CN103534763B - 具有复合芯的输电电缆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了包含电缆芯和围绕所述电缆芯的多个导电元件的电缆。所述电缆芯包含至少一个复合芯，每个复合芯包含条状材，所述条状材包含嵌入热塑性聚合物基体内的多根单向对齐的纤维粗纱，并由覆盖层围绕。

Description

具有复合芯的输电电缆
相关申请的引用
本申请于2012年4月11日指定所有国家以以下申请人的名义作为PCT国际专利申请提出：美国公民Allan Daniel、美国公民Paul Springer、台湾公民Yuhsin Hawig、美国公民Mark Lancaster、美国公民David W.Eastep、美国公民Sherri M.Nelson、美国公民TimTibor、美国公民Tim Regan和美国公民Michael L.Wesley，并且要求于2011年4月12日提交的美国专利申请序列No.61/474,423以及于2011年4月12日提交的相关临时申请No.61/474,458的优先权，这二者通过引用整体并入本文。
背景技术
经常使用复合线结构作为向用户输电的输电线或电缆。复合输电线结构的实例包括例如：钢芯铝绞线(aluminum conductor steel reinforced，ACSR)电缆、钢支撑铝绞线(aluminum conductor steel supported，ACSS)电缆、复合加固铝绞线(aluminumconductor composite reinforced，ACCR)电缆、和复合芯铝绞线(aluminum conductorcomposite core，ACCC)电缆。ACSR和ACSS电缆包括围绕钢内芯的铝外部导电层。输电线或电缆被设计成不仅有效输电，而且坚固且具有温度耐受性，尤其是在输电线系在塔上并且长距离延伸时。
生产能达到例如架空输电电缆应用所要求的理想强度、耐久度和温度特性的具有复合芯的电缆将是有益的。因此，为了这些目的进行了本发明。
发明简述
提供该简述来以简化形式介绍经选择的构思，这些构思将在下文的发明详述部分进一步描述。本简述并非旨在确定要求保护的主题的必需或基本的特征。本简述也并非旨在用于限制要求保护的主题的范围。
本发明的实施方案可提供电缆，例如用于高架输电的输电电缆，其可包含电缆芯和围绕所述电缆芯的导电元件。电缆芯可包含至少一个复合芯(复合芯也称作复合绞股(strand)或聚合物复合绞股)。这些芯元件可作为输电电缆的承重部件，并且在一些实施方案中，这些芯元件可以是不导电的。
根据本发明的一个实施方案，公开了电缆的复合芯。一般地，本文公开的电缆和芯可纵向延伸。复合芯可包含至少一根条状材(rod)，所述条状材包含含连续纤维组分的多根合并的(consolidated)热塑性浸渍的粗纱(roving)(所述条状材也称作纤维芯)。所述粗纱可包含纵向取向的连续纤维和嵌入有所述纤维的热塑性基体。所述纤维的极限抗拉强度与单位长度的质量的比率大于约1,000兆帕每克每米(MPa/g/m)。连续纤维可构成所述条状材的约25重量％至约80重量％，热塑性基体可构成所述条状材的约20重量％至约75重量％。覆盖层(capping layer)可围绕所述条状材，该覆盖层可不含连续纤维。复合芯可具有约10千兆帕斯卡(GPa)的最小弯曲模量。
根据本发明的另一实施方案，公开了用于形成输电电缆的复合芯的方法。所述方法包括：将多根粗纱用热塑性基体浸渍以及使所述粗纱合并以形成条带(ribbon)，其中所述粗纱可包含纵向取向的连续纤维。所述纤维的极限抗拉强度与单位长度的质量的比率可以大于约1,000MPa/g/m。连续纤维可构成所述条带的约25重量％至约80重量％，热塑性基体可构成所述条带的约20重量％至约75重量％。可将所述条带加热至等于或大于所述热塑性基体的软化温度(或熔化温度)的温度并且牵拉通过至少一根成形模头以将所述条带压缩和成形为条状材。可向所述条状材上施加覆盖层以形成复合芯。
根据本发明又一实施方案，公开了制备电缆的方法。该方法可包括：提供包含至少一个复合芯的电缆芯，和用多个导电元件围绕所述电缆芯。所述复合芯可包含至少一根条状材，所述条状材包含多根合并的热塑性浸渍的粗纱。所述粗纱可包含纵向取向的连续纤维和嵌入有所述纤维的热塑性基体。所述纤维的极限抗拉强度与单位长度的质量的比率可大于约1,000MPa/g/m。通常，所述条状材可包含约25重量％至约80重量％的纤维，和约20重量％至约75重量％的热塑性基体。覆盖层可围绕至少一根条状材，该覆盖层一般可不含连续纤维。在这些和另一些实施方案中，复合芯可具有大于约10GPa的弯曲模量。
前述简述和下文的详述二者都提供了实例，并且仅用作说明。因此，不应将前述简述和下文详述认为是限制性的。另外，可提供本文给出的那些特征或变化以外的特征或变化。例如，某些方面和实施方案可涉及在发明详述中描述的多个特征的组合和子组合。
附图简述
被引入并且构成本公开内容的一部分的附图说明了本发明实施方案的多个方面。在附图中：
图1是在本发明中使用的合并条带的一个实施方案的透视图；
图2是在本发明中使用的合并条带的另一实施方案的截面图；
图3是在本发明中使用的浸渍***的一个实施方案的示意图；
图4是图3中所示浸渍模头(die)的截面图；
图5是可在本发明中使用的浸渍模头的歧管组合件(manifold assembly)和门通道(gate passage)的一个实施方案的部件分解图；
图6是可在本发明中使用的至少部分地界定浸渍区的板的一个实施方案的透视图；
图7是可在本发明中使用的拉挤成形***(pultrusion system)的一个实施方案的示意图；
图8是本发明复合芯的一个实施方案的透视图；和
图9是本发明输电电缆的一个实施方案的透视图；
图10是本发明输电电缆的另一实施方案的透视图；
图11是可根据本发明使用的多个校准模头的一个实施方案的顶部截面图；
图12是可根据本发明使用的校准模头的一个实施方案的侧部截面图；
图13是可根据本发明使用的校准模头的一个实施方案的一部分的前视图；
图14是可根据本发明使用的成形滚轴的一个实施方案的前视图；
图15是实施例6至7的电缆的透视图；
图16是实施例7的电缆的应力-应变图；和
图17是建设性实施例8的电缆的透视图；
发明详述
以下详述参照了附图。在任何可能的情况下，在附图和以下描述中使用的相同或相似的附图标记是指相同或相似的元件或特征。尽管可能描述了本发明的方面和实施方案，但是修改、适应性变化和其他实现方式也是可能的。例如，可对附图中描述的元件进行替换、添加或修改，并且可通过对所公开方法的步骤进行替换、重排或添加来改变本文中描述的方法。因此，以下详述及其示例性的实施方案不限制本发明的范围。
本发明一般性涉及电缆，例如高压架空输电线，还涉及这些电缆中包含的复合芯。在本发明的某些实施方案中，电缆可包含含至少一个复合芯(或复合绞股)的电缆芯和围绕所述电缆芯的多个导电元件。
复合芯
复合芯可包含条状材(或纤维芯)，其包含由覆盖层围绕的连续纤维组分。所述条状材可包含嵌入热塑性聚合物基体的多根单向对齐的纤维粗纱。尽管不希望受到理论的约束，但是申请人相信可通过选择性控制浸渍过程，还通过控制在条状材的形成和成形过程中向粗纱施加的压缩的程度，以及校准最终条状材的几何形状来显著提高热塑性聚合物基体对粗纱的浸渍度。这样良好浸渍的条状材可具有极小的孔隙率，其可产生极好的强度性质。明显地，可取得理想的的强度性质而不需要条状材内不同的纤维类型。
本文中使用的术语“粗纱”一般是指单根纤维的捆或束(tow)。粗纱中包含的纤维可以是扭曲的或可以是直的。尽管在个别或不同粗纱中可使用不同纤维，但有利的是每一根粗纱包含单一纤维种类，以使得使用具有不同热膨胀系数的材料的负面影响尽可能小。粗纱中使用的连续纤维相对于其质量可具有高度的抗拉强度。例如，纤维的极限抗拉强度通常可以为约1,000至约15,000兆帕(MPa)，在一些实施方案中为约2,000MPa至约10,000MPa，在一些实施方案中为约3,000MPa至约6,000MPa。即使纤维具有相对轻的重量(例如，单位长度的质量为约0.1至约2克每米(g/m)，在一些实施方案中为约0.4至约1.5g/m)，也可取得这样的抗拉强度。因此，抗拉强度与单位长度的质量的比率可以为1,000兆帕每克每米(MPa/g/m)或更大，在一些实施方案中为约4,000MPa/g/m或更大，而在一些实施方案中为约5,500至约20,000MPa/g/m。这样的高强度纤维可以是例如金属纤维、玻璃纤维(例如，E-玻璃、A-玻璃、C-玻璃、D-玻璃、AR-玻璃、R-玻璃、S1-玻璃、S2-玻璃等)，碳纤维(例如，无定形碳、石墨碳或镀金属碳(metal-coated carbon,)等)、硼纤维、陶瓷纤维(例如，氧化铝或二氧化硅)、芳纶纤维(例如，由E.I.duPont de Nemours,Wilmington,Del.销售的)、合成有机纤维(例如，聚酰胺、聚乙烯、对苯撑、对苯二甲酰胺、聚对苯二甲酸乙二酯和聚苯硫醚)以及已知的用于增强热塑性组合物和/或热固性组合物的各种其他天然或合成无机或有机纤维材料。碳纤维可特别适合用作连续纤维，其抗拉强度与单位长度的质量的比率通常为约5,000至约7,000MPa/g/m。通常，连续纤维的公称直径可以为约4至约35微米(μm)，在一些实施方案中，为约5至约35μm。每一根粗纱中包含的纤维的数目可以是恒定的或每一根粗纱互不相同。通常，粗纱可包含约1,000根纤维至约100,000根单独纤维，在一些实施方案中，包含约5,000至约50,000根纤维。
