复合材料电缆芯拉挤成型工艺及性能研究

摘 要：围绕复合材料电缆芯拉挤成型工艺 ， 根据复合材料 电缆芯的力学性能要求和环境使用要求 ， 同时 ， 考虑拉挤工艺对基体树脂工艺性的要求选择和确定基体树脂及引发剂体系 ， 在此基础上进行基体树脂配方设计。采用不同工艺参数 ， 分别对不同配方的耐高温环氧树脂进行拉挤成型 ，通过对工艺参数的优化 ， 解决上述关键问题。

关键词：电缆;复合材料;性能分析;材料

社会经济的发展和环保要求对架空输电导线提出了更高的要求，其发展方向就是向着提高导线耐热性和线路传输容量的趋势发展，就是向着降低线损耗和驰度、提高防腐性和强度的趋势发展。20世纪90年代，人们尝试用有机复合材料代替金属材料来制作导线的芯材，并已开发出几种复合材料合成芯导线。这种新型导线充分发挥了有机复合材料的特长，与钢芯导线相比，新型复合芯导线重量更轻，强度更大，热膨胀系数更小，弹性系数更高，导电性能更好，且耐腐蚀、线损低一。复合材料电缆芯的制作是通过复合材料拉挤成型工艺，采用基体为耐高温的环氧树脂，中心增强体为碳纤维、外层增强体为玻璃纤维。整个成型工艺中存在一些难题，并且是对产品性能有直接影响。因此，对这个领域的研究己经受到科研工作者们越来越多的重视。拉挤成型工艺是纤维增强热固性复合材料的成型方法之一。可用于生产截形状不变， 长度不受限制的型材或其他材料制品。拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续纤维经加热模拉出 ， 然后再通过加热室使树脂进一步固化而制备具有单向高强度连续增强复合材料型材的成型工艺。根据所用设备的结构形式可分为卧式和立式两大类。卧式拉挤机结构比较简单，操作方便。

一、耐高温环氧树脂拉挤成型工艺

拉挤工艺是一种复合材料连续成型方法。连续纤维粗纱和织物浸渍基体树脂，经过预成型系统，被加热到给定温度的成型模具通常称之为拉挤模具内，基体树脂从模具壁上吸热温度升高，当温度达到一定程度，树脂发生固化反应，形成固体复合材料，从模具内连续拉出，即制造出复合材料拉挤制品。

目前，制约拉挤技术发展的关键因素之一在于拉挤模具。在整个拉挤过程中，拉挤模具是所有工艺因素的交汇点，经拉挤模具动态成型的各种制品成败的关键就在于模内的反应历程，模具的工况直接影响着产品的性能。拉挤模具是拉挤工艺的重要组成部分，是拉挤工艺的核心，素有拉挤“黑匣子”之称，要搞好拉挤工艺就必须搞好拉挤模具，提高模具的制造水平，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，并采取相应的对策，是提高整个拉挤工艺水平的关键。

在拉挤工艺参数研究中，牵引力占有重要的位置，被称为“拉挤的脉搏”，它是反应拉挤工藝状态的一个重要的指标和信号。许多拉挤故障及早期症状是牵引力的突然变化。比如当粗纱在模具口处堆积并在模腔内打结被拉断、树脂固化不稳定导致模具内粘附力增加、部分产品粘在模具上发生粘模和产品表面起鳞掉渣时，牵引力会突然上升。当模具中材料断裂后和拉挤速度下降时，牵引力荷载会下降。

拉挤工艺过程中，环氧树脂受热膨胀，在模具内部产生压力，在凝胶时材料紧附于模具表面，此时，若内部压力足够，在体积收缩后可使表面光滑，若内部压力不足，则产生表面不光滑且较易发生碎落，通过调整玻纤及填料的含量可使模内压力控制到最佳值。

在拉挤工艺过程中，玻璃纤维浸渍胶液后通过加热的金属模具，物料被牵引前进，树脂进行固化反应，整个过程十分复杂。尤其在环氧树脂拉挤工艺中，由于环氧树脂的强粘结性和低收缩性，带来离模的更加困难。所以必须配有专用、优良的内脱模剂，才能实现拉挤工艺的自动化连续生产

