一種三維編織輸電複合材料橫擔的製作方法

2023-10-10 05:42:04 1

本實用新型涉及三維編織輸電複合材料橫擔，屬於輸電桿配套結構件技術領域。

背景技術：

在電力設施領域，輸電線路用橫擔是輸電桿重要的配套結構件，橫擔的一端與輸電桿主體相連接，另一端掛輸電導線。傳統的橫擔通常採用鐵橫擔和木橫擔，在長期運行中普遍存在質量重、易腐爛、鏽蝕或開裂，耐久性、阻燃性及絕緣性能差，強度底、使用壽命較短，施工運輸和運行維護困難等問題。

新型複合材料材質的杆塔在輸電領域具有優異的綜合性能，例如，強度高、耐腐蝕、重量輕、電絕緣性好等特點，因此，利用複合材料製備的輸電桿塔在歐美國家得到了廣泛的應用。在對強度和電絕緣性要求較高的情況下，複合材料中力學性能和材質均一性特點突出的三維編織複合材料結構得到嘗試性應用，利用三維編織纖維織物結構製備樹脂基複合材料對於此類高性能杆塔的應用尤為重要，可有效節約電力，提高土地利用率，具有廣泛的社會意義和經濟價值。

在工程設計上要求複合材料橫擔滿足較高的電絕緣、耐電痕、耐電弧、耐氣候、阻燃等一系列綜合物理機械性能要求。其中電痕破壞是限制現代電力系統絕緣工作場強的基本因素，由於表面放電將會導致整個絕緣材料表面破壞，因此耐電痕化是高電壓等級線路中考察絕緣材料是否適用的重要指標。除此之外，面對一系列惡劣自然環境，如沿海地區的潮溼、多鹽，沙漠環境的高溫、沙塵暴、強紫外輻射等。因此，在複合材料杆塔的實際使用過程中，尤其對於110KV電壓以上的情況下，複合材料橫擔部件比杆塔其它部位面臨著更大的破壞考驗，因此，如何提高複合材料杆塔關鍵部件的力學性能高、抗紫外老化以及耐氣候性能是目前亟待解決的問題。

技術實現要素：

針對上述現有技術，本實用新型的目的是提供一種三維編織輸電複合材料橫擔及其製備方法。該三維編織輸電複合材料橫擔提高了複合材料杆塔關鍵部件的力學性能及電學特性，抗紫外老化及耐氣候性能也得到了提高。

為實現上述目的，本實用新型採用下述技術方案：

一種三維編織輸電複合材料橫擔，其為管狀結構，由內向外依次為剛性層、耐衝擊層和耐老化層；

三維編織複合材料絕緣端子柱嵌在所述剛性層、耐衝擊層和耐老化層中。

所述剛性層是由主體纖維或由主體纖維和混雜纖維組成的混合纖維與樹脂基體複合成型；

所述耐衝擊層是由高強度纖維、熱塑性纖維中一種或二者的混合纖維與樹脂基體複合成型；

所述耐老化層是由超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維中一種或二者的混合纖維與樹脂基體複合成型。

所述三維編織複合材料絕緣端子柱是由增強纖維與樹脂基體複合成型；

所述主體纖維為高強高模量碳纖維(優選為T300、T700、T800或MJ40)或玻璃纖維(優選為S玻纖或E玻纖)中的任意一種，所述混雜纖維選自陶瓷纖維(優選為碳化矽纖維、氧化鋁纖維或碳化硼纖維)或玄武巖纖維中的任意一種；

所述高強度纖維為高強碳纖維(優選為T300、T700或T800)或玻璃纖維(優選為S玻纖或E玻纖)中的任意一種；熱塑性纖維為超高分子量聚乙烯纖維、聚醯胺纖維、聚丙烯纖維或芳綸纖維中的任意一種；

所述增強纖維為高強度碳纖維(優選為T300、T700或T800)或玻璃纖維(優選為S玻纖或E玻纖)中的任意一種。

優選的，所述剛性層是由主體纖維與混雜纖維按重量比(1-10)：1混合後的混合纖維與樹脂基體複合成型；

所述樹脂基體為高剛性熱固性樹脂，優選為環氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯中的任意一種。所述剛性層中樹脂的含量小於或等於50％，優選為40-50％。