可使用各种热塑性聚合物中的任意一种形成其中嵌入连续纤维的热塑性基体。适合在本发明中使用的热塑性聚合物可包括例如：聚烯烃(例如，聚丙烯、丙烯-乙烯共聚物等)、聚酯(例如，聚对苯二甲酸丁二酯(PBT))、聚碳酸酯、聚酰胺(例如，NylonTM)、聚醚酮(例如，聚醚醚酮(PEEK))、聚醚酰亚胺、聚芳基酮(例如，聚苯二酮(PPDK))、液晶聚合物、聚芳硫醚(例如，聚苯硫醚(PPS)、聚(二苯硫醚酮)、聚(苯硫醚二酮)、聚(二苯硫醚)等)、含氟聚合物(例如，聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚聚合物、全氟-烷氧基烷烃聚合、四氟乙烯聚合物、乙烯-四氟乙烯聚合物等)、聚缩醛、聚氨酯、聚碳酸酯、苯乙烯类聚合物(例如，丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)等，或它们的组合。
一般而言，可选择热塑性基体的性能以取得复合芯的可加工性和最终使用性能的理想组合。例如，热塑性基体的熔体粘度一般可足够低以使得聚合物可充分地浸渍纤维并且成形为条状材外形。就这一点而言，在用于热塑性聚合物的操作条件(例如，约360℃)下确定的熔体粘度通常为约25至约2,000帕斯卡·秒(Pa-s)，在一些实施方案中，为50至约500Pa-s，在一些实施方案中，为约60至约200Pa-s。同样地，由于芯可能在高温(例如，在高压传输电缆中)下使用，可使用具有相对高熔化温度的热塑性聚合物。例如，这样的高温聚合物的熔化温度可以为约200℃至约500℃，在一些实施方案中，为约225℃至约400℃，在一些实施方案中，为约250℃至约350℃。
在本文预计的特定实施方案中，聚芳硫醚可在本发明中用作具有理想熔体粘度的高温基体。例如，聚苯硫醚是半晶状树脂，其一般包含用以下通式表示的重复单体单元：
这些单体单元可构成聚合物中重复单元的至少80摩尔％，在一些情况下为至少90摩尔％。但是，应理解聚苯硫醚可包含额外的重复单元，例如在Gotoh等人的美国专利No.5,075,381中描述的，为了全部目的，该专利通过引用整体并入本文。在使用时，所述额外的单元通常可构成聚合物的小于约20摩尔％。市售高熔体粘度聚苯硫醚可包括以商品名购自Ticona,LLC(Florence,Kentucky)的那些。这样的聚合物可具有约285℃(根据ISO 11357-1,2,3确定)的熔体温度和在310℃下约260至约320Pa-s的熔体粘度。
根据本发明，一般可使用挤出装置来用热塑性基体浸渍粗纱。除了其他方面，挤出装置可有助于将热塑性聚合物施加到纤维的整个表面。经浸渍粗纱还具有非常低的孔隙率，其可提高所得条状材的强度。例如，孔隙率可以为约6％或更小，在一些实施方案中为约4％或更小，在一些实施方案中为约3％或更小，在一些实施方案中为约2％或更小，在一些实施方案中为约1％或更小，在一些实施方案中为约0.5％或更小。可使用本领域技术人员公知的技术测量孔隙率。例如，可使用“树脂烧尽”试验来测量，在该试验中，将样品放置在烘箱(例如，在600℃下3小时)以烧尽树脂。然后可测量剩余纤维的质量以计算重量分数和体积分数。可根据ASTM D2584-08进行该“烧尽”试验以确定纤维和热塑性基体的重量，然后可基于下式计算“孔隙率”：
Vf＝100*(ρt-ρc)/ρt
其中，
Vf是以百分比计的孔隙率；
ρc是使用已知技术测量的复合材料的密度，例如使用液体比重瓶或气体比重瓶(例如，氦比重瓶)测量。
ρt是利用下式确定的复合材料的理论密度：
ρt＝1/[Wf/ρf+Wm/ρm]
ρm是热塑性基质(例如，在适当的结晶度下)的密度；
ρf是纤维的密度；
Wf是纤维的重量分数；以及
Wm是热塑性基体的重量分数。
或者，可根据ASTM D 3171-09通过化学溶解树脂来确定孔隙率。所述“烧尽”和“溶解”方法可特别适合于玻璃纤维，该纤维一般耐熔化和耐化学溶解。但是，在另外的情况下，可根据ASTM D 2734-09(方法A)基于热塑性聚合物、纤维和条带(或带)的密度间接地计算孔隙率，其中密度可通过ASTM D792-08方法A确定。当然，还可使用常规显微镜设备或通过使用计算机断层(CT)扫描设备(例如，Metrotom 1500(2k×2k)高分辨率检测器)估计孔隙率。
参阅图3，示出了挤出装置的一个实施方案。更具体地，所述设备可包括挤出机120，其含安装在筒122内的螺旋轴124。加热器130(例如，电阻加热器)可安装在筒122的外部。使用时，可通过漏斗126向挤出机120供应热塑性聚合物给料127。热塑性给料127可通过螺旋轴124传送到筒122内部并且被筒122内部的摩擦力和加热器130加热。在加热之后，给料127可通过筒凸缘128离开筒122并且进入浸渍模头150的模头凸缘132。
可将连续纤维粗纱142或多根连续纤维粗纱142由一个或多个卷轴(reel)144供应给模头150。通常，粗纱142在浸渍之前可隔开一定距离，例如隔开至少约4mm，在一些实施方案中，隔开至少约5mm。可通过安装在模头150内或周围的加热器133进一步加热给料127。模头一般可在足以熔化并且浸渍热塑性聚合物的温度下操作。通常，模头的操作温度可高于热塑性聚合物的熔化温度，例如在约200℃至约450℃的温度下。在以这种方式处理时，连续纤维粗纱142可嵌入聚合物基体，所述聚合物基体可以是由给料127加工的树脂214(图4)。可将混合物由浸渍模头150挤出，以产生挤出物152。
可用压力传感器137(图3)监测浸渍模头150附近的压力，从而可操作挤出机120以输送恰当量的树脂214来与纤维粗纱142相互作用。可通过控制螺旋轴124的转速和/或给料127的进料速率来改变挤出速率。可操作挤出机120以产生挤出物152(浸渍的纤维粗纱)，其在离开浸渍模头150之后可进入任选的预成形或引导部分(未示出)，之后进入在两个相邻滚轴190之间形成的夹缝(nip)。滚轴190可有助于将挤出物152合并为条带(或带)形式，并且提高纤维浸渍并挤出任何过量的空隙。除了滚轴190之外，还可使用其他成形设备，例如模头***。所得合并条带156可通过安装在滚轴上的轨道带(track)162和164拉出。轨道带162和164还可将挤出物152从浸渍模头150拉出并且通过滚轴190。若需要，可将合并粗纱156卷绕在部分171上。一般而言，条带可以相对较薄，并且厚度可以为约0.05至约1毫米(mm)，在一些实施方案中，为约0.1至约0.8mm，在一些实施方案中，为约0.2至约0.4mm。
在浸渍模头中，可能有利的是使粗纱142通过浸渍区250以用聚合物树脂214浸渍所述粗纱。在浸渍区250中，一般可通过在浸渍区250内产生的剪切力和压力驱使聚合物树脂通过粗纱，这可显著提高浸渍程度。在由高纤维含量(例如，约35％重量百分率(Wf)或更多，在一些实施方案中，为约40％Wf或更)的条带形成复合材料时，这可特别有用。通常，模头150可包括多个接触表面252，例如，至少2个，至少3个，4至7个，2至20个，2至30个，2至40个，2至50个，或更多个接触表面252，以在粗纱142上产生足够的渗透度和压力。尽管其特定形式可改变，接触表面252通常可具有曲线的表面，例如弯曲的裂片、棒等。接触表面252通常可由金属材料制成。
图4示出了浸渍模头150的截面图。如图所示，浸渍模头150可包括歧管220、门通道270和浸渍区250。可设置歧管220以使聚合物树脂214由此流动。例如，歧管220可包括一个通道222或多个通道222。向浸渍模头150提供的树脂214可通过通道222流动。
如图5所示，通道222的一些部分可以是曲线的，在示例性的实施方案中，通道222可具有沿着中心轴224的对称取向。另外，在一些实施方案中，通道可以是多个分支流道(branched runner)222，其可包括第一分支流道组232、第二组234、第三组236，以及若需要，更多分支流道组。每一组可包括由之前组中的流道222或由初始通道222分叉的2、3、4或更多个流道222。
分支流道222及其对称取向可均匀地分配树脂214，从而使离开歧管220并且涂覆粗纱142的树脂214的流动可基本均匀地分布在粗纱142上。有利地，这可导致对粗纱142的大致均匀的浸渍。
另外，在一些实施方案中，歧管220可界定出口区242，其一般至少涵盖通道或流道222的树脂214离开的下游部分。在一些实施方案中，通道或流道222至少布置在出口区242内的部分在树脂214的流动方向255上具有增加的面积。增加的面积可允许在树脂214流过歧管220时扩散和进一步分配树脂214，其可进一步导致树脂214基本均匀地分布在粗纱142上。
如图4和图5进一步示出的，在流经歧管220之后，树脂214可流经门通道270。门通道270可布置在歧管220和浸渍区250之间，并且可被配置成用于来自歧管220的树脂214的流动，以使得树脂214涂覆在粗纱142上。因此，如图所示，通过例如出口区242离开歧管220的树脂214可进入门通道270并且由此流过。
如图4所示，在离开模头150的歧管220和门通道270之后，树脂214可与由模头150经过的粗纱142接触。如上文讨论的，由于树脂214在歧管220和门通道270内的分配，树脂214可基本均匀地涂覆粗纱142。另外，在一些实施方案中，树脂214可冲击每一根粗纱142的上表面或每一根粗纱142的下表面，或者每一根粗纱142的上表面和下表面二者。对142的初始冲击可提供树脂214对粗纱142的进一步浸渍。
