碳纤维复合材料导线芯的制备及其特性研究

论文摘要

本文以碳纤维作为增强材料,采用拉挤成型工艺,制备出复合材料导线芯,并在外部绞合铝合金导线制备出架空导线。该新型碳纤维复合芯导线可以实现对现有输电线路的改造,增加输电能力,对于碳纤维复合芯及复合芯导线的研究具有重大的经济和社会意义。本文对自制的复合芯及导线的制备与性能做了系统的研究。调整了拉挤工艺中的排纱、树脂浸渍、入模及固化、牵引四部分的关键设置,获取了制备碳纤维复合芯的最佳工艺参数为后固化温度在200-220℃之间,固化剂的含量为40%。对比分析了实验室自制复合芯与CTC公司产品ACCC的性能,结果表明：实验室自制碳纤维复合芯的热膨胀系数比ACCC的小,更能有效地降低架空导线的弧垂；通过动态机械热分析（DMA）考察了复合芯的动态力学性能,发现自制复合芯具有更高的储能模量,抵抗变形的能力更强。自制复合芯的玻璃化转变温度（Tg）比ACCC低10℃,需通过对环氧基体进行改性提高复合芯的耐热性；考察复合芯的静态力学性能发现自制复合芯的抗拉强度比ACCC大；采用扫描电镜（SEM）观察了复合芯的横截面与剖面,纤维与基体界面粘结良好,无纤维的拨出、脱粘现象。初步探索了复合芯的湿热老化行为。复合芯的吸湿特性复合芯在低温下的湿热老化符合Fick扩散定律。在100℃的蒸馏水中,浸泡前期复合芯符合Fick扩散定律,后期吸湿率出现下降。同时,温度越高,复合芯的饱和吸湿率越大,达到饱和吸湿率的时间越短；湿热老化导致了复合芯的弯曲强度下降,温度越高,弯曲强度下降的越快,幅度越大;复合芯的动态力学性能测试结果表明,复合芯的储能模量随老化时间的延长而下降,损耗因子随老化时间的延长而增大；通过分析浸泡前后的复合芯的红外谱（IR）发现,复合芯在浸泡过程中结构未发生化学变化,只存在未固化的环氧基体的溶解或析出；采用扫描电镜观察了浸泡前后复合芯的劈裂面形貌,浸泡后的复合芯的纤维与基体的界面都出现了不同程度的破坏,尤其以在100℃蒸馏水中浸泡时破坏最严重。测试分析了自制新型碳纤维复合芯铝导线的各项性能,新型导线的各种表观质量均达到标准要求,与传统钢芯导线相比,新型导线的重量轻,抗拉强度大；在拉伸过程中复合芯只表现出弹性变化,而铝绞线要发生弹塑性变形,使导线的应力应变曲线上存在斜率的突然变化；碳纤维复合芯的热膨胀系数比铝绞线要小的多,在温度升高到一定值时导线的弧垂基本不再增加,大大降低了导线的弧垂,从而允许导线在更高的温度下使用；载流量测试结果表明新型导线的载流量大大超过传统钢芯铝导线,可以实现对输电线路扩容的改造；新型导线顺利通过了微风振动,电晕及无线电干扰测试；总之,自制碳纤维复合芯铝导线的各项性能均能够达到施工设计要求,并且在现场应用情况良好。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 架空导线的发展现状
• 1.2 复合芯导线的国内外研究现状
• 1.3 碳纤维复合芯概述
• 1.3.1 碳纤维简介
• 1.3.2 碳纤维性能
• 1.3.3 碳纤维复合芯拉挤成型技术
• 1.4 碳纤维复合芯老化性能的研究
• 1.4.1 研究复合芯老化的必要性
• 1.4.2 聚合物基复合材料的老化原理
• 1.5 本论文的研究内容
• 第二章 实验材料和实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 碳纤维复合芯线的性能测试
• 2.2.1 静态力学性能测试
• 2.2.2 动态热机械性能分析测试
• 2.2.3 固化度测试
• 2.2.4 密度测试
• 2.2.5 热膨胀性能测试
• 2.2.6 拉伸断口的扫描电镜形貌分析
• 2.2.7 湿热老化试验
• 2.2.8 红外分析
• 2.3 碳纤维复合芯铝合金导线的性能测试
• 2.3.1 拉力测试
• 2.3.2 高温拉力测试
• 2.3.3 应力-应变测试
• 2.3.4 热膨胀测试
• 2.3.5 弧垂特性测试
• 2.3.6 载流量测试
• 2.3.7 微风振动疲劳测试
• 2.3.8 电晕及无线电干扰试验
• 第三章 碳纤维复合芯的研制及性能测试
• 3.1 引言
• 3.2 拉挤成型工艺的确定
• 3.3 后固化温度对复合芯的性能影响
• 3.4 固化剂含量对复合芯的性能影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 不同碳纤维复合芯性能的对比分析
• 4.1 引言
• 4.2 热膨胀性能
• 4.3 动态力学分析
• 4.4 拉伸强度与密度
• 4.5 SEM断口形貌分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 碳纤维复合芯湿热老化行为研究
• 5.1 碳纤维复合芯的吸湿特性
• 5.2 湿热对碳纤维复合芯静态力学性能的影响
• 5.3 湿热对碳纤维复合芯动态力学性能的影响
• 5.4 湿热老化前后复合芯的红外光谱分析
• 5.5 湿热老化前后复合芯的断口SEM形貌
• 5.6 本章小结
• 第六章 碳纤维复合芯铝合金导线特性研究
• 6.1 导线的表观质量
• 6.2 应力-应变曲线
• 6.3 弧垂特性
• 6.4 载流量测试结果
• 6.5 微风振动疲劳特性
• 6.6 电晕及无线电干扰特性
• 6.7 现场施工应用
• 6.8 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表及录用学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表