漆可以像油漆一樣利用反向涂布法涂布。優(yōu)選涂層具有快速固化時(shí)間，使得它在芯和涂層在工藝末端到達(dá)纏繞輪時(shí)變干。
一旦芯409用帶包覆，就將芯409拉過第二模具418。第二模具418起著進(jìn)一步壓縮和成形芯409的作用。所有纖維束401/402的壓緊產(chǎn)生了均勻分布、層狀和同心的最終復(fù)合材料芯，其具有要求的外徑。該第二模具還使催化過程能夠完成。
作為選擇，復(fù)合材料芯409可以經(jīng)過第二B-階段爐拉拔至其中所述復(fù)合材料芯構(gòu)件進(jìn)行固化的下一個(gè)爐處理系統(tǒng)。該工藝確定了固化熱。固化熱在整個(gè)固化工藝中保持恒定。在本發(fā)明中，固化的優(yōu)選溫度為約350～500F。該固化工藝優(yōu)選橫跨約3到約60英尺的范圍。更優(yōu)選地，所述固化工藝橫跨約10英尺的長度。
固化后，將復(fù)合材料芯拉過冷卻階段。優(yōu)選地，復(fù)合材料芯構(gòu)件在到達(dá)過程末端的拉出器之前，在約8到約15英尺的距離內(nèi)通過空氣對流冷卻。作為選擇，可以將芯拉拔至下一個(gè)用于在高溫下后固化的爐處理系統(tǒng)。該后固化工藝促進(jìn)樹脂內(nèi)的交聯(lián)，導(dǎo)致復(fù)合材料構(gòu)件的物理特性改善。該方法通常可以允許加熱和冷卻過程之間有間隔，以及在過程末端的拉拔設(shè)備自然地或通過對流冷卻產(chǎn)品，使得用于抓住和拉拔產(chǎn)品的所述拉拔設(shè)備不會(huì)損壞產(chǎn)品。所述拉拔設(shè)備以精確控制的速度拉拔產(chǎn)品通過該工藝。
在拉拔芯409通過該工藝后，芯可以利用纏繞系統(tǒng)進(jìn)行纏繞，由此纖維芯包覆在用于儲(chǔ)存或運(yùn)輸?shù)妮喿又車τ谛緲?gòu)件的強(qiáng)度來說，關(guān)鍵在于纏繞沒有通過彎折對芯過度施壓。在一個(gè)實(shí)施方案中，芯沒有任何扭轉(zhuǎn)，但是纖維是單向的。標(biāo)準(zhǔn)纏繞輪的直徑為3.0英尺，具有儲(chǔ)存長達(dá)100000英尺的芯材料的能力。設(shè)計(jì)輪子以適應(yīng)復(fù)合材料芯構(gòu)件的剛度，而不迫使芯構(gòu)件形成太緊的構(gòu)造。纏繞輪還必須滿足運(yùn)輸?shù)囊蟆Ｒ蚨?，輪子必須按?guī)定的尺寸制作以適于橋下和在半拖車車廂或火車車廂上運(yùn)輸。在又一個(gè)實(shí)施方案中，纏繞系統(tǒng)包括防止輪子由纏繞向解繞逆向轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。該裝置可以為防止輪子方向反轉(zhuǎn)的任何裝置，例如離合或制動(dòng)系統(tǒng)。
在又一個(gè)實(shí)施方案中，所述方法包括質(zhì)量控制系統(tǒng)，該質(zhì)量控制系統(tǒng)包括生產(chǎn)線檢查系統(tǒng)。質(zhì)量控制方法保證了一致的產(chǎn)品。質(zhì)量控制系統(tǒng)可以包括復(fù)合材料芯構(gòu)件的超聲波檢查；記錄最終產(chǎn)品中的纖維束數(shù)；監(jiān)控樹脂的品質(zhì)；在各個(gè)階段期間監(jiān)控爐子和產(chǎn)品的溫度；測量構(gòu)成；或者測量拉拔工藝的速度。例如，各批的復(fù)合材料芯構(gòu)件具有支持?jǐn)?shù)據(jù)，以保持該方法最優(yōu)化進(jìn)行。作為選擇，質(zhì)量控制系統(tǒng)還可以包括標(biāo)記系統(tǒng)。該標(biāo)記系統(tǒng)可以包括諸如唯一嵌入的纖維的系統(tǒng)，以用大量的具體產(chǎn)品信息來標(biāo)記復(fù)合材料芯構(gòu)件。而且，復(fù)合材料芯構(gòu)件可以根據(jù)特定品質(zhì)分為不同的等級，例如，A等、B等和C等。