如图4所示，经涂覆粗纱142可以以运动方向282通过被配制成用树脂214浸渍粗纱142的浸渍区250。例如，如图4和6所示，粗纱142可在浸渍区内的接触表面252上运动。粗纱142在接触表面252上的冲击可产生足以使树脂214浸渍粗纱142的剪切力和压力，从而涂覆粗纱142。
在一些实施方案中，如图4所示，浸渍区250可界定在两个间隔的对立板256和258之间。第一板256可界定第一内表面257，而第二板258可界定第二内表面259。接触表面252可界定在第一内表面257和第二内表面259二者或第一内表面257和第二内表面259中仅一个的表面上或其延伸线上。根据这些实施方案，图6示出了第二板258及其上的多个接触表面，它们可形成浸渍区250的至少一部分。在示例性的实施方案中，如图4所示，接触表面252可交替地界定在第一表面257和第二表面259上，从而使得粗纱交替地冲击在第一表面257和第二表面259上的接触表面252上。因此，粗纱142可以以波形、弯曲或正弦曲线形路径通过接触表面252，这增加了剪切力。
粗纱142通过接触表面252的角度254一般可足够大以增加剪切力，但是不大于会导致纤维断裂的过度力。因此，例如，角度254可为约1°至约30°，在一些实施方案中，为约5°至约25°。
在一些可替选实施方案中，浸渍区250可包含多根针(未示出)。每根针可具有接触表面252。针可以是静止的，自由转动的，或被旋转驱动。在另一些可替选实施方案中，接触表面252和浸渍区250可以是任何合适的形状和/或结构以根据希望或需要用树脂214浸渍粗纱142。
为了进一步有助于浸渍粗纱142，在处于浸渍模头中时，可将粗纱142保持在拉力下。每一根粗纱142或每一束纤维的拉力可以为例如：约5至约300牛顿(N)，在一些实施方案中，为约50至约250N，在一些实施方案中，为约100至约200N。
如图4所示，在一些实施方案中，在粗纱142的移动方向282上，可在浸渍区250的下游设置平直区(land zone)280。粗纱142在离开模头150之前可通过平直区280运动。如图4进一步示出的，在一些实施方案中，面板290可邻接浸渍区250。面板290一般可被配置成从粗纱142上计量(meter)过量树脂214。因此，可按一定尺寸制作面板290中粗纱142通过的孔，以使得在粗纱142通过时，孔的大小可从粗纱142上除去过量的树脂214。
上文示出和描述的浸渍模头只是可在本发明中使用的多种可能配置中的一种。例如，在可替选实施方案中，可将粗纱引入到相对于聚合物熔体的流动方向成一定角度布置的十字头模头中。随着粗纱运动通过十字头模头并且到达聚合物从挤出机筒体中离开的点，可迫使聚合物与粗纱接触。这样的十字头模头挤出机的实例描述在例如美国专利：Moyer的No.3,993,726，Chung等人的No.4,588,538，Augustin等人的No.5,277,566和Amaike等人的No.5,658,513中，为了全部目的，它们通过引用整体并入本文。应理解的是，也可使用任何其他的挤出机设计，例如双螺杆挤出机。更进一步，可使用其他任选组件以有助于纤维的浸渍。例如，在某些实施方案中，可使用“气体喷嘴”组件以帮助使单根纤维的粗纱在融合束的整个宽度上均匀展开，每根所述粗纱可包含多达24,000根纤维。这可有助于取得均匀分布的强度性质。这样的组件可包含提供压缩空气或其他气体，其可以以大致垂直的方式冲击在穿过出口的移动粗纱上。然后，如上文所述，可将展开的粗纱引入到模头中用于浸渍。
无论所使用的技术，可将连续纤维纵向(图3的***的机器方向“A”)取向以提高其抗拉强度。除了纤维方向之外，还可控制拉挤成形处理的其他方面以取得期望的强度。例如，可在合并条带中使用相对高百分比的连续纤维以提供增强的强度性质。例如，连续纤维通常可构成条带的约25重量％至约80重量％，在一些实施方案中，为约30重量％至约75重量％，在一些实施方案中，为约35重量％至约60重量％。同样地，热塑性聚合物通常可构成条带的约20重量％至约75重量％，在一些实施方案中，为约25重量％至约70重量％，在一些实施方案中，为约40重量％至约65重量％。最终条状材中纤维和热塑性基体的百分比也可在上述范围内。
如上文所述，可将粗纱合并成为一根或更多根条带形式，之后成形为期望的条状材构型。当随后压缩这样的条带时，粗纱可以以大致均匀的方式分布在条状材的纵向中心的周围。这样的均匀分布提高了条状材整个长度上强度性质(例如，弯曲模量、极限抗拉强度等)的一致性。在使用时，用于形成条状材的合并条带的数目可根据期望的条状材厚度和/或截面积和强度以及条带本身的性质而不同。但是，在大部分情况下，条带的数目可以为1至20，在一些实施方案中，为2至10。同样地，每个条带中使用的粗纱的数目可不同。但是，通常条带可包含2至10根粗纱，在一些实施方案中，为3至5根粗纱。为了在最终条状材中取得粗纱的均匀分布，可能有利的是在条带内将粗纱以大致相同的距离彼此隔开。例如，参阅图1，示出了合并条带4的一个实施方案，其包含了在-x方向上彼此等距隔开的3根粗纱5。但是，在另外一些实施方案中，可能希望合并粗纱，以使得粗纱的纤维大致均匀地分布在整个条带4内。在这些实施方案中，粗纱一般可能彼此无法区分。例如，参阅图2，示出了合并条带4的一个实施方案，其包含合并的粗纱，使得粗纱大致均匀地分布。
也可小心地控制使粗纱成形的具体方式，以确保可形成具有充分压缩度和强度性质的条状材。例如，参阅图7，示出了用于形成条状材的***和方法的一个特定实施方案。在该实施方案中，最初可提供在粗纱架20上的卷绕组合件(package)内的两个条带12。粗纱架20可是回卷粗纱架，其包含设置有横向心轴22的框架，每个框架都支撑着组合件。也可使用放线粗纱架，特别是若需要将纤维扭曲时，例如在一步配置中使用粗纤维时。还应当理解，条带也可与条状材的形成同轴形成。例如，在一个实施方案中，可将从图3的浸渍模头150离开的挤出物152直接提供给用于形成条状材的***。也可使用拉力调节装置40以帮助控制条带12中拉力的程度。装置40可包括入口板30，其位于与粗纱架20的旋转主轴22平行和/或与进入的条带垂直的竖直面内。拉力调节装置40可包括圆柱形杆41，其以交错排布布置以使得条带12可从这些杆上方和下方通过以限定波动图形。可调节杆的高度以改变波动图形的振幅和控制拉力。
在进入合并模头50之前，可将条带12在烘箱45内加热。可使用任何已知类型的烘箱进行加热，例如红外线烘箱、对流烘箱等。在加热的过程中，可使条带中的纤维单向取向以最大化地暴露于热并且在整个条带上保持均衡加热。条带加热的温度一般足够高以使得将热塑性聚合物软化至条带可结合在一起的程度。但是，温度可能不高于破坏材料的完整性。例如，温度可以是约100℃至约500℃，在一些实施方案中，为约200℃至约400℃，在一些实施方案中，为约250℃至约350℃。例如，在一个特定实施方案中，可使用聚苯硫醚(“PPS”)作为聚合物，可将条带加热至等于或高于PPS的熔点(其可以为约285℃)。
加热之后，可将条带12提供至合并模头50，其可将条带压缩在一起成为预制件14，并且可排列和形成条状材的初始形状。例如，如图7中一般性示出的，可引导条带12在方向“A”上从入口53到出口55通过模头50的流动通道51。通道51可为各种形状和/或大小中的任一种以取得条状材构型。例如，通道和条状材构型可以是圆形、椭圆、抛物线形、梯形、矩形等。在模头50内，条带一般保持在等于或高于条带中使用的热塑性基体的熔点的温度以确保适当合并。
通过使用具有一个或更多个部分的模头50，可取得对条带12的理想地加热、压缩和成形。例如，尽管未在本文中详细示出，合并模头50可具有多个部分，其一起作用以将条带12压缩和成形为期望的构型。例如，通道51的第一部分可以是锥形区，其最初可在材料流进模头时对材料进行成形。锥形区一般可具有在其入口处比在其出口处大的截面积。例如，锥形区的入口处通道51的截面积可比锥形区的出口处截面积大2％或以上，在一些实施方案中，大5％或以上，在一些实施方案中，比出口处截面积大约10％至约20％。无论如何，在锥形区内，流动通道的截面通常可逐渐且平滑地改变，以使得可保持通过模头的复合材料平衡流动。成形区可接着锥形区，可压缩材料并且提供经此的大致均匀的流动。成形区还可将材料预成形为类似于条状材的形状但通常具有较大截面积以允许在加热时热塑性聚合物膨胀的过渡性状，以使模头50内阻塞的风险尽可能小。成形区还可包括一个或更多个定向改变预制件的表面特征(surface feature)。定向改变可使材料重新分布，导致在最终形状中更加均匀地分布纤维/树脂。这还可降低模头中可造成树脂燃烧的死点的风险。例如，在成形区，通道51的截面积可比预制件14的宽度大2％或以上，在一些实施方案中，大5％或以上，在一些实施方案中，比预制件14的宽度大约10％至约20％。模头平直区可在成形区后作为通道51的出口。可将成形区、锥形区和/或模头平直区加热至等于或大于热塑性基体的玻璃化转变温度或熔点的温度。
