一种轻型金属基复合材料电缆芯及制备方法

摘要

一种轻型金属基复合材料电缆芯，其特征在于该电缆芯由镁合金基体和连续碳纤维组成，连续碳纤维是以聚丙烯腈为原料的强度为5000～5500MPa的连续碳纤维，碳纤维均匀平行分布在镁合金基体中，碳纤维在电缆芯中所占的体积分数为10～70%，镁合金基体的组成元素的质量百分比为：5%＜Al≤9%、0.5%＜Zn≤2.5%、0.1%＜Pr≤1%、0.3%＜Zr≤0.9%、0.03%＜Nd≤0.09%、0.03%≤Y≤0.06%、其余为镁。本发明该镁粒高分子复合材料的制备方法，工艺简单，无环境污染，生产成本低。由该方法制得的镁合金复合材料丝，具有足够高的力学性能，可作为电缆芯用于增强导电裸铝绞线。

权利要求

1.一种轻型金属基复合材料电缆芯，其特征在于该电缆芯由镁合金基体和 连续碳纤维组成，连续碳纤维是以聚丙烯腈为原料的强度为5000～ 5500MPa的连续碳纤维，碳纤维均匀平行分布在镁合金基体中，碳纤维 在电缆芯中所占的体积分数为10～70％，镁合金基体的组成元素的质量 百分比为：5％＜Al≤9％、0.5％＜Zn≤2.5％、0.1％＜Pr≤1％、0.3％＜ Zr≤0.9％、0.03％＜Nd≤0.09％、0.03％≤Y≤0.06％、其余为镁。

2.一种权利要求1所述轻型金属基复合材料电缆芯的制备方法，其特征在 于制备步骤为：将去胶后的连续碳纤维束浸入质量浓度为1～2％的 K2ZrF6水溶液中保持1～2分钟，取出的连续碳纤维束干燥后浸入质量百 分比为5％＜Al≤9％、0.5％＜Zn≤2.5％、0.1％＜Pr≤1％、0.3％＜Zr≤0.9 ％、0.03％＜Nd≤0.09％、0.03％≤Y≤0.06％、其余为镁的合金液中进行浸 渗处理，处理过程中用SO2或SF6气氛保护，连续碳纤维束在合金液中 的停留时间为1～2分钟，合金液的温度为700～750℃，带有合金液的连 续碳纤维束从插入合金液液面下的Al2O3成丝模具孔出来形成碳纤维增强 的镁合金复合材料丝。

3.根据权利要求2所述的轻型金属基复合材料电缆芯的制备方法，其特征 在于所述成丝模具为氧化铝陶瓷模具，氧化铝陶瓷模具的通孔直径为1～ 5mm，氧化铝陶瓷模具通孔的一端即连续碳纤维束进口端插入合金液液 面下10～50mm，氧化铝陶瓷模具通孔的另一端即连续碳纤维束出口端离 开合金液液面上100～200mm。

说明书

一、技术领域

本发明属复合材料技术领域，特别涉及一种轻型金属基复合材料电缆芯及其 制备方法，具体涉及一种连续碳纤维增强镁合金复合材料电缆芯及其制备方法。

二、背景技术

现有技术：钢丝增强铝绞线是一种常见的高架裸电线电缆，它由钢丝和导电 铝丝两个重要部分组成。钢丝的作用是承担整个电缆的悬空载荷。铝丝起导电作 用。钢丝的优点是具有强的承载能力，但缺点是自身的重量大，钢芯的热膨胀系 数大。如果再考虑电线附有冰雪或承受强风作用，对带有沉重电线电缆的悬空支 架有很高的要求。要求悬空支架不仅强，而且刚度要好，并且悬空支架的高度足 够高。这给电力输送带来了极大的成本负担。减轻高架裸电线电缆的重量是解决 问题的途径之一。CN1898085A提出一种铝导体复合材料芯增强电缆及其制备方 法。该复合材料芯由内芯和外芯构成，内芯为碳纤维增强聚合物，外芯为玻璃纤 维增强环氧树脂。在复合材料芯的外部为金属导体。这种复合材料芯的优点是重 量大大降低，但缺点是以高分子聚合物为基体、碳纤维为增强物，输电线路的任 何异常的过热或环境引起的老化变质，会造成整个线路灾难性破坏。

三、发明内容

技术问题：本发明针对上述技术缺陷，提供一种连续碳纤维增强的镁合金复 合材料丝及其制备方法。该连续碳纤维增强的镁合金复合材料丝的制备方法，工 艺简单，组织稳定，无环境污染，生产成本低。由该方法制得的镁合金复合材料 丝，具有足够高的力学性能。

