王秋玲，何州文，張 卓，徐 麗，陳 新

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市，102401)

0 引言

新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線是近年來(lái)輸變電工程領(lǐng)域出現(xiàn)的一種可替代傳統(tǒng)鋼芯導(dǎo)線的全新產(chǎn)品，具有導(dǎo)電率高、載流量大、比重小、抗拉強(qiáng)度大、線膨脹系數(shù)小、耐熱性好、耐老化性能好等優(yōu)點(diǎn)[1-5]。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線可以有效地提高輸電線路的輸送容量、輸電網(wǎng)的安全可靠性，并降低架空輸配電工程總成本，對(duì)實(shí)現(xiàn)輸變電領(lǐng)域節(jié)能、安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性的更高要求具有非常重要的意義。目前，工程應(yīng)用的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線主要是進(jìn)口產(chǎn)品，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的國(guó)產(chǎn)化是非常必要且緊迫的。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的創(chuàng)新之處在于用碳纖維復(fù)合材料替代傳統(tǒng)鋼芯材料，因此，碳纖維復(fù)合芯的研制成型是復(fù)合芯導(dǎo)線研究的核心技術(shù)，成型技術(shù)的優(yōu)劣將直接影響復(fù)合芯的性能，從而在很大程度上決定整個(gè)導(dǎo)線的性能。

本文主要研究碳纖維復(fù)合芯成型工藝及其影響因素，掌握碳纖維復(fù)合芯成型的工藝條件，包括影響工藝的因素和工藝參數(shù)的設(shè)定，為碳纖維復(fù)合芯的國(guó)產(chǎn)化提供必要的參考。

1 制備工藝

碳纖維復(fù)合芯的制備采用拉擠成型工藝。拉擠復(fù)合材料制品具有許多優(yōu)點(diǎn)，如機(jī)械性能好、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定、導(dǎo)熱率低、絕緣性能好、耐老化等，是目前復(fù)合材料生產(chǎn)中自動(dòng)化程度較高的連續(xù)成型工藝。拉擠工藝重要的工藝參數(shù)包括溫度、壓力、拉擠速度、牽引力和樹(shù)脂固化反應(yīng)等。拉擠工藝的工作流程是在牽引機(jī)的拉力下，連續(xù)的碳纖維材料在樹(shù)脂基體中浸漬，預(yù)成型后通過(guò)模具，模具加熱，熱量傳遞至液態(tài)的碳纖維和樹(shù)脂體系，交聯(lián)反應(yīng)開(kāi)始發(fā)生，樹(shù)脂從復(fù)合材料的周邊向中心固化。由于交聯(lián)，樹(shù)脂體積收縮，使得復(fù)合材料與模具分開(kāi)，熱的固體復(fù)合材料從模具中出來(lái)，經(jīng)過(guò)后固化、冷卻等流程，最終由收線機(jī)進(jìn)行復(fù)合芯的收卷。拉擠工藝流程如圖1所示。

圖1 拉擠工藝流程圖Fig.1 Pultrusion process flow

在碳纖維復(fù)合芯的成型工藝研究中，必須對(duì)影響拉擠工藝過(guò)程及最終材料質(zhì)量的各項(xiàng)控制影響因素進(jìn)行分析調(diào)整。

2 纖維體積含量對(duì)復(fù)合芯性能的影響

碳纖維復(fù)合芯內(nèi)層是由碳纖維、樹(shù)脂基體及其他輔助材料等按一定比例及工藝條件組成的有機(jī)結(jié)構(gòu)體。其中，碳纖維和樹(shù)脂基體的相對(duì)比例，即碳纖維在復(fù)合材料中的含量是確定碳纖維復(fù)合芯某些物理和機(jī)械性能的重要因素。只有2組分本身性能優(yōu)良，同時(shí)2組分之間達(dá)到最佳配比及結(jié)合狀態(tài)時(shí)，才能使復(fù)合材料具有優(yōu)良的性能。

資料顯示，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量隨碳纖維含量的增加而增加。碳纖維在基體中分布均勻，纖維同基體有良好的粘結(jié)性，碳纖維的高強(qiáng)度和高模量才會(huì)在復(fù)合材料中發(fā)揮作用。在熱變形方面，纖維增強(qiáng)材料有一個(gè)共同特點(diǎn)，即少量的纖維可使復(fù)合材料的熱變形溫度很快接近基體的熔點(diǎn)。在材料硬度方面，當(dāng)碳纖維含量較少時(shí)，復(fù)合材料的硬度提高不多，此時(shí)主要是基體承載負(fù)荷；當(dāng)纖維體積的比例超過(guò)一定量時(shí)，載荷主要由纖維承擔(dān)。