用于處理復(fù)合材料芯構(gòu)件的纖維可以互換，以滿足最終的復(fù)合材料芯構(gòu)件產(chǎn)品所需的規(guī)格。例如，所述方法允許替換復(fù)合材料芯構(gòu)件中的纖維，該復(fù)合材料芯構(gòu)件具有包含高等級碳和玻璃的碳芯和玻璃纖維外芯。由于所需的纖維和小的芯尺寸的組合，所述方法允許使用較貴且性能較好的纖維代替便宜的纖維。在一個(gè)實(shí)施方案中，纖維的組合產(chǎn)生具有最小導(dǎo)電性的高強(qiáng)度內(nèi)芯，其被低模量非導(dǎo)電性外部絕緣層圍繞。在另一個(gè)實(shí)施方案中，外部絕緣層有助于復(fù)合材料芯構(gòu)件的柔性并使芯構(gòu)件能夠在運(yùn)輸輪上纏繞、儲(chǔ)存和運(yùn)輸。外部非鐵的芯材料還會(huì)減輕通常在常規(guī)金屬芯和不同的導(dǎo)線(一般為鋁合金)之間發(fā)現(xiàn)的電解現(xiàn)象。
改變復(fù)合材料芯的設(shè)計(jì)可能影響內(nèi)芯的剛度和強(qiáng)度。作為優(yōu)點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)芯幾何形狀以實(shí)現(xiàn)最終ACCC電纜所需的最佳物理特性。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，允許再設(shè)計(jì)所述復(fù)合材料芯橫截面，以適應(yīng)復(fù)合材料芯構(gòu)件變化的物理性能并增加復(fù)合材料芯構(gòu)件的柔性。再次參考圖2，不同的復(fù)合材料形狀改變復(fù)合材料芯構(gòu)件的柔性。纖維類型和基體材料的構(gòu)造也可以改變?nèi)嵝浴１景l(fā)明包括能夠纏繞在纏繞輪(winding wheel)上的復(fù)合材料芯。該纏繞輪或運(yùn)輸輪可以為商業(yè)上可以得到的纏繞輪或卷筒。這些輪子一般由木頭或金屬構(gòu)成，其內(nèi)徑為30～48英寸。
較硬的芯可能需要較大的輪子直徑，其在商業(yè)上不是可行的。另外，較大的纏繞輪不可能滿足運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)以通過橋下或裝上半拖車。因而，硬芯是不實(shí)用的。為了增加復(fù)合材料芯的柔性，芯可以扭轉(zhuǎn)或分段(segment)，以實(shí)現(xiàn)可以接受的包覆直徑。在一個(gè)實(shí)施方案中，對于圍繞輪子的芯的每一次纏繞，芯可以包括纖維的一次360度扭轉(zhuǎn)，以防止破裂。扭轉(zhuǎn)的纖維包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)，并且包括單獨(dú)扭轉(zhuǎn)的纖維或作為組扭轉(zhuǎn)的纖維。換言之，纖維可以作為纖維的粗紗、束或若干份扭轉(zhuǎn)。作為選擇，芯可以為扭轉(zhuǎn)和直的纖維的組合。扭轉(zhuǎn)可以由輪子直徑極限確定。纖維上的張力和壓緊應(yīng)力通過每一次纏繞的單次扭轉(zhuǎn)來平衡。
通過生產(chǎn)分段的芯減小纏繞應(yīng)力。圖2圖示了與圖1所示的芯的實(shí)施方案不同的芯的實(shí)施方案的某些實(shí)例，即，被外部同心芯圍繞的內(nèi)部同心芯。利用所述方法制備的所述分段的芯通過固化該部分作為單獨(dú)部分形成，其中該單獨(dú)部分然后集中在一起。分段所述芯使得具有大于0.375英寸芯的復(fù)合材料構(gòu)件產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)所需的纏繞直徑，而不對構(gòu)件產(chǎn)品產(chǎn)生額外的應(yīng)力。
復(fù)合材料芯構(gòu)件中橫截面可變的幾何形狀可以加工為多流(multiplestream)處理。設(shè)計(jì)處理系統(tǒng)以適應(yīng)各平行片段的形成。優(yōu)選地，各片段通過把系列連續(xù)的襯套或模具換成用于各通道的具有預(yù)定構(gòu)造的襯套或模具而形成。具體地，可以改變通道的尺寸以適應(yīng)或多或少的纖維，可以改變通道的排列以便使得不同構(gòu)造的纖維能夠結(jié)合在最終產(chǎn)品中，并且在多個(gè)連續(xù)的襯套或模具內(nèi)可以加入更多的襯套，以促進(jìn)復(fù)合材料芯構(gòu)件中變化的幾何橫截面的形成。在處理系統(tǒng)的末端，各部分在工藝末端結(jié)合，形成完整的復(fù)合材料電纜芯，其形成整體(單體)。作為選擇，片段可以是扭轉(zhuǎn)的，以增加柔性并促進(jìn)纏繞。
