專利名稱：一種內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種復合材料電纜芯。
背景技術：
復合材料電纜芯為導線電纜的主要承重結構，承受自重以及包裹它的鋁導線的重 量載荷，載荷形式主要為彎曲載荷。復合材料電纜芯相比于傳統(tǒng)的鋼芯電纜有輕質、電損耗 低等優(yōu)點。目前復合材料電纜芯以碳纖維復合材料為結構層，外有以玻璃鋼為主的絕緣層， 屬于兩層結構，中心位置的結構為碳纖維增強復合材料，是一種實心結構。我們從材料力學知道，對于承受彎曲載荷的構件，實心圓截面的材料利用效率并 不高，不如環(huán)形截面的利用率高，即在相同材料用量的情況下，做成實心圓的截面，不如圓 環(huán)形截面的彎曲載荷高。另外，碳纖維復合材料價格昂貴，在保證或提高承載能力的前提 下，減少其用量，會大大降低電纜芯成本。通過材料力學分析與合理的設計，在稍增大碳纖 維復合材料層外徑的情況下，可以將中心部分的碳纖維復合材料挖掉，或用其他更輕更便 宜的材料來填充。這樣做可以在保證彎曲載荷的同時，減少碳纖維復合材料用量。理論上 推算，此方案最高可減少碳纖維復合材料用量達30%，帶來巨大的經(jīng)濟效益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有復合材料電纜芯的結構層為同質實心結構，導致成 本高、彎曲載荷低的問題，本發(fā)明提供了一種內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯。本發(fā)明內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，由外到內(nèi)由絕緣層外層和碳纖 維復合材料結構層組成，其中碳纖維復合材料結構層為管狀結構，管狀碳纖維復合材料結 構層的內(nèi)芯中空。本發(fā)明內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，由外到內(nèi)由絕緣層外層和碳纖 維復合材料結構層組成，其中碳纖維復合材料結構層為管狀結構，管狀碳纖維復合材料結 構層的內(nèi)芯填充不同于碳纖維復合材料結構層的質輕的異質材料。所述異質為泡沫塑料、 熱固性樹脂和熱塑性樹脂中的一種或者其中幾種的組合，當異質材料為其中幾種的組合 時，以任意體積比組合。本發(fā)明的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯的絕緣外層為玻璃纖維增強 復合材料、天然纖維復合材料或者玄武巖纖維復合材料；碳纖維復合材料結構層為圓形截 面長碳纖維單向連續(xù)均勻布置的管狀結構層、三角形截面長碳纖維單向連續(xù)鋪放的管狀結 構層或者碳纖維密度從外到內(nèi)梯度增加的布置方式的管狀結構層。管狀碳纖維復合材料結 構層的內(nèi)芯的填充方式為連續(xù)式填充異質材料，管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯的填充 率為100% ；管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯的填充方式還可以為非連續(xù)性的間斷式填 充 異質材料，管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯的填充率為30%飛0%。
本發(fā)明利用拉擠工藝將碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯掏空，得到管狀結構的碳纖維復合材料結構層，可以在保證彎曲載荷的同時，減少碳纖維復合材料用量，理論計算，本 發(fā)明可減少碳纖維復合材料的用量高達30%，帶來巨大的經(jīng)濟效益。本發(fā)明首先利用材料力學知識，計算出圓截面的截面抗彎剛度，然后計算具有同 樣面積的圓環(huán)截面的抗彎剛度，根據(jù)圓截面的直徑尺寸和實際電纜芯尺寸要求，合理選擇 圓環(huán)的內(nèi)外徑，設計出比原來實心圓截面抗彎剛度更大的圓環(huán)截面。此時的圓環(huán)截面外徑 比原先的實心圓直徑要稍大一些，最后校核圓環(huán)面積要小于原來實心圓面積。按照設計出 的截面尺寸和材料構成，利用拉擠工藝制備出中芯中空或中芯異質的成本低、自重小的復 合材料電纜芯。與現(xiàn)有實心電纜芯相比，本發(fā)明的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯節(jié)省碳纖維復合材料，增大抗彎模量，提高彎曲載荷能力，降低成本。


圖1是具體實施方式
一的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯的橫截面剖 面示意圖；圖2是具體實施方式
五的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯的橫截面剖 面圖的示意圖；圖3是具體實施方式
十六的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯的空 間結構示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的 任意組合。