優選的，所述耐衝擊層是由高強度纖維與熱塑性纖維按重量比(1-10)：1混合後的混合纖維與樹脂基體複合成型；

所述樹脂基體為高韌改性的熱固性樹脂，優選為聚氨酯改性的環氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯中的任意一種。所述耐衝擊層中樹脂的含量小於或等於50％，優選為35-50％。

優選的，所述耐老化層是由超高分子量聚乙烯纖維與芳綸纖維按重量比(2-4)：1混合後的混合纖維與樹脂基體複合成型；

所用的樹脂基體為熱塑性聚氨酯樹脂。所述耐老化層中樹脂的含量小於或等於50％，優選為30-50％。

優選的，所述三維編織複合材料絕緣端子柱中，所述樹脂基體為高剛性熱固性樹脂，優選為環氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯中的任意一種。所述三維編織複合材料絕緣端子柱中樹脂的含量小於或等於50％，優選為40-50％。

所述三維編織複合材料絕緣端子柱的數量至少為1對。

所述剛性層、耐衝擊層和耐老化層中與三維編織複合材料絕緣端子柱相接觸的部位，均採用比所在的主體層結構維度方向更多的三維編織結構；所述剛性層、耐衝擊層和耐老化層中與三維編織複合材料絕緣端子柱相接觸的部位均佔所在主體層結構重量比為40-60％。

本實用新型還提供上述三維編織輸電複合材料橫擔的製備方法，步驟如下：

(1)以增強纖維為原料，採用三維編織製備絕緣端子柱預製體織物，將絕緣端子柱預製體織物與樹脂基體浸漬複合，採用真空導入成型，製備得到三維編織複合材料絕緣端子柱；

(2)以主體纖維或由主體纖維和混雜纖維組成的混合纖維為原料經三維編織，得到剛性層預製體織物，將步驟(1)製備的三維編織複合材料絕緣端子柱內嵌入剛性層預製體織物中，採用樹脂真空導入，使剛性層與三維編織複合材料絕緣端子柱形成整體；

(3)在剛性層外表面利用高強度纖維、熱塑性纖維中一種或二者的混合纖維為原料經三維編織，製備耐衝擊層預製體織物，利用高韌改性的熱固性樹脂為基體採用真空導入工藝製備耐衝擊層；

(4)在耐衝擊層的外表面利用超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維中一種或二者的混合纖維為原料經三維編織，製備耐老化層預製體織物，利用熱塑性樹脂為基體採用真空導入工藝製備耐老化層。

步驟(1)中，所用的編織結構為三維四向、三維五向、三維六向、三維七向中的一種或多種組合。

步驟(1)中，真空導入成型的過程中，真空度控制為0.06-0.1MPa，固化溫度為80-120℃，固化時間為1-3h。

步驟(2)中，所用的編織結構為三維四向、三維五向、三維六向、三維七向中的一種或多種組合。

步驟(2)中，剛性層與三維編織複合材料絕緣端子柱相接觸部位的編織結構採用的空間維度高於剛性層主體的織物編織結構。

步驟(3)中，所用的編織結構為三維四向、三維五向、三維六向、三維七向中的一種或多種組合。

步驟(3)中，樹脂基體真空導入的過程中，真空度控制為0.06-0.1MPa，固化溫度為90-115℃，固化時間為1.5-3h。

步驟(3)中，耐衝擊層與三維編織複合材料絕緣端子柱相接觸部位的編織結構採用的空間維度高於耐衝擊層主體的織物編織結構。

步驟(4)中，所用的編織結構為三維四向、三維五向、三維六向、三維七向中的一種或多種組合。

步驟(4)中，耐老化層與三維編織複合材料絕緣端子柱相接觸部位的編織結構採用的空間維度高於耐老化層主體的織物編織結構。

本實用新型的有益效果：

(1)本實用新型的三維編織輸電複合材料橫擔採用由表至裡的「表面耐老化層，中間耐衝擊層，內部剛性層」的三維立體層狀結構，各層結構之間相互配合，是一個有機的整體，通過不同層結構中纖維與樹脂基體的配合作用，可有效提高複合材料橫擔整體的力學性能和耐紫外、耐氣候侵蝕性能。本實用新型在試驗過程中考察了不同的層結構，包括層數選擇和每一層中不同種類纖維的選擇，結果發現，採用本發明的層結構製備的複合材料橫擔，其整體的力學性能、耐紫外和耐氣候侵蝕性能最為優異，明顯優於其他層結構製備的複合材料橫擔。