若需要，还可使用第二模头60(例如，校准模头)将预制件14压缩成条状材的最终形状。在使用时，可有利地在离开合并模头50之后和进入任选的第二模头60之前允许简单地冷却预制件14。这可允许在进一步前进通过***之前保持合并预制件14的初始形状。通常，冷却可使条状材的外部温度降低至低于热塑性基体的熔点温度，以最小化和基本防止出现条状材外表面的熔体破裂。但是，条状材的内部截面可保持熔化以确保在条状材进入校准模体时压缩。这样的冷却可通过将预制件14简单地暴露于环境空气(例如，室温)或通过使用本领域中已知的主动冷却技术(例如，水浴或空气冷却)来完成。例如，在一个实施方案中，可将空气吹到预制件14上(例如，利用气圈)。但是，在这些阶段之间的冷却一般可在较短时间内进行以确保预制件14依然可能足够软以进一步成形。例如，在离开合并模头50之后，可将预制件在环境空中仅暴露约1至约20秒，在一些实施方案中，为约2至约10秒，之后进入第二模头60。在模头60内，一般可将预制件保持在低于条带中使用的热塑性基体的熔点的温度以保持条状材的形状。尽管上文中提及单个模头，但应理解，实际上模头50和模头60可由多个单独模头形成(例如，面板模头)。
因此，在一些实施方案中，可使用多个单独模头60以将材料逐渐成形为期望构型。模头60可串联布置，并且设置来逐渐降低材料的外形尺寸。这样的逐渐降低可允许在各步骤的过程中和之间进行收缩。
例如，如图11至13所示，第一模头60可包括一个或更多个如图所示的入口62和对应的出口64。模头60内可包含任意数目的入口62和对应的出口64，例如如图所示4个，或1个、2个、3个、5个、6个或更多个。在一些实施方案中，入口62一般可以是椭圆或圆形形状。在另一些实施方案中，入口62可具有弯曲的矩形形状，即，具有弯曲角的矩形形状或具有直线的较长侧壁和弯曲的较短侧壁的矩形形状。另外，出口64一般可以是椭圆形或圆形形状或者可具有弯曲的矩形形状。在使用椭圆形状入口的一些实施方案中，入口62的长轴长度66与短轴长度68的比率可以为约3:1至约5:1。在使用椭圆或圆形形状入口的一些实施方案中，出口64的长轴长度66与短轴长度68的比率可以为约1:1至约3:1。在使用弯曲矩形形状的实施方案中，入口和出口的长轴长度66与短轴长度68的比率(长宽比)可以为约2:1至约7:1，并且出口64的比率可比入口62的比率小。
在另一些实施方案中，第一模头60的入口62的截面积和对应的出口64的截面积可以为约1.5:1至6:1。
因此，第一模头60可大致平滑地将聚合物浸渍的纤维材料转化成相对类似于所得条状材的最终形状的形状，所述条状材在示例性的实施方案中具有圆形或椭圆形状的截面。随后的模头，例如图11中所示的第二模头60和第三模头60，可进一步逐渐降低和/或改变材料的尺寸，从而将材料的形状转变成条状材的最终截面形状。这些随后的模头60可使材料成形和冷却。例如，在一些实施方案中，每一随后的模头60可保持在比前一模头低的温度下。在示例性的实施方案中，所有模头60可保持在比材料的软化点温度高的温度下。
在另一些示例性的实施方案中，由于适当的冷却和固化(其对取得理想的条状材形状和尺寸可能重要)，可能希望具有相对长的平直段长度69的模头60。相对长的平直段长度69可降低压力和提供向期望形状和尺寸的平滑转化，并且具有最小的孔隙率和弯曲特性。例如，在一些实施方案中，例如，对于模头60，出口64处平直段的长度69与出口64处长轴长度66的比率可以为0至约20，例如约2至约6。
如讨论的，使用根据本公开内容的校准模头60可逐渐改变材料的截面。在示例性的实施方案中，这些逐渐改变可确保所得产品(例如，条状材或其他合适的产品)具有大致均匀的纤维分布和相对最小的孔隙率。
应理解，根据多种最终应用的希望或需要，可使用任意合适数目的模头60以使材料逐渐形成具有合适的截面形状的轮廓(profile)。
除了使用一个或更多个模头外，也可使用其他机械以帮助将预制件14压缩成条状材的形状，例如，可在合并模头50和校准模头60之间、在各校准模头60之间、和/或在校准模头60之后使用如图14所示的成形滚轴90以在预制件14转化成其最终形状之前对其进一步压缩。所述滚轴可具有任意构型，例如夹送滚轴(pinch roller)、交叠滚轴(overlappingroller)等，并且可以是如图所示竖直滚轴或水平滚轴。根据滚轴90的构型，可将滚轴90的表面加工成使预制件14具有最终产品(例如，条状材、芯、轮廓或其他合适产品)的尺寸。在示例性的实施方案中，可调节滚轴90的压力以优化最终产品的质量。
在示例性的实施方案中，滚轴90在例如至少接触材料的部分可具有大致光滑的表面。例如，在许多实施方案中，相对硬、抛光的表面可能有利。例如，滚轴的表面可由相对光滑的铬或其他合适材料形成。这可允许滚轴90对预制件进行操作而不损坏或不合需要地改变预制件14。例如，这样的表面可防止材料粘附在滚轴上，并且滚轴可使材料具有光滑表面。
在一些实施方案中，可控制滚轴90的温度。这可通过加热滚轴90本身或将滚轴90置于控温环境下来完成。
另外，在一些实施方案中，滚轴90上可设置表面特征92。在预制件14通过滚轴时，表面特征92可引导和/或控制预制件14在一个或更多根方向上。例如，可设置表面特征92以防止预制件14在通过滚轴90时自折叠。因此，表面特征92可引导和控制预制件14在相对于机器方向A的机器横向上或在相对于机器方向A的垂直方向上变形。因此，当预制件在机器方向A上通过滚轴90时，可在机器横向上将预制件推到一起而不是自折叠。
在一些实施方案中，可设置与滚轴联系的张力调节装置。这些装置可被用于随着滚轴在机器方向、机器横向和/或垂直方向上向预制件14施加拉力以进一步引导和/或控制预制件。
如上文所指出的，还可向所得条状材施加覆盖层以保护其免受环境条件和/或提高耐磨性。例如，再次参阅图7，可通过以任何期望角度取向的挤出机72将热塑性树脂引入到涂覆模头72中来施加这样的覆盖层。为了有助于防止电反应(galvanic response)，有利地，涂覆材料的介电强度为至少约1kV每毫米(kV/mm)，在一些实施方案中，为至少约2kV/mm，在一些实施方案中，为约3kV/mm至约50kV/mm，在一些实施方案中，为约4kV/mm至约30kV/mm，例如根据ASTM D 149-09确定的。对于该目的，合适的热塑性聚合物可包括例如：聚烯烃(例如，聚丙烯、丙烯-乙烯共聚物等)、聚酯(例如，聚对苯二甲酸丁二酯(PBT))、聚碳酸酯、聚酰胺(例如，NylonTM)、聚醚酮(例如，聚醚醚酮(PEEK))、聚醚酰亚胺、聚芳基酮(例如，聚苯二酮(PPDK))、液晶聚合物、聚芳硫醚(例如，聚苯硫醚(PPS)、聚(二苯硫醚酮)、聚(苯硫醚二酮)、聚(二苯硫醚)等)、含氟聚合物(例如，聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚聚合物、全氟-烷氧基烷烃聚合、四氟乙烯聚合物、乙烯-四氟乙烯聚合物等)、聚缩醛、聚氨酯、聚碳酸酯、苯乙烯类聚合物(例如，丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS))、丙烯酸类聚合物、聚氯乙烯(PVC)等。特别合适的高介电强度覆盖层材料可包括聚酮(例如，聚醚醚酮(PEEK))、聚硫醚(例如，聚芳硫醚)或其混合物。
覆盖层一般可“不含”连续纤维。即，覆盖层可包含“低于约10重量％的连续纤维，在一些实施方案中，包含约5重量％或更少的连续纤维，在一些实施方案中，包含约1重量％或更少的连续纤维(例如，0重量％)。不过，覆盖层可包含其他添加物以改善复合芯的最终性能。在这个阶段使用的添加材料可包括不适合引入到连续纤维材料中的那些。例如，可能有益的是添加颜料以减少后整理劳动(finishing labor)，或可能有益的是添加阻燃剂以提高芯的阻燃性。由于许多添加材料可能是热敏性的，过量热可能造成其分解和产生挥发性气体。因此，如果在高热条件下将热敏添加材料与浸渍树脂一起挤出，结果可能是添加材料完全分解。添加材料可包括例如：矿物质增强剂、润滑剂、阻燃剂、发泡剂(blowingagent)、起泡剂(foaming agent)、耐紫外线剂、热稳定剂、颜料及其组合。合适的矿物质增强剂可包括例如：碳酸钙、二氧化硅、云母、粘土、滑石、硅酸钙、石墨、硅酸钙、氢氧化铝、钡铁氧体及其组合。
尽管在本文中未详细示出，涂覆模头72可包括本领域中已知的多种特征以有助于实现对覆盖层的理想应用。例如，涂覆模头72可包括对齐进入的条状材的入口导向部件。涂覆模头还可包括在施加覆盖层之前预加热条状材的加热装置(例如，加热板)以有助于确保充分粘合。涂覆之后，然后可使用本领域中已知的冷却***80对成形零件15进行最终冷却。冷却***80可以是例如含一个或更多个块(例如，铝块)的定形***(sizing system)，其可完全地封装复合芯同时随着复合芯冷却逆着复合芯的壁真空拉出热形状。可向定形机(sizer)中提供冷却介质(例如，空气或水)以使复合芯固化成恰当的形状。
即使不使用定形***，可有利地在复合芯离开涂覆模头(或者如果未施加覆盖层，为合并模头或校准模头)之后将其冷却。可使用本领域中任何已知技术进行冷却，例如水箱、冷气流或空气喷射、冷却套管、内部冷却通道、冷却液循环通道等。无论如何，可控制用于冷却材料的温度以取得特定机械性能、零件尺寸公差、良好加工性和美观的复合材料。例如，如果冷却站的温度过高，材料可能在冷却中膨胀和中断进程。对于半晶材料，过低温度同样可造成材料过快冷却和无法完全结晶，从而不利的影响复合材料的机械和耐化学物质性能。可使用具有独立温度控制的多个冷却模头部分以有利地平衡加工和性能属性。例如，在一个特定实施方案中，可使用温度为约0℃至约30℃的水箱，在一些实施方案中，温度为约1℃至约20℃，在一些实施方案中，为约2℃至约15℃。
若需要，可在例如涂覆后使用一个或更多个定形块(sizing block)(未示出)。这些块可包含被切成精确的芯形状的开口，由最初的过大渐变成最终的芯形状。随着复合芯由此通过，可消解复合芯的任何移动或下垂的倾向，并且可将其推回(反复地)正确形状。一旦定形，在连续处理中，可将复合芯在切割站(未示出)利用例如够进行截面切割的切割锯切成期望长度，或将复合芯可卷绕在卷轴上。条状材和/或复合芯的长度可能限于纤维束的长度。