具體實施方式
一本實施方式內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯由外到內(nèi) 由絕緣層外層1和碳纖維復合材料結構層2組成，其中碳纖維復合材料結構層2為管狀結 構，管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯2-1中空。本實施方式的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯的橫截面剖面結構示意 圖如圖ι所示。圖ι所示為本實施方式的碳纖維復合材料結構層2為圓形截面時的示意圖， 本實施方式的復合材料電纜芯的橫截面剖面結構不限于圖1中示意的圖形結構。本實施方式的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，與現(xiàn)有相同規(guī)格的實心 結構復合材料電纜芯相比，在減少碳纖維復合材料的用量的同時，本實施方式的復合材料 電纜芯的抗彎模量變大，彎曲載荷能力增強。本實施方式的復合材料電纜芯比現(xiàn)有實心結構復合材料電纜芯中碳纖維復合材 料的用量減少30%。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是絕緣外層1為玻璃纖維 增強復合材料、天然纖維復合材料或者玄武巖纖維復合材料。其它參數(shù)與具體實施方式
一 相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是絕緣外層1為天然纖維 復合材料，所述天然纖維復合材料為麻纖維復合材料。其它參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一、二或三不同的是碳纖維復合材 料結構層2為圓形截面長碳纖維單向連續(xù)均勻布置的管狀結構層、三角形截面長碳纖維單 向連續(xù)鋪放的管狀結構層或者碳纖維密度從外到內(nèi)梯度增加的布置方式的管狀結構層。其它參數(shù)與具體實施方式
一、二或三相同。
本實施方式的碳纖維復合材料結構層2是按照截面形狀進行分類限定的。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是管狀碳纖維復 合材料結構層的內(nèi)芯2-1填充不同于碳纖維復合材料結構層2的質量輕的異質材料。其它 參數(shù)與具體實施方式
一至四之一相同。本實施方式的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯的橫截面剖面結構示意 圖如圖2所示。圖2所示為本實施方式的碳纖維復合材料結構層2為圓形截面時的示意圖， 本實施方式的復合材料電纜芯的橫截面剖面結構不限于圖2中示意的圖形結構。本實施方式采用的異質材料為質輕(即密度小于碳纖維復合材料)的異質材料，本 實施方式的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯的自身重力小于實心的碳纖維復合 材料結構層2的自身重力。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
五不同的是管狀碳纖維復合材料 結構層的內(nèi)芯2-1的填充方式為連續(xù)式填充異質材料，管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯 2-1的填充率為100%。其它參數(shù)與具體實施方式
五相同。本實施方式將管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯2-1全部填充。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
五不同的是管狀碳纖維復合材料結 構層的內(nèi)芯2-1的填充方式為非連續(xù)性的間斷式填充異質材料，管狀碳纖維復合材料結構 層的內(nèi)芯2-1的填充率為30%飛0%。其它參數(shù)與具體實施方式
五相同。本實施方式的填充方式是將承載力較大的地方填充一下異質材料即可，其余部分 不填充異質材料。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
五、六或七不同的是所述異質材料 為泡沫塑料、熱固性樹脂和熱塑性樹脂中的一種或者其中幾種的組合。其它參數(shù)與具體實 施方式五、六或七相同。本實施方式中當異質材料為其中幾種的組合時，為任意比組合。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
五、六或七不同的是所述熱固性樹 脂為環(huán)氧熱固性樹脂或者不飽和聚酯樹脂，所述熱塑性樹脂為聚乙烯熱塑性樹脂或者丙烯 酸熱塑性樹脂。其它參數(shù)與具體實施方式
五、六或七相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施五至九之一不同的是碳纖維復合材料 結構層2為圓形截面長碳纖維單向連續(xù)均勻布置的管狀結構層、三角形截面長碳纖維單向 連續(xù)鋪放的管狀結構層或者碳纖維密度從外到內(nèi)梯度增加的布置方式的管狀結構層。其它 參數(shù)與具體實施方式