(2)本實用新型的三維編織輸電複合材料橫擔，其剛性層是以高強高模量碳纖維或玻璃纖維為主體纖維原料，優選混雜陶瓷纖維或玄武巖纖維，並對混雜量和編織方式進行了優化考察，使製備的剛性層的強度較高；三維編織複合材料絕緣端子柱在剛性層的製備過程中嵌入，並與剛性層一體成型，保證三維編織複合材料絕緣端子柱能夠穩固的固定。

(3)本實用新型的三維編織輸電複合材料橫擔，其耐衝擊層優選高強度纖維、熱塑性纖維中一種或二者的混合纖維作為原料，與樹脂基體複合成型，能夠有效的緩衝外界壓力對橫擔造成的損害。

(4)本實用新型的三維編織輸電複合材料橫擔，其耐老化層選擇超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維中一種或二者的混合纖維作為編織原料，並對編織方式、用於固化成型的樹脂種類、成型工藝條件等進行了優化，賦予了三維編織輸電複合材料橫擔具有抗紫外老化以及耐氣候性能。

附圖說明

圖1：本實用新型的三維編織輸電複合材料橫擔的結構示意圖(縱向剖視圖)；

圖中，1-三維編織複合材料絕緣端子柱，2-剛性層，3-耐衝擊層，4-耐老化層，5-三維編織結構區域，6-陶瓷絕緣端子。

具體實施方式

結合實施例對本實用新型作進一步的說明，應該說明的是，下述說明僅是為了解釋本實用新型，並不對其內容進行限定。

實施例1：

一種用於複合材料杆塔的三維編織輸電複合材料橫擔的製備，具體製備工藝如下：

(1)喉箍式三維織物複合材料絕緣端子柱製備：採用高強度T300碳纖維為增強纖維原料，採用三維四向編織結構，選用環氧樹脂作為樹脂基體，採用真空導入工藝成型，成型過程中真空度控制在0.1MPa，固化溫度為80℃，固化時間2小時，最終樹脂含量為40％。

(2)三維編織輸電複合材料橫擔剛性層製備：選用T300碳纖維為主體纖維，碳化矽纖維混雜纖維，其中主體纖維與混雜纖維的用量比(重量比)為3：1，剛性層主體混雜纖維採用三維四向編織結構，剛性層絕緣端子柱部位採用三維五向編織結構，將三維編織複合材料絕緣端子柱嵌入到剛性層中，採用環氧樹脂為樹脂基體，採用真空導入成型工藝完成樹脂與纖維三維織物的浸漬複合，複合成型過程中真空度控制在0.06MPa，固化溫度90℃，固化時間2小時，最終樹脂基體的含量為45％。

(3)三維編織輸電複合材料橫擔耐衝擊層的製備：在剛性層的外表面製備耐衝擊層，採用T300碳纖維為增強纖維原料，採用高分子量聚乙烯纖維作為熱塑性纖維原料，其中高強度增強纖維與熱塑性纖維的混雜比例為2：1；高強度纖維與熱塑性纖維混雜耐衝擊層織物預製體主體採用三維五向編織結構，耐衝擊層混雜纖維預製體絕緣端子柱部位採用三維六向編織結構；選用聚氨酯改性的環氧樹脂為樹脂基體，採用真空導入工藝成型，成型過程中真空度控制在0.08MPa，固化溫度為93℃，固化時間為2小時，最終樹脂含量為40％。

