БИКОМПОНЕНТНЫЙ ПРОВОДНИК
BICOMPONENT CONDUCTOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в конструкциях многопроволочных проводов и тросов для воздушных линий электропередачи и линиях электрифицированного транспорта, усиливающих, питающих и отсасывающих линий.
Известен бикомпонентный проводник из металлического проводникового материала, содержащий упрочняющий сердечник, при этом сердечник выполнен, по крайней мере, из одного вида высокопрочных волокон с низкой плотностью, в том числе арамидных, углеродных, наноуглеродных, а на поверхность стержня нанесено покрытие из эпоксидной смолы - 0,7-2,0 мас.% (патент РФ №86345 «Проволока с упрочняющим сердечником» с приоритетом от 10.04.2009).
Недостатком данного проводника является то, что, не смотря на использование в качестве сердечника высокопрочных волокон, эксплуатационная прочность проводника невелика. Это связано с тем, что волокна связаны между собой только механически с помощью скрутки, а покрытие из эпоксидной смолы нанесено только на поверхность сердечника и играет роль защитного покрытия для исключения повреждения и разрушения при формировании сердечника. В такой конструкции сердечника при эксплуатации не обеспечено равномерное распределение статических и динамических нагрузок между всеми волокнами, что приводит к разрыву отдельных волокон, снижению прочностных свойств сердечника и проводника в целом, а также к преждевременной замене проводов, изготовленных с использованием данного проводника.
Известен бикомпонентный проводник из металлического проводникового материала, содержащий упрочняющий композитный сердечник, при этом сердечник выполнен из композиционного материала с матрицей из синтетической смолы, модифицированной углеродными нанотрубками, концентрация которых равна 0,001-2,0 мас.%, в качестве синтетической смолы использована эпоксидная смола (патент РФ №2387035 «Проволока с композиционным сердечником» с приоритетом от 10.04.2009).
Недостатками данного проводника являются:
- невозможность использования проводника и проводов, изготовленных с использованием данного проводника, при высоких температурах. Это объясняется тем, что максимальная рабочая температура эпоксидных смол не превышает 130°С, предельная (пиковая) кратковременная температура не превышает 150°С, в то время как современные требования регламентируют рабочую температуру высоковольтных проводов не ниже 180°С, а пиковую температуру - 210°С, а при таких температурах несущая способность композитного сердечника снижается - вплоть до его разрушения. Существуют термостойкие эпоксидные смолы, рабочая температура которых достигает 250°С за счет их модификации фенолоформальдегидными резольными и кремнийорганическими смолами, но при этом одновременно прочность эпоксидной матрицы при повышенных температурах уменьшается на 30-50 %;
- невысокий рабочий ресурс проводника и проводов, изготовленных с использованием данного проводника, в условиях действия изгибающих статических (налипание снега и гололеда на провода) и динамических (вибрация и пляска проводов) нагрузок. Это связано с тем, что сердечник представляет собой полимерный нанокомпозит, в котором углеродные нанотрубки использованы только в качестве модифицирующей добавки к полимерной матрице для увеличения прочностных свойств матрицы на растяжение, при этом прочность матрицы на изгиб мала;
- невозможность длительной эксплуатации проводника и проводов, изготовленных с использованием данного проводника, в условиях больших статических растягивающих нагрузок (при натяжении проводов между опорами, при налипании снега и гололеда). Это связано с тем, что прочностных свойств модифицированной матрицы, которая принимает на себя все действующие нагрузки, недостаточно для обеспечения целостности сердечника при длительно действующих растягивающих нагрузках на весь срок эксплуатации.
Также известен бикомпонентный проводник, описанный в заявке РФ №2011153876 «Провод для воздушных линий электропередачи и способ его изготовления» с приоритетом от 29.12.2011 и выбранный в качестве прототипа.
Данный проводник из металлического проводникового материала содержит упрочняющий сердечник из термореактивного полимерного связующего, непрерывно армированного базальтовым волокном со степенью наполнения 30-95 мас.% (46-97 об.%), при этом термореактивное связующее представляет собой эпоксидную композицию с температурой стеклования не менее 100°С и наномодифицировано, например, вискерами или графенами.
