新型復(fù)合導(dǎo)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(xué)研究院，北京市，102401)

0 引言

新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線是近年來輸變電工程領(lǐng)域出現(xiàn)的一種可替代傳統(tǒng)鋼芯導(dǎo)線的全新產(chǎn)品，具有導(dǎo)電率高、載流量大、比重小、抗拉強度大、線膨脹系數(shù)小、耐熱性好、耐老化性能好等優(yōu)點[1-5]。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線可以有效地提高輸電線路的輸送容量、輸電網(wǎng)的安全可靠性，并降低架空輸配電工程總成本，對實現(xiàn)輸變電領(lǐng)域節(jié)能、安全、環(huán)保和經(jīng)濟性的更高要求具有非常重要的意義。目前，工程應(yīng)用的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線主要是進口產(chǎn)品，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的國產(chǎn)化是非常必要且緊迫的。

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

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

1 制備工藝

碳纖維復(fù)合芯的制備采用拉擠成型工藝。拉擠復(fù)合材料制品具有許多優(yōu)點，如機械性能好、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定、導(dǎo)熱率低、絕緣性能好、耐老化等，是目前復(fù)合材料生產(chǎn)中自動化程度較高的連續(xù)成型工藝。拉擠工藝重要的工藝參數(shù)包括溫度、壓力、拉擠速度、牽引力和樹脂固化反應(yīng)等。拉擠工藝的工作流程是在牽引機的拉力下，連續(xù)的碳纖維材料在樹脂基體中浸漬，預(yù)成型后通過模具，模具加熱，熱量傳遞至液態(tài)的碳纖維和樹脂體系，交聯(lián)反應(yīng)開始發(fā)生，樹脂從復(fù)合材料的周邊向中心固化。由于交聯(lián)，樹脂體積收縮，使得復(fù)合材料與模具分開，熱的固體復(fù)合材料從模具中出來，經(jīng)過后固化、冷卻等流程，最終由收線機進行復(fù)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(fù)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(zhì)量的各項控制影響因素進行分析調(diào)整。

2 纖維體積含量對復(fù)合芯性能的影響

碳纖維復(fù)合芯內(nèi)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(jié)構(gòu)體。其中，碳纖維和樹脂基體的相對比例，即碳纖維在復(fù)合材料中的含量是確定碳纖維復(fù)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(yōu)良，同時2組分之間達到最佳配比及結(jié)合狀態(tài)時，才能使復(fù)合材料具有優(yōu)良的性能。

資料顯示，碳纖維增強復(fù)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(jié)性，碳纖維的高強度和高模量才會在復(fù)合材料中發(fā)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(fù)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(fù)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(fù)合材料的界面是極為重要的微結(jié)構(gòu)，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(jié)合方式以及界面結(jié)合強度對復(fù)合材料的力學(xué)性能和破壞行為有重大影響。通過控制界面層結(jié)構(gòu)來調(diào)整界面性能以適應(yīng)不同環(huán)境的需要是纖維增強聚合物基復(fù)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(fù)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(jié)。對于聚合物基復(fù)合材料，纖維的表面改性就是竭力促使纖維表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高纖維與聚合物基體間的粘合性能，從而最大限度地發(fā)揮纖維增強復(fù)合材料力學(xué)性能的能力。

利用物理和化學(xué)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(jié)合性。美國CTC的產(chǎn)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(nèi)的非穩(wěn)態(tài)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(chǎn)品的性能。樹脂基體在加熱模具中發(fā)生固化反應(yīng)并釋放熱量，固化體系內(nèi)不同部分之間及體系與模具之間存在著溫度梯度而發(fā)生熱量傳遞，體系內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性也導(dǎo)致溫度梯度和熱傳遞的復(fù)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(wěn)態(tài)溫度場。

拉擠成型工藝必須選擇合適的模內(nèi)溫度，設(shè)定合適的預(yù)熱溫度和牽引速度，以獲得最佳固化溫度和固化時間，將內(nèi)應(yīng)變控制在一定范圍內(nèi)，保證材料性能，宏觀上不產(chǎn)生裂紋。