(4)三維編織輸電複合材料橫擔耐老化層的製備：在耐衝擊層的外表面製備耐老化層，採用高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維作為高韌性纖維原料，二者的混雜比例為4：1，耐老化層織物預製體主體採用三維六向編織結構，耐老化層纖維預製體絕緣端子柱部位採用三維七向編織結構，選用熱塑性聚氨酯為基體樹脂，採用真空導入工藝成型，成型過程中真空度為0.07MPa，最終樹脂含量42％。

本實施例製備的三維編織輸電複合材料橫擔為管狀結構，其縱向剖視圖如圖1所示，由圖1可以看出，三維編織輸電複合材料橫擔由內向外依次為剛性層2、耐衝擊層3和耐老化層4；三維編織複合材料絕緣端子柱嵌1在所述剛性層2、耐衝擊層3和耐老化層4中。剛性層2、耐衝擊層3和耐老化層4中與三維編織複合材料絕緣端子柱1相接觸的部位，均採用比所在的主體層結構維度方向更多的三維編織結構區域5。三維編織複合材料絕緣端子柱1可安裝陶瓷絕緣端子6。

實施例2：

一種用於複合材料杆塔的三維編織輸電複合材料橫擔的製備，具體製備工藝如下：

(1)喉箍式三維織物複合材料絕緣端子柱製備：採用高強度T700碳纖維為增強纖維原料，採用三維五向編織結構，選用酚醛樹脂作為樹脂基體，採用真空導入工藝成型，成型過程中真空度控制在0.1MPa，固化溫度為110℃，固化時間3小時，最終樹脂含量為48％。

(2)三維編織輸電複合材料橫擔剛性層製備：選用S玻纖為剛性層增強纖維原料，剛性層主體增強纖維採用三維四向編織結構，剛性層絕緣端子柱部位採用三維五向編織結構，將三維編織複合材料絕緣端子柱嵌入到剛性層中，採用不飽和聚酯為樹脂基體，採用真空導入成型工藝完成樹脂與纖維三維織物的浸漬複合，複合成型過程中真空度控制在0.1MPa，固化溫度為100℃，固化時間2小時，最終樹脂基體的含量為40％。

(3)三維編織輸電複合材料橫擔耐衝擊層的製備：在剛性層的外表面製備耐衝擊層，採用T800碳纖維為增強纖維原料，採用聚醯胺纖維作為熱塑性纖維原料，其中高強度增強纖維與熱塑性纖維的混雜比例為5：1；高強度纖維與熱塑性纖維混雜耐衝擊層織物預製體主體採用三維五向編織結構，耐衝擊層混雜纖維預製體絕緣端子柱部位採用三維六向編織結構；選用聚氨酯改性的環氧樹脂為樹脂基體，採用真空導入工藝成型，成型過程中真空度控制在0.09MPa，固化溫度為108℃，固化時間1.5小時，最終樹脂含量為40％。

(4)三維編織輸電複合材料橫擔耐老化層的製備：在耐衝擊層的外表面製備耐老化層，採用高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維作為高韌性纖維原料，二者的混雜比例為2：1，耐老化層織物預製體主體採用三維四向編織結構，耐老化層纖維預製體絕緣端子柱部位採用三維五向編織結構，選用熱塑性聚氨酯為基體樹脂，採用真空導入工藝成型，成型過程中真空度控制在0.1MPa，最終樹脂含量為30％。

實施例3：

一種用於複合材料杆塔的三維編織輸電複合材料橫擔的製備，具體製備工藝如下：

(1)喉箍式三維織物複合材料絕緣端子柱製備。採用E玻璃纖維為增強纖維原料，採用三維六向編織結構，選用不飽和聚酯作為樹脂基體，採用真空導入工藝成型，成型過程中真空度控制在0.1MPa，固化溫度為104℃，固化時間1小時，最終樹脂含量為40％。

(2)三維編織輸電複合材料橫擔剛性層製備。選用T800碳纖維為主體纖維，氧化鋁纖維為混雜纖維，其中主體纖維與混雜纖維的用量比(重量比)為2：1，剛性層主體混雜纖維採用三維五向編織結構，剛性層絕緣端子柱部位採用三維六向編織結構，將三維編織複合材料絕緣端子柱嵌入到剛性層中，採用環氧樹脂為樹脂基體，採用真空導入成型工藝完成樹脂與纖維三維織物的浸漬複合，複合成型過程中真空度控制在0.1MPa，固化溫度為110℃，固化時間3小時，最終樹脂基體含量47％。

