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浅析新型复合导线用碳纤维芯材的制备工艺(2010-06-02)

0 引言

近年来,新型碳纤维复合芯导线是输变电工程领域出现的一种可替代传统钢芯导线的全新产品,它本身具有导电率高、载流量大、

比重小、抗拉强度大、线膨胀系数小、耐热性好、耐老化性能好等优点"。碳纤维复合芯导线可以有数地提高输电线路的输送容量

、输电网的安全可靠性,并降低架空输配电工程总成本,对实现输变电领域节能、安全、环保和经济性的更高要求具有非常重要的

意义。,目前,工程应用的碳纤维复合芯导线主要是进口产品,碳纤维复合芯导线的国产化是非常必要且紧迫的。

碳纤维复合芯导线的创新之处在于用碳纤维复合材料替代传统钢芯材料,因此,碳纤维复合芯的研制成型是复合芯导线研究的核心

技术,成型技术的优劣将直接影响复合芯的性能,从而在很大程度上决定整个导线的性能。

本文主要研究碳纤维复合芯成型工艺及其影响因素,掌握碳纤维复合芯成型的工艺条件,包括影响工艺的因素和工艺参数的设定,

为碳纤维复合芯的国产化提供必要的参考。

1 制备工艺

碳纤维复合芯的制备采用拉挤成型工艺。拉挤复合材料制品具有许多优点,如机械性能好、耐腐蚀、尺寸稳定、导热率低、绝缘性

能好、耐老化等,是目前复合材料生产中自动化程度较高的连续成型工艺。拉挤工艺重要的工艺参数包括温度、压力、拉挤速度、

牵引力和树脂固化反应等。拉挤工艺的工作流程是在牵引机的拉力下,连续的碳纤维材料在树脂基体中浸渍,预成型后通过模具,

模具加热,热量传递至液态的碳纤维和树脂体系,交联反应开始发生,树脂从复合材料的周边向中心固化。由于交联,树脂体积收

缩,使得复合材料与模具分开,热的固体复合材料从模具中出来,经过后固化、冷却等流程,最终由收线机进行复合芯的收卷。拉

挤工艺流程如图l所示。

图1 拉挤工艺流程图

在碳纤维复合芯的成型工艺研究中,必须对影响拉挤工艺过程及最终材料质量的各项控制影响因素进行分析调整。

2 纤维体积含量对复合芯性能的影响

碳纤维复合芯内层是由碳纤维、树脂基体及其他辅助材料等按一定比例及工艺条件组成的有机结构体。其中,碳纤维和树脂基体的

相对比例,即碳纤维在复合材料中的含量是确定碳纤维复合芯某些物理和机械性能的重要因素。只有2组分本身性能优良,同时2组

分之间达到最佳配比及结合状态时,才能使复合材料具有优良的性能。

资料显示,碳纤维增强复合材料的弯曲强度和弯曲模量随碳纤维含量的增加而增加。碳纤维在基体中分布均匀,纤维同基体有良好

的粘结性,碳纤维的高强度和高模量才会在复合材料中发挥作用。在热变形方面,纤维增强材料有一个共同特点,即少量的纤维可

使复合材料的热变形温度很快接近基体的熔点。在材料硬度方面,当碳纤维含量较少时,复合材料的硬度提高不多,此时主要是基

体承载负荷;当纤维体积的比例超过一定量时,载荷主要由纤维承担。

3 纤维和树脂的界面性能

复合材料的界面是极为重要的微结构,作为增强材料与基体的连接桥梁和外加载荷从基体向增强材料传递的纽带,界面的组成、性

能、结合方式以及界面结合强度对复合材料的力学性能和破坏行为有重大影响。通过控制界面层结构来调整界面性能以适应不同环

境的需要是纤维增强聚合物基复合材料的研究目之一。

一般而言,无机纤维(如碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、氮化硅纤维)与聚合物基体之间的亲和性都较差,复合时容易在界面上形成空

