復(fù)合材料電纜芯拉擠成型工藝及性能研究

摘 要：圍繞復(fù)合材料電纜芯拉擠成型工藝 ， 根據(jù)復(fù)合材料 電纜芯的力學(xué)性能要求和環(huán)境使用要求 ， 同時 ， 考慮拉擠工藝對基體樹脂工藝性的要求選擇和確定基體樹脂及引發(fā)劑體系 ， 在此基礎(chǔ)上進行基體樹脂配方設(shè)計。采用不同工藝參數(shù) ， 分別對不同配方的耐高溫環(huán)氧樹脂進行拉擠成型 ，通過對工藝參數(shù)的優(yōu)化 ， 解決上述關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：電纜;復(fù)合材料;性能分析;材料

社會經(jīng)濟的發(fā)展和環(huán)保要求對架空輸電導(dǎo)線提出了更高的要求，其發(fā)展方向就是向著提高導(dǎo)線耐熱性和線路傳輸容量的趨勢發(fā)展，就是向著降低線損耗和馳度、提高防腐性和強度的趨勢發(fā)展。20世紀90年代，人們嘗試用有機復(fù)合材料代替金屬材料來制作導(dǎo)線的芯材，并已開發(fā)出幾種復(fù)合材料合成芯導(dǎo)線。這種新型導(dǎo)線充分發(fā)揮了有機復(fù)合材料的特長，與鋼芯導(dǎo)線相比，新型復(fù)合芯導(dǎo)線重量更輕，強度更大，熱膨脹系數(shù)更小，彈性系數(shù)更高，導(dǎo)電性能更好，且耐腐蝕、線損低一。復(fù)合材料電纜芯的制作是通過復(fù)合材料拉擠成型工藝，采用基體為耐高溫的環(huán)氧樹脂，中心增強體為碳纖維、外層增強體為玻璃纖維。整個成型工藝中存在一些難題，并且是對產(chǎn)品性能有直接影響。因此，對這個領(lǐng)域的研究己經(jīng)受到科研工作者們越來越多的重視。拉擠成型工藝是纖維增強熱固性復(fù)合材料的成型方法之一?？捎糜谏a(chǎn)截形狀不變， 長度不受限制的型材或其他材料制品。拉擠成型工藝是將浸漬樹脂膠液的連續(xù)纖維經(jīng)加熱模拉出 ， 然后再通過加熱室使樹脂進一步固化而制備具有單向高強度連續(xù)增強復(fù)合材料型材的成型工藝。根據(jù)所用設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式可分為臥式和立式兩大類。臥式拉擠機結(jié)構(gòu)比較簡單，操作方便。

一、耐高溫環(huán)氧樹脂拉擠成型工藝

拉擠工藝是一種復(fù)合材料連續(xù)成型方法。連續(xù)纖維粗紗和織物浸漬基體樹脂，經(jīng)過預(yù)成型系統(tǒng)，被加熱到給定溫度的成型模具通常稱之為拉擠模具內(nèi)，基體樹脂從模具壁上吸熱溫度升高，當(dāng)溫度達到一定程度，樹脂發(fā)生固化反應(yīng)，形成固體復(fù)合材料，從模具內(nèi)連續(xù)拉出，即制造出復(fù)合材料拉擠制品。

目前，制約拉擠技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一在于拉擠模具。在整個拉擠過程中，拉擠模具是所有工藝因素的交匯點，經(jīng)拉擠模具動態(tài)成型的各種制品成敗的關(guān)鍵就在于模內(nèi)的反應(yīng)歷程，模具的工況直接影響著產(chǎn)品的性能。拉擠模具是拉擠工藝的重要組成部分，是拉擠工藝的核心，素有拉擠“黑匣子”之稱，要搞好拉擠工藝就必須搞好拉擠模具，提高模具的制造水平，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，并采取相應(yīng)的對策，是提高整個拉擠工藝水平的關(guān)鍵。

在拉擠工藝參數(shù)研究中，牽引力占有重要的位置，被稱為“拉擠的脈搏”，它是反應(yīng)拉擠工藝狀態(tài)的一個重要的指標和信號。許多拉擠故障及早期癥狀是牽引力的突然變化。比如當(dāng)粗紗在模具口處堆積并在模腔內(nèi)打結(jié)被拉斷、樹脂固化不穩(wěn)定導(dǎo)致模具內(nèi)粘附力增加、部分產(chǎn)品粘在模具上發(fā)生粘模和產(chǎn)品表面起鱗掉渣時，牽引力會突然上升。當(dāng)模具中材料斷裂后和拉擠速度下降時，牽引力荷載會下降。

拉擠工藝過程中，環(huán)氧樹脂受熱膨脹，在模具內(nèi)部產(chǎn)生壓力，在凝膠時材料緊附于模具表面，此時，若內(nèi)部壓力足夠，在體積收縮后可使表面光滑，若內(nèi)部壓力不足，則產(chǎn)生表面不光滑且較易發(fā)生碎落，通過調(diào)整玻纖及填料的含量可使模內(nèi)壓力控制到最佳值。