(3)三維編織輸電複合材料橫擔耐衝擊層的製備：在剛性層的外表面製備耐衝擊層，採用T300碳纖維為增強纖維原料，採用芳綸纖維作為熱塑性纖維原料，其中高強度增強纖維與熱塑性纖維的混雜比例為5：1；高強度纖維與熱塑性纖維混雜耐衝擊層織物預製體主體採用三維六向編織結構，耐衝擊層混雜纖維預製體絕緣端子柱部位採用三維七向編織結構；選用聚氨酯改性的環氧樹脂為樹脂基體，採用真空導入工藝成型，成型過程中真空度控制在0.1MPa，固化溫度為90℃，固化時間3小時，最終樹脂含量為43％。

(4)三維編織輸電複合材料橫擔耐老化層的製備：在耐衝擊層的外表面製備耐老化層，採用高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維作為高韌性纖維原料，二者的混雜比例為3：1，耐老化層織物預製體主體採用三維四向編織結構，耐老化層纖維預製體絕緣端子柱部位採用三維五向編織結構，選用熱塑性聚氨酯為基體樹脂，採用真空導入工藝成型，成型過程中真空度控制在0.08MPa，最終樹脂含量為46％。

實施例4：

一種用於複合材料杆塔的三維編織輸電複合材料橫擔的製備，具體製備工藝如下：

(1)喉箍式三維織物複合材料絕緣端子柱製備：採用高強度T800碳纖維為增強纖維原料，採用三維六向編織結構，選用環氧樹脂作為樹脂基體，採用真空導入工藝成型，成型過程中真空度控制在0.1MPa，固化溫度為116℃，固化時間1小時，最終樹脂含量為44％。

(2)三維編織輸電複合材料橫擔剛性層製備：選用E玻纖為主體纖維，玄武巖纖維為混雜纖維，其中主體纖維與混雜纖維的用量比(重量比)為2：1，剛性層主體混雜纖維採用三維四向編織結構，剛性層絕緣端子柱部位採用三維六向編織結構，將三維編織複合材料絕緣端子柱嵌入到剛性層中，採用環氧樹脂為樹脂基體，採用真空導入成型工藝完成樹脂與纖維三維織物的浸漬複合，複合成型過程中真空度控制在0.08MPa，固化溫度為108℃，固化時間為2小時，最終樹脂基體的含量為46％。

(3)三維編織輸電複合材料橫擔耐衝擊層的製備：在剛性層的外表面製備耐衝擊層，採用T300碳纖維為增強纖維原料，採用聚丙烯纖維作為熱塑性纖維原料，其中高強度增強纖維與熱塑性纖維的混雜比例為7：1；高強度纖維與熱塑性纖維混雜耐衝擊層織物預製體主體採用三維五向編織結構，耐衝擊層混雜纖維預製體絕緣端子柱部位採用三維六向編織結構；選用聚氨酯改性的環氧樹脂為樹脂基體，採用真空導入工藝成型，成型過程中真空度控制在0.07MPa，固化溫度為113℃，固化時間3小時，最終樹脂含量為39％。

(4)三維編織輸電複合材料橫擔耐老化層的製備：在耐衝擊層的外表面製備耐老化層，採用高分子量聚乙烯纖維作為高韌性纖維原料，耐老化層織物預製體主體採用三維五向編織結構，耐老化層纖維預製體絕緣端子柱部位採用三維七向編織結構，選用熱塑性聚氨酯為基體樹脂，採用真空導入工藝成型，成型過程中真空度控制在0.06MPa，最終樹脂含量為42％。

經試驗驗證，本實用新型製備的三維編織輸電複合材料橫擔與現有的鐵橫擔和木橫擔相比，其力學性能、電學特性、抗紫外老化及耐氣候性能都得到了極大的改善，完全適用於複合材料杆塔的實際使用，尤其適用於110KV電壓以上的使用環境。