五至九之一相同。
具體實施方式
十一本實施方式內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，由外 到內(nèi)由絕緣層外層1和碳纖維復合材料結構層2組成，其中碳纖維復合材料結構層2為圓 形截面長碳纖維單向連續(xù)均勻布置的管狀結構層，管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯2-1 中空，所述絕緣層外層1為玻璃纖維增強復合材料。本實施方式的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯的橫截面剖面示意圖如 圖1所示。此時碳纖維復合材料結構層2的截面為圓形。本實施方式的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯通過拉擠工藝將碳纖維 復合材料結構層2制備成中空的管狀結構。
具體實施方式
十二 本實施方式內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，由外 到內(nèi)由絕緣層外層1和碳纖維復合材料結構層2組成，其中碳纖維復合材料結構層2為三 角形截面長碳纖維單向連續(xù)鋪放的管狀結構層，管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯2-1中 空，所述絕緣層外層1為麻纖維增強復合材料。本實施方式的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯通過拉擠工藝將碳纖維 復合材料結構層2制備成中空的管狀結構。
具體實施方式
十三本實施方式內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，由外 到內(nèi)由絕緣層外層1和碳纖維復合材料結構層2組成，其中碳纖維復合材料結構層2為碳 纖維密度從外到內(nèi)梯度增加的布置方式的管狀結構層，管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯 2-1中空，所述絕緣層外層1為玄武巖纖維復合材料。本實施方式的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯通過拉擠工藝將碳纖維 復合材料結構層2制備成中空的管狀結構。
具體實施方式
十四本實施方式內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，由外 到內(nèi)由絕緣層外層1和碳纖維復合材料結構層2組成，其中碳纖維復合材料結構層2為圓 形截面長碳纖維單向連續(xù)均勻布置的管狀結構層，管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯2-1 中空；所述絕緣層外層1為玻璃纖維增強復合材料，厚度為2mm ；碳纖維復合材料結構層2 的外徑為7mm,內(nèi)徑為5mm。本實施方式的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯的橫截面剖面示意圖與 圖1 一致。本實施方式的碳纖維復合材料結構層2的外徑為為7mm，內(nèi)徑為為5mm，利用 材料力學知識，其截面抗彎模量為W = ^nid'為24. 908mm3，圓環(huán)截面的面積為 18. 849mm2 ；與現(xiàn)有實芯圓截面碳纖維復合材料電纜芯，其直徑i/為6mm，計算出圓截面面積 為28. 274mm2，其截面抗彎模量IT = —對3為21. 206mm3。由上述計算可得，本實施方式的具 有圓形截面長碳纖維單向連續(xù)均勻布置的管狀結構層的碳纖維復合材料結構層2的碳纖 維復合材料用量減少了 = 33.3%，本實施方式的碳纖維復合材料結構層2截
面抗彎模量24. 908mm3大于圓截面的21. 206mm3,這說明通過本實施方式設計的圓環(huán)截面比 原來的圓截面承載力(即彎曲載荷)稍有增加的前提下，能夠節(jié)省碳纖維復合材料用量30% 以上。本實施方式的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯通過拉擠工藝將碳纖維 復合材料結構層2制備成中空的管狀結構。
具體實施方式
十五本實施方式內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，由外 到內(nèi)由絕緣層外層1和碳纖維復合材料結構層2組成，其中碳纖維復合材料結構層2為管 狀結構層，管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯2-1填充不同于碳纖維復合材料結構層2的 質輕的異質材料。本實施方式得到的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯可以提高內(nèi)芯中空 的復合材料電纜芯的彎曲載荷，雖然一定程度增加了自身重力，但采用的異質材料為質輕，即密度小于碳纖維復合材料的異質材料，其自身重力還是小于實心的碳纖維復合材料結構 層2的自身重力。本實施方式的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯通過拉擠工藝將碳纖維復合材料結構層2制備成中空的管狀結構，然后再向其中填充異質材料。
