專利名稱：纖維-聚合物復(fù)合材料的制作方法
纖維-聚合物復(fù)合材料本發(fā)明涉及支承的高架電纜。特別地，本發(fā)明涉及由纖維-聚合物復(fù)合材料支承的高架電纜。目前，使裸露的鋁導(dǎo)體高架電線，如鋁導(dǎo)體鋼增強(qiáng)的(aluminum conductorsteel reinforced) (ACSR)和鋁導(dǎo)體鋼支承的(aluminum conductor steelsupported) (ACSS)，構(gòu) 造有鋼芯以此支撐它們的重量。纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料可以用來替代鋼芯。纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料可以提供重量和強(qiáng)度方面的優(yōu)勢。另一方面，高分子復(fù) 合材料也具有下述方面的缺點(diǎn)耐疲勞性、抗扭強(qiáng)度、和表面耐磨損性。由于高架線材應(yīng)該 具有超過60年的使用壽命，因此解決疲勞、抗扭強(qiáng)度、和表面磨損的問題對于鋼芯電線的 可替代物的有效性是關(guān)鍵性的。需要提供鋁導(dǎo)體纖維-聚合物復(fù)合材料支承的高架電線，其克服了與耐疲勞、抗 扭、耐表面磨損性相關(guān)的缺點(diǎn)。此外，纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合芯應(yīng)該表現(xiàn)足以滿足ASTM B 341/B 341M-02的機(jī)械性能并且具有高伸長率和高模量。該復(fù)合芯也應(yīng)該表現(xiàn)耐高溫性和 高斷裂韌度。也需要通過在擠拉成型之前使松散的連續(xù)纖維預(yù)成型為特定的微觀結(jié)構(gòu)來降 低擠拉成型法的復(fù)雜性。此外，期望的是，用更輕更強(qiáng)的合成材料(即，較高的強(qiáng)度重量比 率)替代鋼芯。盡管鋁導(dǎo)體纖維_聚合物復(fù)合材料支承體應(yīng)該足以解決高架需要，但是本領(lǐng)域普 通技術(shù)人員將容易認(rèn)識(shí)到該支承體對其它應(yīng)用(包括海底光纖電纜)的有效性。

圖1展示了本發(fā)明的纖維-聚合物復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，其中該微觀結(jié)構(gòu)由以下 兩者組成沿芯的縱向方向排列的軸向纖維、以及以某螺旋角度在軸向纖維周圍編結(jié)的加 捻纖維(twisted fibers，合股纖維)。圖2展示了由纖維_聚合物復(fù)合材料支承的鋁導(dǎo)體。本發(fā)明是由纖維-聚合物復(fù)合材料支承的高架導(dǎo)體，其包括(a)纖維-聚合物復(fù) 合芯和(b)管狀金屬導(dǎo)體。所述管狀金屬導(dǎo)體在所述芯之上，并且具有這樣的組成和柔軟 韌度(soft temper)使得，對于所有的導(dǎo)體操作溫度而言，當(dāng)環(huán)境溫度高于冰和雪會(huì)在該 導(dǎo)體上堆積的溫度時(shí)，由緊張地高架(strung-overhead)布置所述導(dǎo)體導(dǎo)致的基本上所有 機(jī)械張力由纖維_聚合物復(fù)合芯承擔(dān)，而如果需要管狀金屬導(dǎo)體來承擔(dān)任何隨之而來的應(yīng) 力時(shí)，所述管狀金屬導(dǎo)體就寧可無彈性地伸長而將這種應(yīng)力留給纖維_聚合物復(fù)合芯來承 擔(dān)。優(yōu)選地，所述纖維_聚合物復(fù)合芯是碳纖維_增強(qiáng)高分子組合物，其包括碳纖維 和環(huán)氧樹脂。更優(yōu)選地，所述碳纖維的存在量應(yīng)該為約70wt%至約90wt%，更優(yōu)選地，約 75 1%至約85wt%，并且甚至更優(yōu)選地，約78 丨％至約85wt%。