如将理解的，随着条状材或复合芯通过本发明***的任何部分前进，可控制其温度以取得特定制造和最终复合材料性能。可使用电力筒式加热器、循环流体冷却等或本领域技术人员已知的任何其他控温装置来控制任意或全部组件部分的温度。
再次参阅图7，可在冷却***80的下游安装牵拉装置82以牵拉最终的复合芯16通过用于对复合材料进行最终定形的***。牵拉装置82可以是能够以期望速率牵拉芯通过处理***的任何装置。通常，牵拉装置可包括例如履带牵拉器和往复牵拉器。
由上述方法形成的复合芯(或复合绞股)的一个实施方案在图8中作为元件516更详细示出。如图所示，复合芯516可具有基本为圆形的形状，并且可包含含一个或更多根合并条带(连续纤维组分)的条状材(或纤维芯)514。“基本为圆形”一般是指芯的高宽比(高除以宽)通常为约1.0至约1.5，在一些实施方案中，为约1.0。由于选择性控制用于浸渍粗纱和形成合并条带的过程以及用于压缩和成形条带的过程，复合芯可包含沿着其整个长度相对均匀分布的热塑性基体。还意味着连续纤维可以以大致均匀的方式分布在复合芯516的纵向中心轴“L”周围。例如，如图8所示，复合芯516的条状材514可包括嵌入热塑性基体528内的连续纤维526。纤维526可大致均匀地分布纵轴“L”的周围。应理解，图8中仅示出了少量纤维，复合芯通常可包含数目多得多的均匀分布的纤维。
覆盖层519也可在条状材514的周长周围延伸并且界定复合芯516的外表面。可策略性选择条状材514的截面厚度以有助于复合芯获得特定强度。例如，条状材514的厚度(例如，直径)可以为约0.1至约40mm，在一些实施方案中，为约0.5至约30mm，在一些实施方案中，为约1至约10mm。覆盖层519的厚度可取决于零件的预期作用，但通常为约0.01至约10mm，在一些实施方案中，为约0.02至约5mm。复合芯516的总截面厚度(或高)也可为约0.1至约50mm，在一些实施方案中，为约0.5至约40mm，在一些实施方案中，为约1至约20mm(例如，如果是圆形截面，为直径)。尽管复合芯在长度上可基本连续，但是复合芯的长度在实践中可受卷绕和储存复合芯的线轴的限制和/或连续纤维的长度的限制。例如，长度通常可以为约1,000m至约5,000m，但是甚至更长的长度当然也是可能的。
通过控制上述多个参数，可形成具有极高强度的芯。例如，复合芯可显示相对高的弯曲模量。术语“弯曲模量”一般是指在弯曲变形中应力与应变的比值(单位为力每单位面积)或材料弯曲的倾向。其由“三点弯曲”试验(例如，ASTM D790-10,Procedure A，室温)产生高的应力-应变曲线的斜率确定。例如本发明复合芯显示的弯曲模量可以为约10GPa或以上，在一些实施方案中，为约12至约400GPa，在一些实施方案中，为约15至约200GPa，在一些实施方案中，为约20至约150GPa。
根据本文公开的某些实施方案，用于生产电缆的复合芯的极限抗拉强度可以大于约300MPa，例如，为约400MPa至约50,00MPa，约500MPa至约3,500MPa。另外，合适的复合芯的极限抗拉强度可以为约700MPa至约3,000MPa，或约900MPa至约1,800MPa，或约1,100MPa至约1,500MPa。术语“极限抗拉强度”一般是指材料在被伸直或牵拉时，断裂之前可禁受的最大应力，是在室温下由拉伸试验(例如，ASTM D3916-08)产生的应力-应变曲线上达到的最大应力。
附加地或可选地，复合芯的拉伸弹性模量或弹性模量可以为约50GPa至约500GPa，约70GPa至约400GPa，约70GPa至约300GPa，或约70GPa至约250GPa，在某些实施方案中，复合芯的弹性模量可以为约70GPa至约200Gpa，或约70GPa至约150GPa，或约70GPa至约130GPa。术语“拉伸弹性模量”或“弹性模量”一般是指拉伸应力与拉伸应变的比率，并且是在室温下由拉伸试验(例如，ASTM 3916-08)产生的应力-应变曲线的斜率。
根据本公开内容制备的复合芯还可具有相对高的弯曲疲劳寿命，并且可显示相对高的残余强度。弯曲疲劳寿命和残余弯曲强度可根据“三点弯曲疲劳”试验(例如，ASTMD790，通常在室温下)确定。例如，本发明的芯在160牛顿(“N”)或180N负载下一百万个循环后可显示约60千克每平方英尺(“ksi”)至约115ksi的残余弯曲强度，在一些实施方案中为约70ksi至约115ksi，在一些实施方案中为约95ksi至约115ksi。另外，芯可显示相对最小的弯曲强度降低。例如，孔隙率为约4％或以下，在一些实施方案中为约3％或以下的芯在三点弯曲疲劳试验后弯曲强度的降低可以为约1％(例如，由约106ksi的最大原始弯曲强度至约105ksi的最大残余弯曲强度)。可在疲劳试验之前和之后用例如上文讨论的三点弯曲试验测试弯曲强度。
在一些实施方案中，复合芯可具有小于约2.5g/立方厘米、小于约2.2g/立方厘米、小于约2g/立方厘米、或小于约1.8g/立方厘米的密度或比重。在另一些实施方案中，复合芯的密度可以为约1g/立方厘米至约2.5g/立方厘米，或约1.1g/立方厘米至约2.2g/立方厘米，或约1.1g/立方厘米至约2g/立方厘米，或约1.1g/立方厘米至约1.9g/立方厘米，或1.2g/立方厘米至约1.8g/立方厘米，或1.3g/立方厘米至约1.7g/立方厘米。
在一些电缆应用中，例如在架空输电线中，复合芯的强度与重量比可能很重要。该比率可用芯材料的拉伸强度与芯材料的密度的比率来量化(单位，MPa/(g/立方厘米))。根据本发明的实施方案，复合芯的示例性和非限制性强度与重量比可以为约400至约1,300、约400至约1,200、约500至约1,100、约600至约1,100、约700至约1,100、约700至约1,000、或约750至约1,000。再者,该比率基于抗拉强度Mp和复合芯密度g/立方厘米。
在一些实施方案中，复合芯的断裂伸长百分率可小于4％、小于3％、小于2％，而在另一些实施方案中，断裂伸长百分率可以为约0.5％至约2.5％、约1％至约2.5％、或约1％至约2％。
复合芯的线性热膨胀系数可小于约5×10-6/℃、小于约4×10-6/℃、小于约3×10-6/℃、或小于约2×10-6/℃(或单位为m/m/℃)。换言之，线性热膨胀系数(以ppm每℃为单位)可以小于约5、小于约4、小于约3、或小于约2。例如，系数(ppm/℃)可以为约-0.4至约5，或约-0.2至约4，或约0.4至约4，或约0.2至约2。该线性热膨胀系数的温度范围一般可以为-50℃至200℃的范围，0℃至200℃的范围，0℃至175℃的范围，或25℃至150℃的范围。线性热膨胀系数在纵向(即，沿着纤维的长度)上测量。
复合芯还显示相对小的“弯曲半径”，弯曲半径是条状材可无损坏弯曲的最小半径，并且是对复合芯或复合绞股的内部曲率的测量。较小的弯曲半径意味着复合芯可能更加柔韧，并且可卷绕在较小直径的线筒上。这个性质使得还能较容易地替换当前使用的金属芯的电缆中的复合芯，并且允许供当前在常规架空传输电缆中使用的工具和安装方法使用。在一些实施方案中，如在约25℃的温度下确定的，复合芯的弯曲半径可以为约1cm至约60cm，约1cm至约50cm，约1cm至约50cm，或约2cm至约45cm。在本文预期的某些实施方案中，弯曲半径可以为约2cm至约40cm，或约3cm至约40cm。在另一些实施方案中，如在约25℃的温度下确定的，可得到的弯曲半径小于复合芯外径的约40倍，在一些实施方案中，为复合芯外径的约1至约30倍，在一些实施方案中，为复合芯外径的约2至约25倍。
显著地，也可在相当宽的温度范围内，例如约-50℃至约300℃、约100℃至约300℃、约110℃至约250℃、约120℃至约200℃、约150℃至约200℃、或约180℃至约200℃下，保持上述的复合芯的强度、物理和热性质。
复合芯还可具有低孔隙率，例如约6％或更小，在一些实施方案中为约3％或更小，在一些实施方案中为约2％或更小，在一些实施方案中为约1％或更小，在一些实施方案中为约0.5％或更小。可以用上述方式确定孔隙率，例如使用根据ASTM D 2584-08的“树脂烧尽”试验或使用计算机断层(CT)扫描设备，例如Metrotom 1500(2k×2k)高分辨率检测器。
在一个实施方案中，本发明的复合芯可通过以下性质表征：约700MPa至约3,500MPa的极限抗拉强度，约70GPa至约300GPa的弹性模量，和约-0.4至约5的线性热膨胀系数(单位为ppm每℃)。另外，复合芯可具有小于约2.5g/立方厘米的密度和/或约500至约1,100的强度与重量比(单位MPa/(g/立方厘米))。另外，在某些实施方案中，复合芯可具有约1cm至约50cm的弯曲半径。更进一步，复合芯可具有小于约3％的断裂延伸率。
在另一实施方案中，本发明的复合芯可用以下性质表征：约1,100MPa至约1,500MPa的极限抗拉强度，约70GPa至约130GPa的弹性模量，和约0.2至约2的线性热膨胀系数(单位为ppm每℃)。另外，复合芯可具有约1.2g/立方厘米至约1.8g/立方厘米的密度和/或约700至约1,100的强度与重量比(单位MPa/(g/立方厘米))。另外，在某些实施方案中，复合芯可具有约2cm至约40cm的弯曲半径。更进一步，复合芯可具有约1％至约2.5％的断裂延伸率。
