新型復合導線用碳纖維芯材的制備工藝

王秋玲，何州文，張 卓，徐 麗，陳 新

(中國電力科學研究院，北京市，102401)

0 引言

新型碳纖維復合芯導線是近年來輸變電工程領域出現的一種可替代傳統鋼芯導線的全新產品，具有導電率高、載流量大、比重小、抗拉強度大、線膨脹系數小、耐熱性好、耐老化性能好等優點[1-5]。碳纖維復合芯導線可以有效地提高輸電線路的輸送容量、輸電網的安全可靠性，并降低架空輸配電工程總成本，對實現輸變電領域節能、安全、環保和經濟性的更高要求具有非常重要的意義。目前，工程應用的碳纖維復合芯導線主要是進口產品，碳纖維復合芯導線的國產化是非常必要且緊迫的。

碳纖維復合芯導線的創新之處在于用碳纖維復合材料替代傳統鋼芯材料，因此，碳纖維復合芯的研制成型是復合芯導線研究的核心技術，成型技術的優劣將直接影響復合芯的性能，從而在很大程度上決定整個導線的性能。

本文主要研究碳纖維復合芯成型工藝及其影響因素，掌握碳纖維復合芯成型的工藝條件，包括影響工藝的因素和工藝參數的設定，為碳纖維復合芯的國產化提供必要的參考。

1 制備工藝

碳纖維復合芯的制備采用拉擠成型工藝。拉擠復合材料制品具有許多優點，如機械性能好、耐腐蝕、尺寸穩定、導熱率低、絕緣性能好、耐老化等，是目前復合材料生產中自動化程度較高的連續成型工藝。拉擠工藝重要的工藝參數包括溫度、壓力、拉擠速度、牽引力和樹脂固化反應等。拉擠工藝的工作流程是在牽引機的拉力下，連續的碳纖維材料在樹脂基體中浸漬，預成型后通過模具，模具加熱，熱量傳遞至液態的碳纖維和樹脂體系，交聯反應開始發生，樹脂從復合材料的周邊向中心固化。由于交聯，樹脂體積收縮，使得復合材料與模具分開，熱的固體復合材料從模具中出來，經過后固化、冷卻等流程，最終由收線機進行復合芯的收卷。拉擠工藝流程如圖1所示。

圖1 拉擠工藝流程圖Fig.1 Pultrusion process flow

在碳纖維復合芯的成型工藝研究中，必須對影響拉擠工藝過程及最終材料質量的各項控制影響因素進行分析調整。

2 纖維體積含量對復合芯性能的影響

碳纖維復合芯內層是由碳纖維、樹脂基體及其他輔助材料等按一定比例及工藝條件組成的有機結構體。其中，碳纖維和樹脂基體的相對比例，即碳纖維在復合材料中的含量是確定碳纖維復合芯某些物理和機械性能的重要因素。只有2組分本身性能優良，同時2組分之間達到最佳配比及結合狀態時，才能使復合材料具有優良的性能。

資料顯示，碳纖維增強復合材料的彎曲強度和彎曲模量隨碳纖維含量的增加而增加。碳纖維在基體中分布均勻，纖維同基體有良好的粘結性，碳纖維的高強度和高模量才會在復合材料中發揮作用。在熱變形方面，纖維增強材料有一個共同特點，即少量的纖維可使復合材料的熱變形溫度很快接近基體的熔點。在材料硬度方面，當碳纖維含量較少時，復合材料的硬度提高不多，此時主要是基體承載負荷；當纖維體積的比例超過一定量時，載荷主要由纖維承擔。

3 纖維和樹脂的界面性能

復合材料的界面是極為重要的微結構，作為增強材料與基體的連接橋梁和外加載荷從基體向增強材料傳遞的紐帶，界面的組成、性能、結合方式以及界面結合強度對復合材料的力學性能和破壞行為有重大影響。通過控制界面層結構來調整界面性能以適應不同環境的需要是纖維增強聚合物基復合材料的研究目之一。

一般而言，無機纖維（如碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、氮化硅纖維）與聚合物基體之間的親和性都較差，復合時容易在界面上形成空隙和缺陷，增強相與基體材料之間難以形成有效的粘結。對于聚合物基復合材料，纖維的表面改性就是竭力促使纖維表面發生化學反應，提高纖維與聚合物基體間的粘合性能，從而最大限度地發揮纖維增強復合材料力學性能的能力。

利用物理和化學2種方法對所用碳纖維和玻璃纖維進行處理，可以有效地改善纖維與樹脂的潤濕性和界面結合性。美國CTC的產品及纖維表面處理前后對比如圖2所示。

4 拉擠樹脂體系在模具內的非穩態溫度場

拉擠樹脂體系在加熱模具中的溫度和固化度會嚴重影響產品的性能。樹脂基體在加熱模具中發生固化反應并釋放熱量，固化體系內不同部分之間及體系與模具之間存在著溫度梯度而發生熱量傳遞，體系內化學反應的復雜性也導致溫度梯度和熱傳遞的復雜性，這就決定了整個拉擠工藝過程中的固化體系是個非穩態溫度場。

拉擠成型工藝必須選擇合適的模內溫度，設定合適的預熱溫度和牽引速度，以獲得最佳固化溫度和固化時間，將內應變控制在一定范圍內，保證材料性能，宏觀上不產生裂紋。

拉擠模具分為3個區：第1區為預熱模，一般設定溫度較低，主要是為了提高樹脂溫度，為下一階段的固化反應做準備，同時模壓的提高也便于溫度的向內傳播；第2區為加熱區，樹脂發生固化反應并產生相變，從粘稠態轉變成為凝膠態；第3區為恒溫區，為固化好的纖維樹脂體系提供一段保溫范圍，防止溫度驟變引起的裂紋。