優(yōu)選地，所述碳纖維的彈性模量將大于或等于約80GPa。更優(yōu)選地，所述彈性模量 將大于或等于約120GPa。此外，優(yōu)選地，所述碳纖維的失效極限伸長率將大于約1. 5%。所述環(huán)氧樹脂可以是單一樹脂或多于一種樹脂的混合物。優(yōu)選地，所述環(huán)氧樹脂 的存在量應(yīng)該為約10襯％至約30wt%，更優(yōu)選地，約15wt%至約25wt%，并且甚至更優(yōu)選 地，約15wt%至約23wt%。優(yōu)選地，所述環(huán)氧樹脂是熱固性環(huán)氧樹脂。更優(yōu)選地，所述樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度將高于約150攝氏度。所述碳纖維-增強(qiáng)高分子組合物可以進(jìn)一步包括短切碳纖維、碳納米管、或兩者 都包括。當(dāng)存在時(shí)，優(yōu)選地碳纖維或碳納米管的存在量為約0. 5wt%至約10wt%，更優(yōu)選 地，約7wt%，并且甚至更優(yōu)選地，約1襯％至約5襯％。所述碳纖維_增強(qiáng)高分子組合物可以進(jìn)一步包括硬化劑。硬化劑的存在量將取決 于用來制備組合物的環(huán)氧樹脂的用量和類型。所述管狀金屬導(dǎo)體可以由傳導(dǎo)金屬組成。優(yōu)選地，所述金屬導(dǎo)體將為鋁。更優(yōu)選 地，管狀鋁導(dǎo)體的電導(dǎo)率不低于61% IACS。本發(fā)明的交替實(shí)施方式使得，在擠拉成型過程之前使連續(xù)纖維預(yù)成型為特定的微 觀結(jié)構(gòu)。這些微觀結(jié)構(gòu)由以下兩者組成沿芯的縱向方向排列的軸向纖維、以及以某螺旋角 度在軸向纖維周圍編結(jié)的加捻纖維。據(jù)信，較高的螺旋角度將通常增加抗扭強(qiáng)度。

優(yōu)選地并且在擠拉成型法的過程中，將短切碳纖維或碳納米管加入到環(huán)氧樹脂 中。優(yōu)選地，軸向纖維與在軸向纖維周圍編結(jié)的加捻纖維的比率為約50%至約95%。 認(rèn)為應(yīng)該達(dá)到拉伸強(qiáng)度與扭轉(zhuǎn)/彎曲剛性之間的平衡。這樣的話，認(rèn)為在選擇該比率時(shí)應(yīng) 該多加注意，因?yàn)樵摫嚷实脑黾訉⒃黾永鞆?qiáng)度但會(huì)產(chǎn)生復(fù)合芯的扭轉(zhuǎn)/彎曲強(qiáng)度的降 低。優(yōu)選地，編結(jié)的纖維的螺旋角度應(yīng)該為約15度至約55度。至于軸向纖維與加捻 纖維的比率，則認(rèn)為應(yīng)該達(dá)到拉伸強(qiáng)度與扭轉(zhuǎn)/彎曲硬度之間的平衡。這樣的話，認(rèn)為在選 擇該螺旋角度時(shí)應(yīng)該多加注意，因?yàn)樵摻嵌鹊脑黾訉⒔档屠鞆?qiáng)度但會(huì)增加復(fù)合芯的扭轉(zhuǎn)
/彎曲強(qiáng)度。再在另一種實(shí)施方式中，本發(fā)明是由纖維-聚合物復(fù)合材料支承的導(dǎo)體，其包括 (a)纖維-聚合物復(fù)合芯；(b)覆蓋在所述芯之上的管狀導(dǎo)體，其具有這樣的組成和柔軟韌 度使得，對于所有的導(dǎo)體操作溫度而言，由緊張地布置所述導(dǎo)體導(dǎo)致的基本上所有機(jī)械張 力由纖維_聚合物復(fù)合芯承擔(dān)，而如果需要管狀導(dǎo)體來承擔(dān)任何隨之而來的應(yīng)力時(shí)，所述 管狀金屬導(dǎo)體就寧可無彈性地伸長而將這種應(yīng)力留給纖維-聚合物復(fù)合芯來承擔(dān)。所述管 狀導(dǎo)體傳輸電力或信息。再在另一種實(shí)施方式中，本發(fā)明是纖維-聚合物復(fù)合芯。該復(fù)合材料包括一根或 多根編結(jié)的“宏觀-線材(macro-wires)”。所述“宏觀-線材”在預(yù)成型過程之后可以具 有或可以不具有正方形橫截面。優(yōu)選地，當(dāng)將所述“宏觀-線材”擠拉通過圓形模頭時(shí)，其 將符合地形成圓形橫截面。