具體實施方式
十六本實施方式內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，由外 到內(nèi)由絕緣層外層1和碳纖維復合材料結構層2組成，其中碳纖維復合材料結構層2為圓 形截面長碳纖維單向連續(xù)均勻布置的管狀結構層，管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯2-1 連續(xù)式填充不同于碳纖維復合材料結構層2的質輕的密度為0. 2g/cm3泡沫塑料；其中所 述絕緣層外層1為玻璃纖維增強復合材料，厚度為2mm ；碳纖維復合材料結構層2的外徑為 7mm,內(nèi)徑為5mm。本實施方式的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯的橫截面剖面圖的示意 圖如圖2所示；此時碳纖維復合材料結構層2的截面為圓形。本實施方式的內(nèi)芯中空或者 內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯的空間結構示意圖如圖3所示。本實施方式的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯的截面抗彎模量 仍大于現(xiàn)有直徑J為6mm的實心圓截面碳纖維復合材料電纜芯的抗彎模量(如具 體實施方式記載的21. 206mm3)，仍節(jié)省碳纖維復合材料33%，截面承載力(即彎曲載 荷)仍稍有增加。碳纖維復合材料密度為1.6g/cm3，原來圓截面的結構重量為1.6g/ cm3X 28. 274mm2X Imm=O. 045238g,填充泡沫塑料的新的圓環(huán)截面的結構重量為1. 6g/ cm3X21. 206mm2X lmm+0. 2g/cm3X0. 25X3. 1415926X5X5mm2X Imm=O. 037866g,說明填充 泡沫塑料的結構重量比原來圓截面結構重量輕，內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯 的自重減小。本實施方式的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯通過拉擠工藝將碳纖維 復合材料結構層2制備成中空的管狀結構，然后再向其中填充異質材料。
具體實施方式
十七本實施方式內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，由外 到內(nèi)由絕緣層外層1和碳纖維復合材料結構層2組成，其中碳纖維復合材料結構層2為三 角形截面長碳纖維單向連續(xù)鋪放的管狀結構層，管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯2-1非 連續(xù)的間斷式地填充不同于碳纖維復合材料結構層2的質輕的環(huán)氧熱固性樹脂，管狀碳纖 維復合材料結構層的內(nèi)芯2-1的填充料為50%。本實施方式的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯通過拉擠工藝將碳纖維 復合材料結構層2制備成中空的管狀結構，然后再向其中填充異質材料。
具體實施方式
十八本實施方式內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，由外 到內(nèi)由絕緣層外層1和碳纖維復合材料結構層2組成，其中碳纖維復合材料結構層2為三 角形截面長碳纖維單向連續(xù)鋪放的管狀結構層，管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯2-1連 續(xù)式地填充不同于碳纖維復合材料結構層2的質輕的泡沫塑料和聚乙烯熱塑性樹脂的組 合物。本實施方式中泡沫塑料和聚乙烯熱塑性樹脂以體積比為1:1的比例組合。本實施方式的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯通過拉擠工藝將碳纖維 復合材料結構層2制備成中空的管狀結構，然后再向其中填充異質材料。
具體實施方式
十九本實施方式內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，由外到內(nèi)由絕緣層外層1和碳纖維復合材料結構層2組成，其中碳纖維復合材料結構層2為圓 形截面長碳纖維單向連續(xù)鋪放的管狀結構層，管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯2-1連續(xù) 式地填充不同于碳纖維復合材料結構層2的質輕的泡沫塑料、不飽和聚酯熱塑性樹脂和丙 烯酸熱固性樹脂的組合物。本實施方式中泡沫塑料、不飽和聚酯熱塑性樹脂和丙烯酸熱固性樹脂以體積比為 1:1:1的比例組合。本實施方式的內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯通過拉擠工藝將碳纖維復合材料結構層2制備成中空的管狀結構，然后再向其中填充異質材料。