若預熱區溫度太高，凝膠點前移，脫離點離模具末端太遠，隨著牽引力增加，發生局部粘模，拉擠過程中掉沫嚴重，導致產品表面粗糙；若溫度太低，預熱不充分，造成脫模困難，隨著牽引力增大，發生堵模，工藝失敗。凝膠區若溫度太高，加上環氧樹脂凝膠時放出的熱量可能導致復合材料裂解而性能降低；若溫度太低，凝膠時間長，粘模使牽引力增加，產品表面也不光滑。固化區溫度也應適中，太低固化不完全，太高可能引起產品裂解，均能使產品性能降低。在拉擠過程中，樹脂傳熱速度相對較慢，工藝控制溫度需要進一步修正。

拉擠速度不僅影響生產率和材料性能，而且是拉擠工藝成敗的關鍵參數之一。它須同模具溫度協調一致，在拉擠溫度一定下，拉擠速度也有最佳值。

5 拉擠模具

在整個拉擠過程中，拉擠模具是所有工藝因素的交匯點，模具的工況直接影響著產品的性能。因此，分析拉擠工藝與模具的關系，尋找模具失效的基本原因及采取的對策，是提高整個拉擠工藝水平的關鍵。

5.1 拉擠模具的工況

在拉擠工藝中，經膠槽浸漬的纖維進入模具時，按照樹脂的固化反應歷程，習慣上把它分為3個區：預熱區、凝膠區和固化反應區，溫度按3個區進行控制。樹脂體系在模內的固化反應過程，從液態到固態是一個粘度不斷變化的過程，即使了解了樹脂的反應行為，仍然需要在實際工作中根據工藝情況調整3個區的溫度。

5.2 拉擠工藝對拉擠模具的基本要求

隨著拉擠制品日益得到廣泛的應用，對拉擠模具不但要求規格多樣化、品種系列化，還要求加工質量越來越高、壽命越來越長。在拉擠模具性能方面主要有以下要求：耐磨性、力學性能、耐蝕性、鏡面加工性、尺寸穩定性、結構合理性。

由于拉擠工藝的特點決定了拉擠模具需要一系列的綜合性能，同時還必須考慮到模具制造成本，因此拉擠模具的制造也是比較優化的結果。

5.3 拉擠模具的失效形式

在拉擠過程中，拉擠模具喪失原設計功能的現象稱之為失效。對失效的形式及原因進行分析有助于正確選擇模具材料，合理制定模具加工工藝，改進拉擠工藝，改進樹脂反應歷程，調整纖維狀態，并可預測拉擠模具在特定工作條件下的工作壽命。根據實踐經驗，模具的主要失效形式有以下3種情況。

（1）磨損。纖維增強樹脂基復合材料的樹脂基體中含有各種增強材料，如玻璃纖維、碳纖維、有機纖維等是模具磨損的重要原因。對那些外觀質量及尺寸精度要求比較嚴格的復合材料拉擠制品，由于模具表面粗糙度變化，會造成制品表面缺陷，嚴重影響尺寸精度。關于磨損的部位，按拉擠模具加熱控制固化的分區情況，在模具的長度方向上，最易磨損的是模具的入口處，其次是預熱區?？梢酝ㄟ^調整模具預熱區溫度，調整樹脂在模具內的凝膠點來緩解磨損，適當延長模具壽命。

從模具的結構來說，模具接縫部位比較容易磨損，所以模具設計時，在考慮產品成型工藝及模具加工工藝的情況下，應盡量采用一體模。延長模具使用壽命是模具制造的關鍵，綜合來說是要合理選材，在經濟條件允許情況下，選擇耐磨材料，選擇鏡面加工性好的鋼材提高模具的表面狀態；另外，還要進行合理的結構設計，采用滲碳、滲氮工藝，進行電鍍拋光。

（2）粘附。在拉擠過程中，樹脂的固化一直處于與模具表面粘附與脫粘的矛盾之中，模具的表面粗糙度必須比產品表面質量的要求要高，模具的粗糙度一般應達到0.025～0.8μm，電鍍表面鍍層厚度不應小于0.02mm。除加強模具的表面狀態處理之外，在工藝上控制脫模劑的用量對避免粘附至關重要。在選擇合適脫模劑的同時要提出控制指標，脫模劑用量過大會造成制品開裂、分層、起泡等現象，過少則會產生粘附，優化其用量是拉擠工藝的重要問題之一。

（3）腐蝕。在拉擠過程中，樹脂及其配合劑都對拉擠模具產生腐蝕，從延長模具使用壽命的角度出發，在模具選材上就要有所考慮。對電鍍層的厚度、硬度、鍍層質量要有嚴格要求，如果所選材料與電鍍層親和力差，還有可能造成電鍍層在內應力作用下的脫鍍現象，這是必須考慮的。

除以上原因會引起拉擠模具失效之外，在拉擠工藝中，影響拉擠模具壽命的因素還很多，如模具長期熱疲勞、模具控制溫度、模具長度都對模具壽命有重要影響，需要進一步深入研究探討。

6 成型過程出現的缺陷及原因

成型過程中出現的典型缺陷及產生的原因如表1所示。

表1 成型過程中出現的缺陷及產生的原因Tab.1 Defectsoccurring during forming and causes

[1]尤傳永.架空輸電線路新型復合材料合成導線的開發研究[J].電力建設，2004，25（11）：1-6.

[2]牛海軍，萬建成，董玉明，等.碳纖維復合芯梯形軟鋁導線的研究開發[J].電力建設，2009，30（11）：92-95.

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[4]尤傳永.耐熱鋁合金導線的耐熱機理及其在輸電線路中的應用[J].電力建設，2003，24（8）：4-8.

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