最終的復(fù)合材料芯可以被包覆在重量輕的高導(dǎo)電性鋁中，形成復(fù)合材料電纜。盡管在本發(fā)明的標(biāo)題和本說明書中使用了鋁，但是導(dǎo)體可以由任何高度導(dǎo)電的物質(zhì)構(gòu)成。具體地，導(dǎo)體可以為任何適于電纜的金屬或金屬合金。盡管鋁是最普遍的，但是也可以使用銅。還可以設(shè)想使用貴金屬，如銀、金或鉑，但是這些金屬對于這種類型的應(yīng)用來說是非常昂貴的。在示例性實(shí)施方案中，復(fù)合材料芯電纜包括具有外部絕緣玻璃纖維復(fù)合材料層的內(nèi)部碳芯和兩層鋁的梯形絞線。
在一個(gè)實(shí)施方案中，內(nèi)層鋁包括多個(gè)梯形鋁片段，其沿逆時(shí)針方向圍繞復(fù)合材料芯構(gòu)件螺旋形纏繞或者包覆。設(shè)計(jì)各梯形部分，以使鋁的量最優(yōu)化并增加導(dǎo)電性。梯形片段的幾何形狀使得各片段能夠一起緊密地配合在復(fù)合材料芯構(gòu)件周圍。
在又一個(gè)實(shí)施方案中，外層鋁包括多個(gè)梯形鋁片段，其沿順時(shí)針方向圍繞復(fù)合材料芯構(gòu)件螺旋形纏繞或者包覆。包覆的反方向防止最終電纜的扭轉(zhuǎn)。各梯形鋁部件緊密地配合圍繞內(nèi)層鋁層包覆的梯形鋁構(gòu)件。該緊密配合使鋁的量最優(yōu)化并減少高電導(dǎo)性所需的鋁。
最終的ACCC增強(qiáng)電纜是通過用電導(dǎo)體圍繞復(fù)合材料芯產(chǎn)生的。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明涉及輸電電纜。根據(jù)本發(fā)明的鋁導(dǎo)體復(fù)合材料芯增強(qiáng)電纜通過利用具有使得載流容量增加而不引發(fā)過度線下垂的固有特性的材料，能夠提高輸電電纜的負(fù)荷能力。而且，根據(jù)本發(fā)明的電纜仍然可以使用現(xiàn)有的輸電結(jié)構(gòu)和電線，因而促進(jìn)現(xiàn)有的電纜輸電線的替換。
權(quán)利要求
1.一種用于電纜的復(fù)合材料芯，包括由先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)成的內(nèi)芯，該先進(jìn)復(fù)合材料包含至少一種在熱固性樹脂中縱向定向且基本連續(xù)的增強(qiáng)纖維類型；由低模量復(fù)合材料構(gòu)成的外芯，該低模量復(fù)合材料包含至少一種在熱固性樹脂中縱向定向且基本連續(xù)的增強(qiáng)纖維類型；及圍繞所述復(fù)合材料芯的外部膜；其中，所述復(fù)合材料芯包括至少160Ksi的拉伸強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的復(fù)合材料芯，其中所述復(fù)合材料芯的增強(qiáng)纖維類型選自碳、凱夫拉、玄武巖、玻璃、芳族聚酰胺、硼、液晶纖維、高性能聚乙烯、硬鋼絲、鋼絲、鋼纖維、具有附著力優(yōu)化的涂層的高碳鋼絲繩、不具有附著力優(yōu)化的涂層的高碳鋼絲繩和碳納米纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的復(fù)合材料芯，其中所述先進(jìn)復(fù)合材料包含至少一種纖維，該纖維包括約15～45Msi的彈性模量和至少約350～1000Ksi的拉伸強(qiáng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的復(fù)合材料芯，其中所述低模量復(fù)合材料包含至少一種纖維，該纖維包括至少約6～15Msi的彈性模量和至少約180～300Ksi的拉伸強(qiáng)度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的復(fù)合材料芯，其中所述外部膜選自Kapton、Teflon、Tefzel、Tedlar、Mylar、Melonix、Tednex、PEN和PET。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的復(fù)合材料芯，其中所述基本連續(xù)的增強(qiáng)纖維類型是扭轉(zhuǎn)的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的復(fù)合材料芯，其中所述復(fù)合材料芯由至少一層導(dǎo)體圍繞。