在拉擠工藝過程中，玻璃纖維浸漬膠液后通過加熱的金屬模具，物料被牽引前進，樹脂進行固化反應(yīng)，整個過程十分復(fù)雜。尤其在環(huán)氧樹脂拉擠工藝中，由于環(huán)氧樹脂的強粘結(jié)性和低收縮性，帶來離模的更加困難。所以必須配有專用、優(yōu)良的內(nèi)脫模劑，才能實現(xiàn)拉擠工藝的自動化連續(xù)生產(chǎn)

二、復(fù)合材料芯性能測試

動態(tài)熱機械分析技術(shù)DMA，是在程序控制溫度下，測量物質(zhì)在振動負荷下的動態(tài)模量或?qū)W損耗與溫度關(guān)系的技術(shù)。DMA是測定高分子材料的各種轉(zhuǎn)變，評價材料的熱性、耐寒性、相容性、減震阻尼及加工工藝性能的一種簡便的方法，并為研究高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)提供信息。由于高分子的玻璃化轉(zhuǎn)變、結(jié)晶、取向、交聯(lián)、相分離等機構(gòu)變化都與分子運動狀態(tài)的變化密切相關(guān)，而分子運動的變化又能在動態(tài)力學(xué)性能上靈敏的反映。因此，動態(tài)力學(xué)分析是研究高分子結(jié)構(gòu)變化一分子運動一性能的一種有效手段。

使用美國TA公司DMAQ800型動態(tài)熱機械分析儀，用單懸梁夾板來測量由35℃至300℃的玻璃纖維增強復(fù)合材料芯的儲能模量、損耗模量E'，將復(fù)合材料芯加工成35mm×10mm×4mm的矩形，樣品橫向相對于玻璃纖維加壓，振幅是1微米，應(yīng)力加載頻率1Hz，升溫速率選定10℃/min，應(yīng)力為2MPa。

過對拉擠復(fù)合材料制品進行了靜態(tài)機械性能和動態(tài)機械性能的測試比較，對幾種樹脂體系經(jīng)過不用工藝參數(shù)制造的拉擠制品的性能有了比較直觀的認識，并且通過數(shù)據(jù)分析比較，進一步證實樹脂體系不僅在樹脂性能上優(yōu)于其他樹脂體系，在工藝性能上也優(yōu)于其他樹脂體系，在最后的性能測試上也得到了符合拉擠電纜芯棒的性能指標。通過整個研究，認為樹脂體系是適合復(fù)合材料電纜芯拉擠工藝的樹脂，其性能要高于其他樹脂，但為了能更好的發(fā)揮其性能，還有待進一步的對其固化性能和工藝性能進行研究和探討，最終獲得性能優(yōu)異的復(fù)合材料電纜芯制品。

三、結(jié)語

在變溫掃描試驗中發(fā)現(xiàn)，升高溫度有利于加快樹脂固化反應(yīng)，且隨著升溫速率提高固化程度加深，但溫度不能過高，過高時會對模具造成損傷，也會對樹脂材料的質(zhì)量造成影響，材料表面易出現(xiàn)裂痕。等溫掃描試驗中發(fā)現(xiàn)，升高溫度提高固化速度可以允許在拉擠工藝中提高牽拉速度、提高生產(chǎn)效率，但該溫度有極限值，當(dāng)溫度超過此極限值后對樹脂體系反應(yīng)速率的影響不再明顯加入促進劑也可以加快反應(yīng)速率，但對固化反應(yīng)程度沒有影響。

在拉擠成型試驗中使用了三種樹脂及其不同配比體系與兩種玻纖紗分別生產(chǎn)出不同原料的復(fù)合材料。試驗中對產(chǎn)品性能產(chǎn)生影響的因素主要有三區(qū)溫度、模具光潔度、牽拉頻率、玻纖紗預(yù)加張力、樹脂粘度、樹脂中氣泡含量、是否加入內(nèi)脫模劑、是否加入促進劑、添加填料、浸膠槽溫度等等。試驗中出現(xiàn)的主要問題是產(chǎn)品表面鱗裂粉塵問題。產(chǎn)生該問題的原因有很多，當(dāng)白粉問題嚴重時可能是由于試驗開始時固含量不夠，造成樹脂粘模，其與未完全固化的樹脂進行摩擦產(chǎn)生粉末?？梢圆捎脙煞N方法進行改進，一是讓玻纖與樹脂在模具內(nèi)停頓秒左右再進行牽拉，讓新帶入的樹脂與模具上粘附樹脂固化在一起并同時帶出模具二是提高模具溫度，使樹脂在到達粘模處之前己完全固化，將模具上粘附樹脂擠出。

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作者簡介：智鵬飛（1992-），男，漢族，山東省青島人，助理工程師，碩士，從事材料制造研發(fā)及防腐。