如将理解的，上文描述的特定复合芯实施方案仅是对本发明的范围内可的多种设计的例证。在多种可能的复合芯设计中，应理解，除了上文描述的那些外，可使用额外的材料层。例如，在某些实施方案中，可有利地形成多组分芯，其中一种组分包含较高强度的材料，另一种组分包含较低强度材料。这样的多组分芯可特别用于提高整个芯的总强度而不需要更昂贵的高强度材料。较低和/或较高强度组分可包含含嵌入热塑性基体内之连续纤维的条带。
另外，应理解，本发明的范围决不局限于上述实施方案。例如，复合芯根据期望应用及所需要的性能可包含多种其他组分。额外的组分可由例如本文所述的连续纤维和其他材料形成。例如，在一个实施方案中，复合芯可包含不连续纤维(短纤维、长纤维等)的层以改善其横向强度。可调整不连续纤维的方向以使得这些纤维中至少一部分可相对于连续纤维的方向成一个角度布置。
电缆
根据本发明的实施方案，本发明电缆(例如，高压架空输电线)可包含含至少一个复合芯的电缆芯和围绕所述电缆芯的多个导电元件。电缆芯可以是单个复合芯，所述复合芯引入了上文提供的任意复合芯设计以及伴随的物理和热性质。或者，电缆芯可包含两个或更多个复合芯或复合绞股，所述复合芯具有相同或不同的设计，并且具有相同或不同的物理和热性质。这些两个或更多个复合芯可彼此平行组装(直线)或绞合(strand)在例如中央复合芯成员周围。
因此，在一些实施方案中，电缆可包含含由多个导电单元围绕的一个复合芯的电缆芯，而在另一些实施方案中，电缆可包含含两个或更多个复合芯的电缆芯，所述复合芯由多个导电元件围绕。例如，电缆芯可包含例如2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20个复合芯，或更多个(例如，37个复合芯)复合芯，其每个都可引入上文提供的任意复合芯设计以及伴随的物理和热性质。如本领域技术人员将认可的，复合芯可以以任何合适的方式排列、捆绑或取向。例如，复合芯可以是绞合的，例如，电缆芯可包含7个绞合复合芯或19个绞合复合芯。或者，复合芯可以是平行的，例如电缆芯包含一捆7个彼此平行排列的复合芯。
电缆可包含多个围绕电缆芯(例如，单个复合芯、多个绞合复合芯)的导电元件。导电元件可以是任意几何形状，可以是圆形(round/circular)线或梯形线等，并且包括其组合。导电元件可以是电缆芯周围的1层、或2层、或3层、或4层等。导电元件可布置成与电缆芯平行或螺旋形组合件或其他合适布置。可使用任意数量的导电元件(例如，线)，但是电缆中导电元件的数量通常可以多达84个导电元件，通常为2至约50个。例如，在一些常见导体排布中，可使用7、19、26或37根线。
示例性的具有可在本发明的多个方案中使用的复合芯的传输电缆设计描述在Heil等人的美国专利No.7,21 1,319中，为了全部目的，其通过引用整体并入本文。
现在参阅图9，示出了电缆420的一个实施方案。如图所示，电缆420可包含多个导电元件422(例如，铝或其合金)，其径向排列在基本为圆柱形的电缆芯400周围，改图描绘为单个复合芯，但可以是多个绞合复合芯。导电元件可排布成单层或多层。在所示实施方案中，导电元件422排布形成第一同心层426和第二同心层428。电缆芯400的周围，导电元件422的形状可改变。在所示实施方案中，导电元件422具有大致为梯形的截面形状。也可使用其他形状，例如圆形、椭圆形、矩形、正方形等。导电元件422还可以以任何期望的几何构型(例如以螺旋方式)扭曲或卷绕在电缆芯400周围。
例如，参阅图10，示出了输电电缆420的另一实施方案。如图所示，输电电缆420可包含多个导电元件422(例如，铝或铝合金)，其径向排列在一捆大致为圆柱形的电缆芯400周围，所述电缆芯可根据本发明形成。图10示出了6个复合芯400围绕单个芯400，但是，以任何合适排布的任意合适数量的复合芯400在本公开内容的范围和精神内，并且可用作电缆芯。覆盖层519也在每个条状材的周长附近并且界定每个条状材的外表面。导电元件可排布成单层或多层。例如，在所示实施方案中，导电元件422排布形成第一同心层426和第二同心层428。当然，也可使用任意数量的同心层。也可改变导电元件422的形状以优化可布置在电缆芯周围的元件的数量。例如，在所示实施方案中，导电元件422具有大致为梯形的截面形状。也可使用其他形状，例如圆形、椭圆形、矩形、正方形等。导电元件422还可以以任何期望的几何构型(例如以螺旋方式)扭曲或卷绕在含一捆复合芯400的电缆芯周围。
单个导电元件的截面积的差异可能相当大，但一般地单个元件的截面积可以为约10至约50mm2，或约15至约45mm2。总导体面积(千圆密耳)可能可以为例如约167至约3500千圆密耳，约210至约2700千圆密耳，约750至约3500千圆密耳，或约750至约3000千圆密耳。约795、约825、约960和约1020千圆密耳的总导体面积通常可用在电缆的许多最终用途中，例如架空输电线中。例如，业内已知的常见钢芯铝绞电缆，其通常被称为795千圆密耳ACSR"Drake"导体电缆。
根据本发明的电缆的外径不限于任何特定范围。但是，通常电缆的外径可以为：例如约7至约50mm、约10至约48mm、约20至约40mm、约25至约35mm、或约28至约30mm。同样地，电缆中复合芯的截面积不限于任何特定范围。但是，复合芯的截面积可以为：例如约20至约140mm2、或30至约120mm2。
导电元件可由任何合适的导电或金属材料(包括各种合金)制成。导电元件可包含铜、铜合金、铝、铝合金或其组合。本文使用的适于“铝或铝合金”旨在共同地指示具有至少97重量％铝、至少98重量％铝、或99重量％铝的铝的级别或铝合金，包括纯铝或基本上纯铝。具有至少57％、至少58％、至少59％、至少60％、或至少61％(例如，59％至65％)的IACS电导率的铝合金或铝的级别可使用在本文公开的实施方案中，并且这包括任何可产生这样的电导率的方法(例如，退火、回火等)。例如，铝1350合金可用作本发明某些实施方案中的铝或铝合金。铝1350、其组成及其最小IACS描述在ASTM B233，该文章的公开内容通过引用整体并入本文。
在一些应用(例如，架空输电线)中，电缆的弧垂(sag)可能是重要特征。弧垂一般被认为是电缆离开跨度端点之间的直线的距离。塔跨度上的弧垂可影响离地净高，并且影响塔的高度和所需塔的数目。弧垂一般可随着跨度距离的平方增加，但是通常可通过提高电缆的抗拉强度和/或降低电缆的重量来降低。在本发明的一些实施方案中，对于NESC轻载，电缆的弧垂(额定温度(180℃)，300米水平跨度)为约3至约9.5m、约4.5至约9.5m、约5.5至约8m、或约6至约7.5m。同样地，对于NESC重载，在类似条件下，弧垂可以为约3至约9.5m、约3至约7.5m、约4.5至约7.5m、或约5至约7m。
在一些实施方案中，电缆的特征还在于应力参数为约10MPa或以上，在一些实施方案中为约15MPa或以上，在一些实施方案中为约20MPa至约50MPa。用于确定应力参数的方法详细描述在Johnson等人的美国专利No.7,093,416中，为了全部目的，其通过引用整体并入本文。例如，可测量弧垂和温度并且绘制成弧垂对温度的曲线。可将计算的曲线拟合于Alcoa Sag 10图解法的测量数据，该发方法可从商标SAG 10(版本3.0，更新3.10.10)的得自Southwire Company(Carrollton,GA)的软件程序获得。应力参数是SAG 10中标记为“内在铝应力”的拟合参数，如果使用铝之外的其材料(例如，铝合金)时，可改变应力参数以拟合于其他参数，并且其调整了预计曲线上拐点的位置，和高温下弧垂的量、拐点后的状态。应力参数的描述还可提供在Sag 10Users Manual(2.0版)中，其通过引用整体并入本文。
对于本文公开的主题，一般认为蠕变是电缆在负载下经过长一段时间的永久伸长。电缆长度蠕变的量可受工作时间长短、电缆上的负载、电缆的张力、所处的温度条件件等因素的影响。预期本文公开的电缆在15％、20％、25％和/或30％RBS(额定断裂应力，rated breaking stress)下10年蠕变值可能小于约0.25％、小于约0.2％、或小于约0.175％。例如，在15％RBS下10年蠕变值可能小于约0.25％，或小于约0.2％，或小于约0.15％，或小于约0.1％，或小于约0.075％。在30％RBS下10年蠕变值可能小于约0.25％，或小于约0.225％，或小于约0.2％，或小于约0.175％。这些蠕变值根据10年ACSR导体蠕变试验(Aluminum Association Creep Test rev.1999)确定，其通过引用整体并入本文。
根据本发明实施方案的电缆的最大工作温度可能高达约300℃、高达约275℃、或高达约250℃。本文提供的某些电缆的最大工作温度可能高达约225℃，或高达200℃，或高达180℃，或高达175℃。在本发明的各个实施方案中，最大工作温度可能为约100至约300℃，约100至约250℃，约110至约250℃，约120至约200℃，或约120至约180℃。
根据一些实施方案，电缆具有特定抗疲劳和/或抗振动特性可能是有益的。例如，电缆可通过(满足或超过)IEEE 1138(其通过引用并入本文)中指定的风激振动测试达1亿个循环。
在一些实施方案中，电缆可包含电缆芯和导电元件之间的材料的部分层或完整层。例如，所述材料可以是导电的或不导电的，可以是部分地或完整缠绕/覆盖电缆芯的带。所述材料可被配置成将电缆芯的个体复合芯元件保持或固定在一起。
在一些实施方案中，所述材料可包括金属或铝箔带，聚合物带(例如，聚丙烯带、聚酯带、铁氟龙带等)、玻璃加固带等。通常，材料(例如，带)的厚度可为约0.025mm至约0.25mm，但是厚度不限于该范围。