3 纖維和樹(shù)脂的界面性能

復(fù)合材料的界面是極為重要的微結(jié)構(gòu)，作為增強(qiáng)材料與基體的連接橋梁和外加載荷從基體向增強(qiáng)材料傳遞的紐帶，界面的組成、性能、結(jié)合方式以及界面結(jié)合強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能和破壞行為有重大影響。通過(guò)控制界面層結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整界面性能以適應(yīng)不同環(huán)境的需要是纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的研究目之一。

一般而言，無(wú)機(jī)纖維（如碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、氮化硅纖維）與聚合物基體之間的親和性都較差，復(fù)合時(shí)容易在界面上形成空隙和缺陷，增強(qiáng)相與基體材料之間難以形成有效的粘結(jié)。對(duì)于聚合物基復(fù)合材料，纖維的表面改性就是竭力促使纖維表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高纖維與聚合物基體間的粘合性能，從而最大限度地發(fā)揮纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的能力。

利用物理和化學(xué)2種方法對(duì)所用碳纖維和玻璃纖維進(jìn)行處理，可以有效地改善纖維與樹(shù)脂的潤(rùn)濕性和界面結(jié)合性。美國(guó)CTC的產(chǎn)品及纖維表面處理前后對(duì)比如圖2所示。

4 拉擠樹(shù)脂體系在模具內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)

拉擠樹(shù)脂體系在加熱模具中的溫度和固化度會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的性能。樹(shù)脂基體在加熱模具中發(fā)生固化反應(yīng)并釋放熱量，固化體系內(nèi)不同部分之間及體系與模具之間存在著溫度梯度而發(fā)生熱量傳遞，體系內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性也導(dǎo)致溫度梯度和熱傳遞的復(fù)雜性，這就決定了整個(gè)拉擠工藝過(guò)程中的固化體系是個(gè)非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。

拉擠成型工藝必須選擇合適的模內(nèi)溫度，設(shè)定合適的預(yù)熱溫度和牽引速度，以獲得最佳固化溫度和固化時(shí)間，將內(nèi)應(yīng)變控制在一定范圍內(nèi)，保證材料性能，宏觀上不產(chǎn)生裂紋。

拉擠模具分為3個(gè)區(qū)：第1區(qū)為預(yù)熱模，一般設(shè)定溫度較低，主要是為了提高樹(shù)脂溫度，為下一階段的固化反應(yīng)做準(zhǔn)備，同時(shí)模壓的提高也便于溫度的向內(nèi)傳播；第2區(qū)為加熱區(qū)，樹(shù)脂發(fā)生固化反應(yīng)并產(chǎn)生相變，從粘稠態(tài)轉(zhuǎn)變成為凝膠態(tài)；第3區(qū)為恒溫區(qū)，為固化好的纖維樹(shù)脂體系提供一段保溫范圍，防止溫度驟變引起的裂紋。

若預(yù)熱區(qū)溫度太高，凝膠點(diǎn)前移，脫離點(diǎn)離模具末端太遠(yuǎn)，隨著牽引力增加，發(fā)生局部粘模，拉擠過(guò)程中掉沫嚴(yán)重，導(dǎo)致產(chǎn)品表面粗糙；若溫度太低，預(yù)熱不充分，造成脫模困難，隨著牽引力增大，發(fā)生堵模，工藝失敗。凝膠區(qū)若溫度太高，加上環(huán)氧樹(shù)脂凝膠時(shí)放出的熱量可能導(dǎo)致復(fù)合材料裂解而性能降低；若溫度太低，凝膠時(shí)間長(zhǎng)，粘模使?fàn)恳υ黾?，產(chǎn)品表面也不光滑。固化區(qū)溫度也應(yīng)適中，太低固化不完全，太高可能引起產(chǎn)品裂解，均能使產(chǎn)品性能降低。在拉擠過(guò)程中，樹(shù)脂傳熱速度相對(duì)較慢，工藝控制溫度需要進(jìn)一步修正。

拉擠速度不僅影響生產(chǎn)率和材料性能，而且是拉擠工藝成敗的關(guān)鍵參數(shù)之一。它須同模具溫度協(xié)調(diào)一致，在拉擠溫度一定下，拉擠速度也有最佳值。

5 拉擠模具

在整個(gè)拉擠過(guò)程中，拉擠模具是所有工藝因素的交匯點(diǎn)，模具的工況直接影響著產(chǎn)品的性能。因此，分析拉擠工藝與模具的關(guān)系，尋找模具失效的基本原因及采取的對(duì)策，是提高整個(gè)拉擠工藝水平的關(guān)鍵。

5.1 拉擠模具的工況

在拉擠工藝中，經(jīng)膠槽浸漬的纖維進(jìn)入模具時(shí)，按照樹(shù)脂的固化反應(yīng)歷程，習(xí)慣上把它分為3個(gè)區(qū)：預(yù)熱區(qū)、凝膠區(qū)和固化反應(yīng)區(qū)，溫度按3個(gè)區(qū)進(jìn)行控制。樹(shù)脂體系在模內(nèi)的固化反應(yīng)過(guò)程，從液態(tài)到固態(tài)是一個(gè)粘度不斷變化的過(guò)程，即使了解了樹(shù)脂的反應(yīng)行為，仍然需要在實(shí)際工作中根據(jù)工藝情況調(diào)整3個(gè)區(qū)的溫度。