8.一種用于電纜的復(fù)合材料芯，包括在樹脂基體中的兩種或多種類型的增強(qiáng)纖維類型，所述芯還包括至少50％體積分?jǐn)?shù)的纖維，其中至少一種纖維包括至少約15(151GPa)～45Msi(255GPa)的彈性模量以及至少約-0.6×10-6～1.0×10-5/℃的熱膨脹系數(shù)和至少約250ksi(2413MPa)的拉伸強(qiáng)度；和至少一種纖維，其包括至少約9Msi的彈性模量、約5×10-6～10×10-6/℃的熱膨脹系數(shù)和至少約180Ksi(1241MPa)的拉伸強(qiáng)度；及圍繞所述復(fù)合材料芯的外部膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的復(fù)合材料芯，其中所述外部膜選自Kapton、Teflon、Tefzel、Tedlar、Mylar、Melonix、Tednex、PEN和PET。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的復(fù)合材料芯，其中所述基本連續(xù)的增強(qiáng)纖維類型是扭轉(zhuǎn)的。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的復(fù)合材料芯，其中所述復(fù)合材料芯由至少一層導(dǎo)體圍繞。
12.一種處理用于電纜的復(fù)合材料芯的方法，包括將一種或多種類型的縱向定向且基本連續(xù)的纖維類型拉過樹脂，形成纖維樹脂基體；從該纖維樹脂基體中除去過量的樹脂；通過至少一種第一模具類型處理纖維樹脂基體，以將纖維壓縮成由該至少一種模具確定的幾何形狀；引入外部膜；將該外部膜包覆在該復(fù)合材料芯周圍；通過至少一種第二模具類型處理纖維樹脂基體，以壓縮所述復(fù)合材料芯和涂層；及固化該復(fù)合材料芯和涂層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述復(fù)合材料芯包括至少一種選自下列的纖維碳、凱夫拉、玄武巖、玻璃、芳族聚酰胺、硼、液晶纖維、高性能聚乙烯、硬鋼絲、鋼絲、鋼纖維、具有附著力優(yōu)化的涂層的高碳鋼絲繩、不具有附著力優(yōu)化的涂層的高碳鋼絲繩和碳納米纖維。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述外部膜選自Kapton、Teflon、Tefzel、Tedlar、Mylar、Melonix、Tednex、PEN和PET。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述包覆纖維樹脂基體的步驟還包括利用一種或多種梳理板來形成膜并將其壓縮在芯周圍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋁導(dǎo)體復(fù)合材料芯增強(qiáng)電纜(ACCC)及其制備方法。ACCC電纜(300)具有由外部膜(305)和至少一層鋁導(dǎo)體(306)圍繞的復(fù)合材料芯。該復(fù)合材料芯(303)包括在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。根據(jù)本發(fā)明，可以使用獨(dú)特的處理技術(shù)如B－階段和/或涂膜技術(shù)，以將生產(chǎn)率由每分鐘幾英尺提高至每分鐘60英尺或更高。
文檔編號B65HGK1898085SQ200480038529
公開日2007年1月17日 申請日期2004年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月22日
發(fā)明者克萊門特·希爾, 喬治·科齊尼奧夫斯基, 戴維·布賴恩特 申請人:Ctc電纜公司