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复合电缆芯的研制及性能测试
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随着国民经济的快速发展,电力需求不断提高,传统的架空输电导线已经成为电力输送事业的瓶颈,因此,研发新型的、具有高输送量、低弧垂特性的架空输电导线已迫在眉睫。使用耐高温、自身重量轻、热膨胀系数小、比强度高的聚合物基纤维增强复合材料芯代替钢芯铝绞线的钢芯发挥承力作用,可以使导线在更高的温度下安全稳定运行,从而提高输电量,因此成为国际上电工输电新材料研究领域的热点。 本文首先对制造复合材料芯的三种环氧类基体树脂——环氧618体系、GF-630体系和海因树脂体系的固化工艺及****固化剂添加量进行了实验研究,并在此基础上对各树脂体系的粘度、适用期,树脂固化物的热稳定性做了分析对比,结果表明: 三种树脂体系中固化剂添加比例分别为75%、40%、35%时其各项力学性能、固化度均为各自****值,而此时固化剂的添加量均较接近化学计量添加量,从而确定了三种树脂体系的各自****固化剂添加量。 在研究的三种环氧树脂体系中,60℃条件下海因树脂体系的粘度小于800mPa·s,凝胶时间大于8小时,拉伸强度84.9MPa,剪切强度(金属对金属)31.0MPa均为最高,其断裂伸长率为3.3%,与芳纶纤维的断裂伸长率较为匹配;同时该体系的玻璃化温度Tg达173.8℃,及通过热重分析得出的三个温度指数T_s 193.3℃、T_A 375.9℃、T_(zg)187.2℃在三种环氧树脂体系中均为最高。因此可初步判断在较高使用温度条件下,该体系具有较高的综合性能,为较优树脂体系。 然后采用手糊成型工艺制备了海因树脂基芳纶纤维增强复合缆芯试样,并对其各项性能指标进行了分析测试。 复合材料线芯的密度为1.54 g/cm~3,在同样的直径和长度下,复合材料缆芯的质量比钢质缆芯的质量减少了80.4%;通过DMA分析,确定复合材料芯的玻璃化温度为157.8℃,Onset值为139.6℃;复合材料线芯的线膨胀系数为较小的负值,即采用复合材料线芯代替钢芯在高温运行情况下不产生弧垂;自制复合材料芯的拉伸强度38.8KN(610.2MPa),拉伸模量79Gpa,剪切强度37.8MPa,弯曲强度680.7MPa,弯曲模量19.9Gpa。采用扫描电镜对基体树脂与增强纤维界面结合状况进行了观察,在不同放大倍数的电镜照片上可以看出,未进行剪切破坏前基体树脂与增强纤维界面结合状况良好;经剪切破坏后各纤维表面均附着着一定量的基体树脂,纤维表面较粗糙,说明基体树脂与纤维界面结合良好。 综合分析测试数据,自制复合材料芯的拉伸强度、拉伸模量、剪切强度、弯曲强度、弯曲模量等主要性能指标,远未达到芳纶1414纤维的****力学性能,其主要原因是本实验采用手糊成型工艺制作,多数纤维并未展直,在受力时不是所有纤维一起承载,未能发挥纤维的全部性能,若采用拉挤成型工艺,所得产品的拉伸性能可以提高5倍以上。 最后,参考玻璃纤维复合材料拉挤成型工艺对海因树脂基芳纶纤维增强复合缆芯成型工艺及设备进行了初步设计。
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