在一个实施方案中，可应用带或其他材料以使得随后的每一圈重叠在前一圈上。在另一些实施方案中，可应用带或其他材料以使得随后的每一圈与前一圈之间留有空隙。在另一些实施方案中，可应用带或其他材料以使得不重叠并且无空隙地邻接前一圈。在这些和另一些实施方案中，可将带或其他材料螺旋形应用在电缆芯周围。
在一些实施方案中，电缆可包含在电缆芯和导电元件之间的材料的部分或完整涂层。例如，材料可以是(或可包含)聚合物。合适的聚合物可包括但不限于：聚烯烃(例如，聚丙烯、丙烯-乙烯共聚物等)、聚酯(例如，聚对苯二甲酸丁二酯(PBT))、聚碳酸酯、聚酰胺(例如，NylonTM)、聚醚酮(例如，聚醚醚酮(PEEK))、聚醚酰亚胺、聚芳基酮(例如，聚苯二酮(PPDK))、液晶聚合物、聚芳硫醚(例如，聚苯硫醚(PPS)、聚(二苯硫醚酮)、聚(苯硫醚二酮)、聚(二苯硫醚)等)、含氟聚合物(例如，聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚聚合物、全氟-烷氧基烷烃聚合、四氟乙烯聚合物、乙烯-四氟乙烯聚合物等)、聚缩醛、聚氨酯、苯乙烯类聚合物(例如，丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS))、丙烯酸类聚合物、聚氯乙烯(PVC)等，包括它们的组合。另外，所述聚合物可以是弹性聚合物。所述涂层可以是导电的或不导电的，并且可包含多种在电线电缆应用中经常使用的添加物。在一些实施方案中，所述涂层可作为电缆芯的保护涂层。另外，涂层可用在例如复合芯不包含覆盖层的实例中，并且涂层部分地或完全覆盖条状材(或纤维芯)作为例如条状材的保护涂层。
在电缆芯包含两个或更多个复合芯(例如，复合绞股)的情况下，涂层可部分地或完全填充单个芯元件之间的空隙。
本发明还涵盖制备包含电缆芯和围绕电缆芯的多个导电元件的电缆的方法。一般地，可使用本领域技术人员已知的任何合适的方法生产包含本文公开的各种电缆芯布置和导体元件布置的电缆。例如，可使用刚性构架搓绞机，其能够旋转复合芯或绞股的线轴以安装电缆芯。在一些实施方案中，刚性构架搓绞机每一次机器旋转可使除了不扭曲的中央复合芯之外的全部复合芯或绞股扭曲一次。中央复合芯上的每一连续层可用圆形模头封闭。在施加最终层之后，可用带或其他材料固定包含复合芯或绞股的电缆芯。如果使用带，可用同轴上带机施加。所得具有带的电缆芯可收起在卷轴上。然后可通过相同的刚性构架搓绞机将电缆芯反馈用于在电缆芯周围施加多个导电元件。
根据本发明的实施方案，本文提供了输电方法。一种这样的输电方法可包括：(i)安装本文所公开的电缆，例如包含电缆芯和围绕电缆芯的多个导电元件，以及(ii)通过所述电缆输电。另一种输电方法可包括：(i)提供本文公开的电缆，例如，包含电缆芯和围绕电缆线的多个导电元件，以及(ii)通过所述电缆输电。在这些和另一些实施方案中，电缆、电缆芯和导电元件可以是本文公开的任意电缆、电缆芯和导电元件。例如，电缆可包含本文所述的任意复合芯，即，一个或更多个复合芯或绞股。
实施例：
通过以下实施例进一步说明了本发明，这些实施例在任何方面都不应解释为限制本发明的范围。在阅读本文的描述之后，在不脱离本发明的精神或所附权利要求的范围下，本领域技术人员将容易想到本发明的多个其他方面、实施方案、修改及其等价方案。
实施例1
最初用上文基本描述的挤出***形成两个连续纤维条带。连续纤维使用碳纤维粗纱(Toray T700SC，其包含12,000根抗拉强度4,900MPa，单位长度质量0.8g/m的碳丝)，每一单独条带包含4根粗纱。用于浸渍纤维的热塑性聚合物是聚苯硫醚(PPS)(PPS 205，得自Ticona,LLC)，其熔点为约280℃。每个条带包含50重量％碳纤维和50重量％PPS。条带厚度为约0.18mm，孔隙率小于1.0％。一旦形成，然后将条带输送进以20英尺/分钟运行的拉挤成形线。在成形之前，将条带在红外线烘箱(功率设定305)中加热。然后将加热条带输送给具有圆形通道的合并模头，该模头接受条状材条带并且将其压缩在一起，同时形成条状材的初始形状。在模头内，条带保持在约177℃的温度。在合并之后，然后将所得预制件用以1psig的压力供应环境空气的空气环/通道装置简单地冷却。然后使预制件通过在两个滚轴之间形成的夹缝，然后到达校准模头进行最终成形。在校准模头内，预制件保持在约140℃的温度。在离开该模头之后，用熔点350℃的聚醚醚酮(PEEK)涂覆所述轮廓。覆盖层的平均厚度为约0.1～0.15mm。然后将所得零件用气流冷却。所得复合芯的平均外径为约3.4～3.6mm，包含45重量％碳纤维、50重量％PPS和5重量％涂覆材料。
为了确定复合芯的强度性质，根据ASTM D790-10,Procedure A进行三点弯曲试验。支架和刀尖半径(nose radius)为0.25英寸，支架跨度为30mm，样品长度为2英寸，试验速度为2mm/分钟。所得弯曲模量为约31GPa，弯曲强度为约410MPa。零件的密度为1.48g/cm3，孔隙度小于约3％。弯曲半径为3.27cm。
实施例2
最初用上文基本描述的挤出***形成两个连续纤维条带。连续纤维使用碳纤维粗纱(Toray T700SC)，每一单独条带包含4根粗纱。用于浸渍纤维的热塑性聚合物是 PPS 205。每个条带包含50重量％碳纤维和50重量％PPS。条带厚度为约0.18mm，孔隙率小于1.0％。一旦形成，然后将条带输送进以20英尺/分钟运行的拉挤成形线。在成形之前，将条带在红外线烘箱(功率设定305)中加热。然后将加热条带输送进具有圆形通道的合并模头，该模头接受条带并且将其压缩在一起，同时形成条状材的初始形状。在模头内，条状材条带保持在约343℃的温度。在合并之后，然后将所得预制件用以1psig的压力供应环境空气的空气环/通道装置简单地冷却。然后使预制件通过在两个滚轴之间形成的夹缝，然后到达校准模头进行最终成形。在校准模头内，预制件保持在约140℃的温度。在离开该模头之后，用熔点280℃的 PPS 320涂覆所述轮廓。覆盖层的平均厚度为约0.1～0.15mm。然后将所得零件用气流冷却。所得复合芯的平均外径为约3.4～3.6mm，包含45重量％碳纤维、50重量％PPS和5重量％涂覆材料。
为了确定复合芯的强度性质，根据ASTM D790-10,Procedure A进行三点弯曲试验。支架和刀尖半径为0.25英寸，支架跨度为30mm，样品长度为2英寸，试验速度为2mm/分钟。所得弯曲模量为20.3GPa，弯曲强度为约410MPa。零件的密度为1.48g/cm3，孔隙度小于约3％。弯曲半径为4.37cm。
实施例3
最初用上文基本描述的挤出***形成两个连续纤维条带。连续纤维使用玻璃纤维粗纱(来自PPG的4588,其包含抗拉强度2,599MPa单位长度质量为0.0044磅/码(2.2g/m)的E-玻璃丝)，每一单独条带包含2根粗纱。用于浸渍纤维的热塑性聚合物是聚苯硫醚(PPS)(205，得自Ticona,LLC)，其熔点为约280℃。每个条带包含56重量％玻璃纤维和44重量％PPS。条带厚度为约0.18mm，孔隙率小于1.0％。一旦形成，然后将条带输送进以20英尺/分钟运行的拉挤成形线。在成形之前，将条带在红外线烘箱(功率设定330)中加热。然后将加热条带输送进具有圆形通道的合并模头，该模头接受条状材条带并且将其压缩在一起，同时形成条状材的初始形状。在合并之后，然后将所得预制件用环境空气简单地冷却。然后使预制件通过在两个滚轴之间形成的夹缝，然后到达校准模头进行最终成形。在校准模头内，预制件保持在约275℃的温度。在离开该模头之后，用205涂覆所述轮廓。覆盖层的平均厚度为约0.1～0.15mm。然后将所得零件用气流冷却。所得复合芯的平均外径为约3.4～3.6mm，包含50重量％玻璃纤维和50重量％PPS。
为了确定复合芯的强度性质，根据ASTM D790-10,Procedure A进行三点弯曲试验。支架和刀尖半径为0.25英寸，支架跨度为30mm，样品长度为2英寸，试验速度为2mm/分钟。所得弯曲模量为18GPa，弯曲强度为约590MPa。零件的孔隙度为0％。弯曲半径为1.87cm。
实施例4
最初用上文基本描述的挤出***形成两个连续纤维条带。连续纤维使用玻璃纤维粗纱每一单独条带包含2根粗纱。用于浸渍纤维的热塑性聚合物是Nylon 66(PA66)，其熔点为约250℃。每个条带包含60重量％玻璃纤维和40重量％Nylon66。条带厚度为约0.18mm，孔隙率小于1.0％。一旦形成，然后将条带输送进以10英尺/分钟运行的拉挤成形线。在成形之前，将条带在红外线烘箱(功率设定320)中加热。然后将加热条带输送进具有圆形通道的合并模头，该模头接受条带并且将其压缩在一起，同时形成条状材的初始形状。在合并之后，然后将所得预制件用环境空气简单地冷却。然后使预制件通过在两个滚轴之间形成的夹缝，然后到达校准模头进行最终成形。在校准模头内，预制件保持在约170℃的温度。在离开该模头之后，用Nylon 66涂覆所述轮廓。覆盖层的平均厚度为约0.1～0.15mm。然后将所得零件用气流冷却。所得复合芯的平均外径为约3.4～3.6mm，包含53重量％玻璃纤维、40重量％Nylon 66和7重量％涂覆材料。
为了确定复合芯的强度性质，根据ASTM D790-10,Procedure A进行三点弯曲试验。支架和刀尖半径为0.25英寸，支架跨度为30mm，样品长度为2英寸，试验速度为2mm/分钟。所得弯曲模量为19GPa，弯曲强度为约549MPa。零件的孔隙度为0％。弯曲半径为2.34cm。