權利要求
一種內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，由外到內(nèi)由絕緣層外層(1)和碳纖維復合材料結構層(2)組成，其特征在于碳纖維復合材料結構層(2)為管狀結構，管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯(2-1)中空。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，其特征在于 絕緣外層(1)為玻璃纖維增強復合材料、天然纖維復合材料或者玄武巖纖維復合材料。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，其特征在于 絕緣外層(1)為天然纖維復合材料，所述天然纖維復合材料為麻纖維復合材料。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的一種內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，其特 征在于碳纖維復合材料結構層(2)為圓形截面長碳纖維單向連續(xù)均勻布置的管狀結構層、 三角形截面長碳纖維單向連續(xù)鋪放的管狀結構層或者碳纖維密度從外到內(nèi)梯度增加的布 置方式的管狀結構層。
5.如權利要求1所述的一種內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，其特征在于管 狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯(2-1)填充不同于碳纖維復合材料結構層(2 )的質輕的異 質材料。
6.如權利要求5所述的一種內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，其特征在于管 狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯(2-1)的填充方式為連續(xù)式填充異質材料，管狀碳纖維復 合材料結構層的內(nèi)芯(2-1)的填充率為100%。
7.根據(jù)權利要求5所述的一種內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，其特征在于 管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯(2-1)的填充方式為非連續(xù)性的間斷式填充異質材料， 管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯(2-1)的填充率為30%飛0%。
8.根據(jù)權利要求5、6或7所述的一種內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，其 特征在于所述異質材料為泡沫塑料、熱固性樹脂和熱塑性樹脂中的一種或者其中幾種的組I=I O
9.根據(jù)權利要求8所述的一種內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，其特征在于 所述熱固性樹脂為環(huán)氧熱固性樹脂或者不飽和聚酯樹脂，所述熱塑性樹脂為聚乙烯熱塑性 樹脂或者丙烯酸熱塑性樹脂。
10.根據(jù)權利要求8所述的一種內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，其特征在 于碳纖維復合材料結構層(2)為圓形截面長碳纖維單向連續(xù)均勻布置的管狀結構層、三角 形截面長碳纖維單向連續(xù)鋪放的管狀結構層或者碳纖維密度從外到內(nèi)梯度增加的布置方 式的管狀結構層。
全文摘要
一種內(nèi)芯中空或者內(nèi)芯異質的復合材料電纜芯，它涉及一種復合材料電纜芯。本發(fā)明解決了現(xiàn)有復合材料電纜芯的結構層為同質實心結構，導致成本高、彎曲載荷低的問題。本發(fā)明的復合材料電纜芯由外到內(nèi)由絕緣層外層和碳纖維復合材料結構層組成，其中碳纖維復合材料結構層為管狀結構，管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯中空，或者管狀碳纖維復合材料結構層的內(nèi)芯填充不同于碳纖維復合材料結構層的質輕的異質材料。本發(fā)明的復合材料電纜芯與現(xiàn)有相同規(guī)格的實心復合材料電纜芯相比，自重減小，節(jié)省碳纖維復合材料30%以上，而且抗彎模量變大，彎曲載荷變大。
文檔編號H01B17/60GK101866713SQ201010197990
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月11日 優(yōu)先權日2010年6月11日
發(fā)明者戴福洪, 杜善義 申請人:哈爾濱工業(yè)大學