隙和缺陷,增强相与基体材料之间难以形成有效的粘结。对于聚合物基复合材料,纤维的表面改性就是竭力促使纤维表面发生化学

反应,提高纤维与聚合物基体问的粘合性能,从而最大限度地发挥纤维增强复合材料力学性能的能力。

利用物理和化学2种方法对所用碳纤维和玻璃纤维进行处理,可以有效地改善纤维与树脂的润湿性和界面结合性。'美国CTC的产品

及纤维表面处理前后对比如图2所示。

图2 材料断面的SEM照片

4 拉挤树脂体系在模具内的非稳态温度场

拉挤树脂体系在加热模具中的温度和固化度会严重影响产品的性能。树脂基体在加热模具中发生固化反应并释放热量,固化体系内

不同部分之间及体系与模具之间存在着温度梯度而发生热量传递,体系内化学反应的复杂性也导致温度梯度和热传递的复杂性,这

就决定了整个拉挤工艺过程中的固化体系是个非稳态温度场。

拉挤成型工艺必须选择合适的模内温度,设定合适的预热温度和牵引速度,以获得最佳固化温度和固化时间,将内应变控制在一定

范围内,保证材料性能,宏观上不产生裂纹。

拉挤模具分为3个区:第1区为预热模,一般设定温度较低,主要是为了提高树脂温度,为下一阶段的固化反应做准备,同时模压的

提高也便于温度的向内传播;第2区为加热区,树脂发生固化反应并产生相变,从粘稠态转变成为凝胶态;第3区为恒温区,为固化

好的纤维树脂体系提供一段保温范围,防止温度骤变引起的裂纹。

若预热区温度太高,凝胶点前移,脱离点离模具末端太远,随着牵引力增加,发生局部粘模,拉挤过程中掉沫严重,导致产品表面

粗糙;若温度太低,预热不充分,造成脱模困难,随着牵引力增大,发生堵模,工艺失败。凝胶区若温度太高,加上环氧树脂凝胶

时放出的热量可能导致复合材料裂解而性能降低;若温度太低,凝胶时问长,粘模使牵引力增加,产品表面也不光滑。固化区温度

也应适中,太低固化不完全,太高可能引起产品裂解,均能使产品性能降低。在拉挤过程中,树脂传热速度相对较慢,工艺控制温

度需要进一步修正。

拉挤速度不仅影响生产率和材料性能,而且是拉挤工艺成败的关键参数之一。它须同模具温度协调一致,在拉挤温度一定下,拉挤

速度也有最佳值。

5 拉挤模具

在整个拉挤过程中,拉挤模具是所有工艺因素的交汇点,模具的工况直接影响着产品的性能。因此,分析拉挤工艺与模具的关系,

寻找模具失效的基本原因及采取的对策,是提高整个拉挤工艺水平的关键。

5.1 拉挤模具的工况

在拉挤工艺中,经胶槽浸渍的纤维进入模具时,按照树脂的固化反应历程,习惯上把它分为3个区:预热区、凝胶区和固化反应区

,温度按3个区进行控制。树脂体系在模内的固化反应过程,从液态到固态是一个粘度不断变化的过程,即使了解了树脂的反应行

为,仍然需要在实际工作中根据工艺情况调整3个区的温度。

5.2 拉挤工艺对拉挤模具的基本要求

随着拉挤制品日益得到广泛的应用,对拉挤模具不但要求规格多样化、品种系列化,还要求加工质量越来越高、寿命越来越长。在

拉挤模具性能方面主要有以下要求:耐磨性、力学性能、耐蚀性、镜面加工性、尺寸稳定性、结构合理性。

由于拉挤工艺的特点决定了拉挤模具需要一系列的综合性能,同时还必须考虑到模具制造成本,因此拉挤模具的制造也是比较优化

的结果。

5.3拉挤模具的失效形式

在拉挤过程中,拉挤模具丧失原设计功能的现象称之为失效。对失效的形式及原因进行分析有助于正确选择模具材料,合理制定模

具加工工艺,改进拉挤工艺,改进树脂反应历程,调整纤维状态,并可预测拉挤模具在特定工作条件下的工作寿命。根据实践经验

,模具的主要失效形式有以下3种情况。

(1)磨损。纤维增强树脂基复合材料的树脂基体中含有各种增强材料,如玻璃纤维、碳纤维、有机纤维等是模具磨损的重要原因。

对那些外观质量及尺寸精度要求比较严格的复合材料拉挤制品,由于模具表面粗糙度变化,会造成制品表面缺陷,严重影响尺寸精

度。关于磨损的部位,按拉挤模具加热控制固化的分区情况,在模具的长度方向上,最易磨损的是模具的入口处,其次是预热区。

可以通过调整模具预热区温度,调整树脂在模具内的凝胶点来缓解磨损,适当延长模具寿命。

从模具的结构来说,模具接缝部位比较容易磨损,所以模具设计时,在考虑产品成型工艺及模具加工工艺的情况下,应尽量采用一

体模。延长模具使用寿命是模具制造的关键,综合来说是要合理选材,在经济条件允许情况下,选择耐磨材料,选择镜面加工性好

的钢材提高模具的表面状态;另外,还要进行合理的结构设计,采用渗碳、渗氮工艺,进行电镀抛光。

(2)粘附。在拉挤过程中,树脂的固化一直处于与模具表面粘附与脱粘的矛盾之中,模具的表面粗糙度必须比产品表面质量的要求

要高,模具的粗糙度一般应达到0.025~0.8μm,电镀表面镀层厚度不应小于0.02 mm。除加强模具的表面状态处理之外,在工艺上

控制脱模剂的用量对避免粘附至关重要。在选择合适脱模剂的同时要提出控制指标,脱模剂用量过大会造成制品开裂、分层、起泡

等现象,过少则会产生粘附,优化其用量是拉挤工艺的重要问题之一。

(3)腐蚀。在拉挤过程中,树脂及其配合剂都对拉挤模具产生腐蚀,从延长模具使用寿命的角度出发,在模具选材上就要有所考虑

。对电镀层的厚度、硬度、镀层质量要有严格要求,如果所选材料与电镀层亲和力差,还有可能造成电镀层在内应力作用下的脱镀

现象,这是必须考虑的。

除以上原因会引起拉挤模具失效之外,在拉挤工艺中,影响拉挤模具寿命的因素还很多,如模具长期热疲劳、模具控制温度、模具

长度都对模具寿命有重要影响,需要进一步深入研究探讨。

6 成型过程出现的缺陷及原因

成型过程中出现的典型缺陷及产生的原因如表1所示。

表1 成型过程中出现的缺陷及产生的原因

缺陷

产生原因

粘膜,甚至把制品拉断

纤维及调料量少;内脱模剂效果不好;固化率太低。

白粉,表面光洁度差

脱离点剪应力太大,产生爬行蠕动;脱离点太超前于固化点。

固化不均匀,不稳定或不完全

牵引速度太快;温度波动或太低;制品太厚;固化时间太短。

制品表面不平整,有沟痕

纤维含量低,局部含纱量太少;粘模、模具划伤。

白斑,制品局部发白或露有白纱

浸渍不好;有杂质混入,制品内部形成气泡;表面树脂层太薄。

裂纹,制品表层产生裂纹

固化不均匀

表面起毛

纤维过多;树脂与纤维粘结不良,偶联剂效果差。

表面起皱、破碎

表面树脂层太厚;成型压力小;纤维含量太少。

(张国光编)









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