5.2 拉擠工藝對(duì)拉擠模具的基本要求

隨著拉擠制品日益得到廣泛的應(yīng)用，對(duì)拉擠模具不但要求規(guī)格多樣化、品種系列化，還要求加工質(zhì)量越來(lái)越高、壽命越來(lái)越長(zhǎng)。在拉擠模具性能方面主要有以下要求：耐磨性、力學(xué)性能、耐蝕性、鏡面加工性、尺寸穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)合理性。

由于拉擠工藝的特點(diǎn)決定了拉擠模具需要一系列的綜合性能，同時(shí)還必須考慮到模具制造成本，因此拉擠模具的制造也是比較優(yōu)化的結(jié)果。

5.3 拉擠模具的失效形式

在拉擠過(guò)程中，拉擠模具喪失原設(shè)計(jì)功能的現(xiàn)象稱之為失效。對(duì)失效的形式及原因進(jìn)行分析有助于正確選擇模具材料，合理制定模具加工工藝，改進(jìn)拉擠工藝，改進(jìn)樹(shù)脂反應(yīng)歷程，調(diào)整纖維狀態(tài)，并可預(yù)測(cè)拉擠模具在特定工作條件下的工作壽命。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，模具的主要失效形式有以下3種情況。

（1）磨損。纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的樹(shù)脂基體中含有各種增強(qiáng)材料，如玻璃纖維、碳纖維、有機(jī)纖維等是模具磨損的重要原因。對(duì)那些外觀質(zhì)量及尺寸精度要求比較嚴(yán)格的復(fù)合材料拉擠制品，由于模具表面粗糙度變化，會(huì)造成制品表面缺陷，嚴(yán)重影響尺寸精度。關(guān)于磨損的部位，按拉擠模具加熱控制固化的分區(qū)情況，在模具的長(zhǎng)度方向上，最易磨損的是模具的入口處，其次是預(yù)熱區(qū)?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整模具預(yù)熱區(qū)溫度，調(diào)整樹(shù)脂在模具內(nèi)的凝膠點(diǎn)來(lái)緩解磨損，適當(dāng)延長(zhǎng)模具壽命。

從模具的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，模具接縫部位比較容易磨損，所以模具設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮產(chǎn)品成型工藝及模具加工工藝的情況下，應(yīng)盡量采用一體模。延長(zhǎng)模具使用壽命是模具制造的關(guān)鍵，綜合來(lái)說(shuō)是要合理選材，在經(jīng)濟(jì)條件允許情況下，選擇耐磨材料，選擇鏡面加工性好的鋼材提高模具的表面狀態(tài)；另外，還要進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用滲碳、滲氮工藝，進(jìn)行電鍍拋光。

（2）粘附。在拉擠過(guò)程中，樹(shù)脂的固化一直處于與模具表面粘附與脫粘的矛盾之中，模具的表面粗糙度必須比產(chǎn)品表面質(zhì)量的要求要高，模具的粗糙度一般應(yīng)達(dá)到0.025～0.8μm，電鍍表面鍍層厚度不應(yīng)小于0.02mm。除加強(qiáng)模具的表面狀態(tài)處理之外，在工藝上控制脫模劑的用量對(duì)避免粘附至關(guān)重要。在選擇合適脫模劑的同時(shí)要提出控制指標(biāo)，脫模劑用量過(guò)大會(huì)造成制品開(kāi)裂、分層、起泡等現(xiàn)象，過(guò)少則會(huì)產(chǎn)生粘附，優(yōu)化其用量是拉擠工藝的重要問(wèn)題之一。

（3）腐蝕。在拉擠過(guò)程中，樹(shù)脂及其配合劑都對(duì)拉擠模具產(chǎn)生腐蝕，從延長(zhǎng)模具使用壽命的角度出發(fā)，在模具選材上就要有所考慮。對(duì)電鍍層的厚度、硬度、鍍層質(zhì)量要有嚴(yán)格要求，如果所選材料與電鍍層親和力差，還有可能造成電鍍層在內(nèi)應(yīng)力作用下的脫鍍現(xiàn)象，這是必須考慮的。

除以上原因會(huì)引起拉擠模具失效之外，在拉擠工藝中，影響拉擠模具壽命的因素還很多，如模具長(zhǎng)期熱疲勞、模具控制溫度、模具長(zhǎng)度都對(duì)模具壽命有重要影響，需要進(jìn)一步深入研究探討。

6 成型過(guò)程出現(xiàn)的缺陷及原因

成型過(guò)程中出現(xiàn)的典型缺陷及產(chǎn)生的原因如表1所示。

表1 成型過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷及產(chǎn)生的原因Tab.1 Defectsoccurring during forming and causes

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