实施例5
形成具有不同孔隙率水平的三个批次的8个芯。对于每个条状材，用上文基本描述的挤出***初始形成两个连续纤维条带。连续纤维使用碳纤维粗纱(Toray T700SC，其包含12,000根抗拉强度4,900MPa，单位长度质量0.8g/m的碳丝)，每一单独条带包含4根粗纱。用于浸渍纤维的热塑性聚合物是聚苯硫醚(“PPS”)( PPS 205，得自Ticona,LLC)，其熔点为约280℃。每个条带包含50重量％碳纤维和50重量％PPS。条带厚度为约0.18mm，孔隙率小于1.0％。一旦形成，然后将条带输送进以20英尺/分钟运行的拉挤成形线。在成形之前，将条带在红外线烘箱(功率设定305)中加热。然后将加热条带输送进具有圆形通道的合并模头，该模头接受条带并且将其压缩在一起，同时形成条状材的初始形状。在模头内，条带保持在约177℃的温度。在合并之后，然后将所得预制件用以1psig的压力供应环境空气的空气环/通道装置简单地冷却。然后使预制件通过在两个滚轴之间形成的夹缝，然后到达校准模头进行最终成形。在校准模头内，预制件保持在约140℃的温度。在离开该模头之后，用聚醚醚酮(“PEEK”)涂覆所述轮廓，聚醚醚酮的熔点为350℃。覆盖层的平均厚度为约0.1mm。然后将所得复合芯用气流冷却。所得复合芯的平均外径为约3.5mm，包含45重量％碳纤维、50重量％PPS和5重量％涂覆材料。
第一批次复合芯的平均孔隙率为2.78％。第二批次复合芯的平均孔隙率为4.06％。第三批次复合芯的平均孔隙率为8.74％。用CT扫描进行孔隙率测量。用Metrotom1500(2k×2k)高分辨率检测器扫描芯样品。用具有低概率阈值的增强的分析模式进行检测。一旦扫描了样品的孔隙率，用Volume Graphics软件解释3D扫描中的数据，并且计算每个样品中的空隙水平。
为了确定条状材的弯曲疲劳寿命和残余弯曲强度，根据ASTM D790进行三点弯曲疲劳试验。支架跨度为2.2英寸，样品长度为3英寸。每一批次的4个复合芯在160牛顿(“N”)负载下测试，每一批次的另4个样品在180N负载下测试，分别表示芯的约50％和55％初始(静)弯曲强度。每个样品在10赫兹(Hz)的频率下测试一百万个循环。
在疲劳试验之前和之后，为了确定条状材的各自的初始弯曲强度性质和残余弯曲强度性质，根据ASTM D790-10,Procedure A进行三点弯曲试验。记录在每一负载水平下每一批次的平均初始弯曲强度和残余弯曲强度。第三批次的所得初始弯曲强度为107ksi，第三批次的所得残余弯曲强度为75ksi，因此结果是降低约29％。第二批次的所得初始弯曲强度为108ksi，第二批次的所得残余弯曲强度为72ksi，因此结果是降低约33％。第一批次的所得初始弯曲强度为106ksi，第一批次的所得残余弯曲强度为105ksi，因此结果是降低约1％。
实施例6
图15示出了在实施例6中生产的电缆520。26个导电元件522形成第一层526和第二层528。电缆芯500是7个复合芯的绞股。电缆芯500和导电元件522之间的带530以螺旋排布部分地覆盖电缆芯500。
电缆的生产如下。将7个直径约3.5mm的复合芯绞合形成具有508mm捻距的绞合电缆芯。复合芯与上文实施例1中生产的类似。电缆芯用层压成玻璃纤维片的铝箔带和硅氧树脂基胶固定。将26个导体线如图15所示分两层放置在电缆芯和胶条带上方和周围。导体线的直径为约4.5mm，由完全退火的1350铝制成。电缆的最终抗拉强度为约19,760psi(136MPa)。
实施例7
图15示出了在实施例7中生产的电缆520。26个导电元件522形成第一层526和第二层528。电缆芯500是7个复合芯的绞股。电缆芯500和导电元件522之间的带530以螺旋排布部分地覆盖电缆芯500。
电缆的生产如下。将7个直径约3.5mm的复合芯绞合形成具有508mm捻距的绞合电缆芯。复合芯与上文实施例1中生产的类似。电缆芯用层压成玻璃纤维片的铝箔带和硅氧树脂基胶固定。将26个导体线如图15所示分两层放置在电缆芯和带上方和周围。导体线的直径为约4.5mm，由含锆的铝合金制成(约0.2～0.33％锆)。图16示出了实施例7的电缆的应力-应变数据。
根据在IEEE 1138中说明的风激振动测试测试实施例7的电缆的抗疲劳和抗振动特性。实施例7的电缆通过了风激振动测试达1亿个循环。
使用基于与实施例7类似的架空传输电缆的数学模型，估计实施例7的电缆的10年蠕变(伸长)值。在15％、20％、25％和30％RBS(额定断裂应力)下计算的10年蠕变值分别为约0.054％、约0.081％、约0.119％和约0.163％。
建设性实施例8
图17示出了在建设性实施例8中生产的电缆620。26个导电元件522可形成第一层626和第二层628。电缆芯600是7个复合芯的绞股。电缆芯600和导电元件622之间的带630以螺旋排布部分地覆盖电缆芯500。
图17的电缆可如下生产。可将7个直径约3.5mm的复合芯绞合形成具有508mm捻距的绞合电缆芯。复合芯与上文实施例1中生产的类似。电缆芯用层压成玻璃纤维片的铝箔带和硅氧树脂基胶固定。将26个导体线可如图17所示分两层放置在电缆芯和带上方和周围。导体可以是截面积约15～17mm2的梯形线，并且可由退火的1350铝(或含锆的铝合金)制造。

Claims (20)

1.一种电缆，其包含：
(a)电缆芯，所述电缆芯包含至少一个复合芯，所述复合芯包含：
(i)至少一根条状材，所述条状材包含多根合并的热塑性浸渍的粗纱，所述粗纱包含纵向取向的连续纤维和嵌入有所述纤维的热塑性基体，所述纤维的极限抗拉强度与单位长度的质量的比率大于1,000MPa/g/m，其中所述条状材包含25重量％至80重量％的纤维和20重量％至75重量％的热塑性基体，并且其中所述热塑性基体包括聚芳硫醚；和
(ii)围绕所述至少一根条状材的覆盖层，其中所述覆盖层包含聚醚醚酮并且包含低于10重量％的连续纤维；
其中所述复合芯的弯曲模量为至少10GPa；和
(b)围绕所述电缆芯的多个导电元件。
2.根据权利要求1所述的电缆，其中：
所述条状材包含30重量％至75重量％的纤维；
所述纤维包括碳纤维；
所述聚芳硫醚包括聚苯硫醚。
3.根据权利要求1所述的电缆，其中所述纤维的极限抗拉强度与单位长度的质量的比率为5,500MPa/g/m至20,000MPa/g/m。
4.根据权利要求1所述的电缆，其中所述复合芯的弯曲模量为15GPa至200GPa；并且
所述复合芯的极限抗拉强度为500MPa至3,500MPa。
5.根据权利要求1所述的电缆，其中所述复合芯的弹性模量为70GPa至300GPa；或者
所述复合芯的密度为1.2g/立方厘米至1.8g/立方厘米；或者
所述复合芯的强度与重量比为500MPa/(g/立方厘米)至1,100MPa/(g/立方厘米)；或者
所述复合芯的断裂伸长百分率为1％至2.5％；或者
所述复合芯在纵向上的线性热膨胀系数为-0.4ppm每℃至5ppm每℃；或者
所述复合芯的弯曲半径为1cm至50cm；或者
所述复合芯的孔隙率小于6％；或者
所述复合芯具有以上特征的任意组合。
6.根据权利要求1所述的电缆，其中：
所述条状材包含2至20根粗纱；和
每一根粗纱包含1,000至100,000根单独连续纤维。
7.根据权利要求1所述的电缆，其中所述电缆芯包含两个或更多个复合芯。
8.根据权利要求1所述的电缆，其中所述电缆芯是包含2至37个复合芯的绞合芯，每个所述复合芯具有圆形的截面形状。
9.根据权利要求1所述的电缆，其中所述电缆包含最多达84个导电元件，并且其中导电元件的总面积为167千圆密耳至3500千圆密耳。
10.根据权利要求1所述的电缆，其中：
所述导电元件包含铜、铜合金、铝、铝合金或它们的任意组合；或者
所述导电元件以2、3或4层排布在所述电缆芯的周围；或者
所述导电元件具有圆形的截面形状或梯形的截面形状；或者
以上特征的任意组合。
11.根据权利要求1所述的电缆，其中所述导电元件包含IACS电导率59％至65％的铝或铝合金。
12.根据权利要求1所述的电缆，其中所述电缆在180℃的额定温度、具有NESC轻载的300米水平跨度下的弧垂为3m至9.5m。
13.根据权利要求1所述的电缆，其中所述电缆在180℃的额定温度、具有NESC重载的300米水平跨度下的弧垂为3m至7.5m。
14.根据权利要求1所述的电缆，其中所述电缆的应力参数为20MPa至50MPa；或者
所述电缆在15％额定断裂应力下的10年蠕变值小于0.2％；或者
所述电缆在30％额定断裂应力下的10年蠕变值小于0.25％；或者
所述电缆的最大工作温度为100℃至250℃；或者
所述电缆具有以上特征的任意组合。
15.根据权利要求1所述的电缆，其中所述电缆通过风激振动测试达1亿个循环。
16.根据权利要求1所述的电缆，其还包含在所述电缆芯和所述多个导电元件之间的部分或完全带层。
17.根据权利要求1所述的电缆，其中所述电缆是高压架空传输电缆。
18.一种制作权利要求1至17中任一项所述的电缆的方法，所述方法包括：
(A)提供包含至少一个复合芯的电缆芯；和
(B)用多个导电元件围绕所述电缆芯。
19.根据权利要求18所述的方法，其还包括在步骤(B)之前用带部分地或完全地缠绕所述电缆芯的步骤。
20.根据权利要求18所述的方法，其还包括在步骤(B)之前用聚合物材料部分地或完全地涂覆所述电缆芯的步骤。
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