二、复合材料芯性能测试

动态热机械分析技术DMA，是在程序控制温度下，测量物质在振动负荷下的动态模量或学损耗与温度关系的技术。DMA是测定高分子材料的各种转变，评价材料的热性、耐寒性、相容性、减震阻尼及加工工艺性能的一种简便的方法，并为研究高分子的聚集态结构提供信息。由于高分子的玻璃化转变、结晶、取向、交联、相分离等机构变化都与分子运动状态的变化密切相关，而分子运动的变化又能在动态力学性能上灵敏的反映。因此，动态力学分析是研究高分子结构变化一分子运动一性能的一种有效手段。

使用美国TA公司DMAQ800型动态热机械分析仪，用单悬梁夹板来测量由35℃至300℃的玻璃纤维增强复合材料芯的储能模量、损耗模量E'，将复合材料芯加工成35mm×10mm×4mm的矩形，样品横向相对于玻璃纤维加压，振幅是1微米，应力加载频率1Hz，升温速率选定10℃/min，应力为2MPa。

过对拉挤复合材料制品进行了静态机械性能和动态机械性能的测试比较，对几种树脂体系经过不用工艺参数制造的拉挤制品的性能有了比较直观的认识，并且通过数据分析比较，进一步证实树脂体系不仅在树脂性能上优于其他树脂体系，在工艺性能上也优于其他树脂体系，在最后的性能测试上也得到了符合拉挤电缆芯棒的性能指标。通过整个研究，认为树脂体系是适合复合材料电缆芯拉挤工艺的树脂，其性能要高于其他树脂，但为了能更好的发挥其性能，还有待进一步的对其固化性能和工艺性能进行研究和探讨，最终获得性能优异的复合材料电缆芯制品。

三、结语

在变温扫描试验中发现，升高温度有利于加快树脂固化反应，且随着升温速率提高固化程度加深，但温度不能过高，过高时会对模具造成损伤，也会对树脂材料的质量造成影响，材料表面易出现裂痕。等温扫描试验中发现，升高温度提高固化速度可以允许在拉挤工艺中提高牵拉速度、提高生产效率，但该温度有极限值，当温度超过此极限值后对树脂体系反应速率的影响不再明显加入促进剂也可以加快反应速率，但对固化反应程度没有影响。

在拉挤成型试验中使用了三种树脂及其不同配比体系与两种玻纤纱分别生产出不同原料的复合材料。试验中对产品性能产生影响的因素主要有三区温度、模具光洁度、牵拉频率、玻纤纱预加张力、树脂粘度、树脂中气泡含量、是否加入内脱模剂、是否加入促进剂、添加填料、浸胶槽温度等等。试验中出现的主要问题是产品表面鳞裂粉尘问题。产生该问题的原因有很多，当白粉问题严重时可能是由于试验开始时固含量不够，造成树脂粘模，其与未完全固化的树脂进行摩擦产生粉末。可以采用两种方法进行改进，一是让玻纤与树脂在模具内停顿秒左右再进行牵拉，让新带入的树脂与模具上粘附树脂固化在一起并同时带出模具二是提高模具温度，使树脂在到达粘模处之前己完全固化，将模具上粘附树脂挤出。

参考文献

[1] 徐乐平，牛海清，陈泽铭， 等.基于高压电缆载流量的同相多根并联电缆布置方式研究与相序优化[J].南方电网技术，2019，13（10）：54-61.

[2] 胡超强，黄应敏，邹科敏， 等.智能电缆故障系统定位技术及电网新材料应用的研究[J].粘接，2019，40（11）：174-177.

[3] 高科，闫静，李伟.圆形非等芯电缆成束直径计算[J].机械制造与自动化，2019，48（6）：43-46.

[4] 潘江江，姜爽，李海伟.航天器电线电缆寿命预测模型研究[J].宇航计测技术，2019，39（6）：14-18，6.

作者简介：智鹏飞（1992-），男，汉族，山东省青岛人，助理工程师，硕士，从事材料制造研发及防腐。