技术方案：本发明的技术解决方案为形成一种连续碳纤维增强的镁合金复合 材料丝，该复合材料丝由镁合金基体和连续碳纤维组成，碳纤维为高强度聚丙烯 腈连续碳纤维，高强度碳纤维的强度为5000～5500MPa，碳纤维均匀平行分布 在镁合金基体中，碳纤维在复合材料中所占的体积分数为10～70％，镁合金基体 的组成元素的质量百分比为：5％＜Al≤9％、0.5％＜Zn≤2.5％、0.1％＜Pr≤1％、 0.3％＜Zr≤0.9％、0.03％＜Nd≤0.09％、0.03％≤Y≤0.06％、其余为镁。将去胶后 的连续碳纤维束浸入质量浓度为1～2％的K2ZrF6水溶液中保持1～2分钟，取出 的纤维束干燥后浸入组成元素的质量百分比为5％＜Al≤9％、0.5％＜Zn≤2.5％、 0.1％＜Pr≤1％、0.3％＜Zr≤0.9％、0.03％＜Nd≤0.09％、0.03％≤Y≤0.06％、其余 为镁的用SO2或SF6气体保护的合金溶液中进行浸渗处理，纤维束在合金液中的 停留时间为1～2分钟以使液态金属浸入纤维束中包裹每根碳纤维，合金液的温 度为700～750℃，带有金属液的纤维束从插入合金液面下的氧化铝陶瓷模具孔出 来形成碳纤维增强的镁合金复合材料丝，氧化铝陶瓷模具的通孔直径为1～ 5mm，氧化铝陶瓷模具通孔的一端即纤维束进口端插入合金液面下10～50mm， 氧化铝陶瓷模具通孔的另一端即纤维束出口端离开合金液面上100～200mm。

有益效果：本发明该镁粒高分子复合材料的制备方法，工艺简单，无环境污 染，生产成本低。由该方法制得的镁合金复合材料丝，具有足够高的力学性能， 可作为电缆芯用于增强导电裸铝绞线。

四、附图说明

图1为碳纤维增强的镁合金复合材料丝截面的金相组织照片。圆形黑色的为 碳纤维的截面，碳纤维均匀分布在发亮的镁合金基体中。

五、具体实施方式

实施例1

轻型金属基复合材料电缆芯，该电缆芯由镁合金基体和连续碳纤维组成，连 续碳纤维是以聚丙烯腈为原料的强度为5000MPa的连续碳纤维，碳纤维均匀平行 分布在镁合金基体中，碳纤维在电缆芯中所占的体积分数为10％，镁合金基体的 组成元素的质量百分比为：Al 5.5％，Zn 0.6％，Pr 0.2％，Zr 0.4％，Nd 0.04 ％，Y 0.04％，其余为镁。

实施例2

轻型金属基复合材料电缆芯，该电缆芯由镁合金基体和连续碳纤维组成，连 续碳纤维是以聚丙烯腈为原料的强度为5500MPa的连续碳纤维，碳纤维均匀平行 分布在镁合金基体中，碳纤维在电缆芯中所占的体积分数为70％，镁合金基体的 组成元素的质量百分比为：Al 9％，Zn 2.5％，Pr 1％，Zr 0.9％，Nd 0.09％，Y 0.06％，其余为镁。

实施例3

轻型金属基复合材料电缆芯，该电缆芯由镁合金基体和连续碳纤维组成，连 续碳纤维是以聚丙烯腈为原料的强度为5200MPa的连续碳纤维，碳纤维均匀平行 分布在镁合金基体中，碳纤维在电缆芯中所占的体积分数为50％，镁合金基体的 组成元素的质量百分比为：Al 8％，Zn 1.5％，Pr 0.5％，Zr 0.6％，Nd 0.06％， Y 0.05％，其余为镁。

实施例4

轻型金属基复合材料电缆芯的制备方法，制备步骤为：将去胶后的连续碳纤 维束浸入K2ZrF6质量浓度为1％的水溶液中保持1分钟，取出的纤维束干燥后浸 入组成元素的质量百分比为Al 5.5％、Zn 0.6％、Pr 0.2％、Zr 0.4％、Nd 0.04％、 Y 0.04％、其余为镁的合金溶液中进行浸渗处理，处理过程中用SO2气氛保护， 纤维束在合金液中的停留时间为1分钟，合金液的温度为700℃，带有金属液的 纤维束从插入合金液面下的Al2O3成丝模具孔出来形成实施例1碳纤维增强的镁 合金复合材料丝。

实施例5

轻型金属基复合材料电缆芯的制备方法，制备步骤为：将去胶后的连续碳纤 维束浸入质量浓度为2％的K2ZrF6水溶液中保持2分钟，取出的纤维束干燥后浸 入组成元素的质量百分比为Al 9％、Zn 2.5％、Pr 1％、Zr 0.9％、Nd 0.09％、Y 0.06％、其余为镁的合金溶液中进行浸渗处理，处理过程中用SF6气氛保护，纤 维束在合金液中的停留时间为2分钟，合金液的温度为750℃，带有金属液的纤 维束从插入合金液面下的Al2O3成丝模具孔出来形成实施例2碳纤维增强的镁合 金复合材料丝。

实施例6

轻型金属基复合材料电缆芯的制备方法，制备步骤为：将去胶后的连续碳纤 维束浸入质量浓度为1.5％的K2ZrF6水溶液中保持1.5分钟，取出的纤维束干燥后 浸入组成元素的质量百分比为Al 8％、Zn 1.5％、Pr 0.5％、Zr 0.6％、Nd 0.06％ Y 0.05％、其余为镁的合金溶液中进行浸渗处理，处理过程中用SF6气氛保护， 纤维束在合金液中的停留时间为1.5分钟，合金液的温度为730℃，带有金属液 的纤维束从插入合金液面下的Al2O3成丝模具孔出来形成实施例3碳纤维增强的 镁合金复合材料丝。

实施例7

表1碳纤维增强镁合金复合材料丝的强度/MPa