權(quán)利要求
1.一種由纖維-聚合物復(fù)合材料支承的高架導(dǎo)體，其包括(a)纖維_聚合物復(fù)合芯；(b)覆蓋在所述芯之上的管狀金屬導(dǎo)體，并且其具有這樣的組成和柔軟韌度使得，對于 所有的導(dǎo)體操作溫度而言，當(dāng)環(huán)境溫度高于冰和雪會(huì)在所述導(dǎo)體上堆積的溫度時(shí)，由緊張 地高架布置所述導(dǎo)體導(dǎo)致的基本上所有機(jī)械張力由所述纖維_聚合物復(fù)合芯承擔(dān)，而如果 需要所述管狀金屬導(dǎo)體來承擔(dān)任何隨之而來的應(yīng)力時(shí)，所述管狀金屬導(dǎo)體就寧可無彈性地 伸長而將這種應(yīng)力留給所述纖維_聚合物復(fù)合芯來承擔(dān)。
2.權(quán)利要求1中所述的由纖維-聚合物復(fù)合材料支承的高架導(dǎo)體，其中所述纖維-聚 合物復(fù)合芯包括微觀結(jié)構(gòu)_預(yù)成型的連續(xù)纖維。
3.權(quán)利要求1中所述的由纖維-聚合物復(fù)合材料支承的高架導(dǎo)體，其中所述纖維-聚 合物復(fù)合芯的纖維沿所述芯的縱向方向軸向排列。
4.權(quán)利要求1中所述的由纖維-聚合物復(fù)合材料支承的高架導(dǎo)體，其中所述纖維-聚 合物復(fù)合芯的纖維是沿所述芯的縱向方向軸向排列的第一組纖維和在所述第一組軸向纖 維周圍加捻編結(jié)的第二組纖維。
5.權(quán)利要求1中所述的由纖維-聚合物復(fù)合材料支承的高架導(dǎo)體，其中所述纖維-聚 合物復(fù)合芯由至少一根編結(jié)的宏觀_線材組成。
6.權(quán)利要求1中所述的由纖維-聚合物復(fù)合材料支承的高架導(dǎo)體，其中所述管狀金屬 導(dǎo)體是鋁導(dǎo)體。
7.權(quán)利要求6中所述的由纖維_聚合物復(fù)合材料支承的高架導(dǎo)體，其中所述管狀鋁導(dǎo) 體的電導(dǎo)率不低于61% IACS。
8.一種由纖維-聚合物復(fù)合材料支承的導(dǎo)體，其包括(a)纖維-聚合物復(fù)合芯；(b)覆蓋在所述芯之上的管狀導(dǎo)體，其具有這樣的組成和柔軟韌度使得，對于所有的導(dǎo) 體操作溫度而言，由緊張地布置所述導(dǎo)體導(dǎo)致的基本上所有機(jī)械張力由所述纖維_聚合物 復(fù)合芯承擔(dān)，而如果需要所述管狀導(dǎo)體來承擔(dān)任何隨之而來的應(yīng)力時(shí)，所述管狀金屬導(dǎo)體 就寧可無彈性地伸長而將這種應(yīng)力留給所述纖維_聚合物復(fù)合芯來承擔(dān)。
9.權(quán)利要求8中所述的由纖維-聚合物復(fù)合材料支承的導(dǎo)體，其中所述管狀導(dǎo)體傳輸 電力。
10.權(quán)利要求8中所述的由纖維-聚合物復(fù)合材料支承的導(dǎo)體，其中所述管狀導(dǎo)體傳輸信息。
全文摘要
本發(fā)明是由纖維-聚合物復(fù)合材料支承的導(dǎo)體，其具有纖維-聚合物復(fù)合芯和管狀金屬導(dǎo)體。所述管狀金屬導(dǎo)體在所述芯之上。由布置所述導(dǎo)體導(dǎo)致的基本上所有機(jī)械張力由所述纖維-聚合物復(fù)合芯來承擔(dān)。
文檔編號H01B5/10GK102113062SQ200980130397
公開日2011年6月29日 申請日期2009年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月1日
發(fā)明者德克·津克韋格, 郭殊, 陳波 申請人:陶氏環(huán)球技術(shù)公司