拉擠模具分為3個區(qū)：第1區(qū)為預(yù)熱模，一般設(shè)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(yīng)做準備，同時模壓的提高也便于溫度的向內(nèi)傳播；第2區(qū)為加熱區(qū)，樹脂發(fā)生固化反應(yīng)并產(chǎn)生相變，從粘稠態(tài)轉(zhuǎn)變成為凝膠態(tài)；第3區(qū)為恒溫區(qū)，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(yù)熱區(qū)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(fā)生局部粘模，拉擠過程中掉沫嚴重，導(dǎo)致產(chǎn)品表面粗糙；若溫度太低，預(yù)熱不充分，造成脫模困難，隨著牽引力增大，發(fā)生堵模，工藝失敗。凝膠區(qū)若溫度太高，加上環(huán)氧樹脂凝膠時放出的熱量可能導(dǎo)致復(fù)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(chǎn)品表面也不光滑。固化區(qū)溫度也應(yīng)適中，太低固化不完全，太高可能引起產(chǎn)品裂解，均能使產(chǎn)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(chǎn)率和材料性能，而且是拉擠工藝成敗的關(guān)鍵參數(shù)之一。它須同模具溫度協(xié)調(diào)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(chǎn)品的性能。因此，分析拉擠工藝與模具的關(guān)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(guān)鍵。

5.1 拉擠模具的工況

在拉擠工藝中，經(jīng)膠槽浸漬的纖維進入模具時，按照樹脂的固化反應(yīng)歷程，習(xí)慣上把它分為3個區(qū)：預(yù)熱區(qū)、凝膠區(qū)和固化反應(yīng)區(qū)，溫度按3個區(qū)進行控制。樹脂體系在模內(nèi)的固化反應(yīng)過程，從液態(tài)到固態(tài)是一個粘度不斷變化的過程，即使了解了樹脂的反應(yīng)行為，仍然需要在實際工作中根據(jù)工藝情況調(diào)整3個區(qū)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(yīng)用，對拉擠模具不但要求規(guī)格多樣化、品種系列化，還要求加工質(zhì)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(xué)性能、耐蝕性、鏡面加工性、尺寸穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)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(yōu)化的結(jié)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(shè)計功能的現(xiàn)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(yīng)歷程，調(diào)整纖維狀態(tài)，并可預(yù)測拉擠模具在特定工作條件下的工作壽命。根據(jù)實踐經(jīng)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(fù)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(zhì)量及尺寸精度要求比較嚴格的復(fù)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(guān)于磨損的部位，按拉擠模具加熱控制固化的分區(qū)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(yù)熱區(qū)?？梢酝ㄟ^調(diào)整模具預(yù)熱區(qū)溫度，調(diào)整樹脂在模具內(nèi)的凝膠點來緩解磨損，適當延長模具壽命。

從模具的結(jié)構(gòu)來說，模具接縫部位比較容易磨損，所以模具設(shè)計時，在考慮產(chǎn)品成型工藝及模具加工工藝的情況下，應(yīng)盡量采用一體模。延長模具使用壽命是模具制造的關(guān)鍵，綜合來說是要合理選材，在經(jīng)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(tài)；另外，還要進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)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(chǎn)品表面質(zhì)量的要求要高，模具的粗糙度一般應(yīng)達到0.025～0.8μm，電鍍表面鍍層厚度不應(yīng)小于0.02mm。除加強模具的表面狀態(tài)處理之外，在工藝上控制脫模劑的用量對避免粘附至關(guān)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(xiàn)象，過少則會產(chǎn)生粘附，優(yōu)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(chǎn)生腐蝕，從延長模具使用壽命的角度出發(fā)，在模具選材上就要有所考慮。對電鍍層的厚度、硬度、鍍層質(zhì)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(nèi)應(yīng)力作用下的脫鍍現(xiàn)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(xiàn)的缺陷及原因

成型過程中出現(xiàn)的典型缺陷及產(chǎn)生的原因如表1所示。

表1 成型過程中出現(xiàn)的缺陷及產(chǎn)生的原因Tab.1 Defectsoccurring during forming and causes

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