Недостатками данного проводника является невозможность использования проводника и проводов, изготовленных с использованием данного проводника, при высоких температурах. Это объясняется тем, что в данной проволоке в качестве связующего использована эпоксидная композиция с температурой стеклования не менее 100°С, которая по определению характеризует верхнюю предельную рабочую температуру композиции. Но при температурах выше температуры стеклования эпоксидные композиции практически скачкообразно переходят в пластичное состояние и несущая способность композитного сердечника снижается, что создает большие проблемы при эксплуатации систем энергоснабжения, так как современные требования регламентируют рабочую температуру высоковольтных проводов не ниже 180°С, а пиковую температуру 210°С. У термостойких эпоксидных смол рабочая температура которых достигает 250°С за счет их модификации с помощью различных добавок, при повышенных температурах прочность на растяжение уменьшается на 30-50 % при одновременном ухудшении адгезионных свойств смол;
- невысокий рабочий ресурс проводника и проводов, изготовленных с использованием данного проводника, в условиях действия изгибающих статических (налипание снега и гололеда на провода) и динамических (вибрация и пляска проводов) нагрузок. Это связано с тем, что, не смотря на армирование композиционного материала базальтовыми волокнами, которые обеспечивают сердечнику достаточную эксплуатационную прочность на растяжение, эпоксидная матрица имеет низкие прочностные свойства на изгиб, которые особенно проявляются при ухудшенных адгезионных свойствах матрицы. В этой ситуации при длительном действии статических и динамических нагрузок происходит ослабление связей между связующим и армирующими волокнами и матрица перестает выполнять свою основную функцию - равномерное распределение статических и динамических нагрузок между всеми армирующими волокнами, а следствием является разрыв отдельных волокон, снижение прочностных свойств сердечника и проводника в целом, а также приводит к преждевременной замене проводов, изготовленных с использованием данного проводника.
Кроме того, улучшение свойств наномодифицированием связующим вискерами или графенами невозможно, так как не существует воспроизводимых и относительно дешевых промышленных способов получения вискеров и графена с заданными характеристиками и все работы по их использованию проводятся только в лабораторных условиях, а в научно-технической литературе отсутствуют сведения о возможных концентрациях графена и вискеров и о их влиянии на свойства термореактивных связующих.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание бикомпонентного проводника с повышенным рабочим ресурсом в условиях повышенных температур и действия изгибающих нагрузок.
Решением данной задачи является проводник из металлического проводникового материала, содержащий упрочняющий композиционный сердечник из наномодифицированного термореактивного полимерного связующего, непрерывно армированного базальтовым волокном, новым в которой является то, что термореактивное полимерное связующее модифицировано углеродными нанотрубками, концентрация которых равна 4,0-10,0 мас.%.
Объемная доля базальтового волокна в матрице составляет 60-80 %.
В качестве углеродных нанотрубок могут быть использованы многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ) серии «Таунит».
В качестве термореактивного полимерного связующего может быть использована эпоксидная смола.
В качестве металлического проводникового материала использованы медь, и/или алюминий, или их сплавы.
Прогнозирование свойств композитов при определенных концентрациях наполнителей нанометрового диапазона является очень сложной задачей, которая может быть решена только путем проведения соответствующих исследований.
Опытным путем установлено, что внесение в эпоксидную матрицу 4,0-10,0 мас.% многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) серии «Таунит» при их равномерном распределении позволило за счет объемного модифицирования измененить структуру матрицы и улучшить ее физико-механические характеристики и композиционного сердечника в целом.
Установлено, что на свойства матрицы влияет ориентирование наполнителя МУНТ в матрице. При формировании композиционного сердечника в процессе полимеризации происходят в матрице микроусадочные явления, которые приводят к объемному ориентированию МУНТ. Кроме того, в приграничном слое между матрицей и МУНТ происходит увеличение степени кристалличности матрицы, плотность матрицы в этом слое повышается в сравнении с объемной фазой и структура матрицы в приграничном слое становится упорядоченной (эффект ориентации). Таким образом, происходит изменение структуры матрицы: в объеме матрицы образован непрерывный усиливающий пространственный каркас, сформированный из МУНТ, связанных структурированными прослойками матрицы. Структура такого каркаса с усиленной матрицей оказывает существенное влияние на физико-механические характеристики матрицы, а так как базальтовые волокна находятся внутри этого каркаса и являются составной частью этой системы, обеспечена монолитность композиционного сердечника, что влияет на эксплуатационную прочность композиционного сердечника за счет равномерного распределения матрицей всех действующих статических и динамических нагрузок между армирующими волокнами.
При такой структуре матрица с МУНТ представляет собой связанную систему, в которой при образовании микротрещин фронт трещин не взаимодействует с отдельными армирующими частицами МУНТ, которые в данной структуре не являются концентраторами напряжений, и энергия разрушения затухает, что говорит о повышении трещиностойкости матрицы и повышении рабочего ресурса композиционного сердечника в целом, в том числе и при изгибающих нагрузках.
Проведенные исследования показали, что при концентрации 4,0-10,0 мас.% МУНТ серии «Таунит»:
- предел прочности матрицы на изгиб возрос на 20-30 %, при этом стойкость к изгибающей нагрузке композиционного сердечника в целом увеличилась в 3-8 раз, а прочность на растяжение увеличилась в 2-3 раза;
- термостойкость матрицы увеличилась на 70 %, что позволяет без разрушения эксплуатировать бикомпонентный проводник и провода с использованием данных проводников при температуре 220°С;
- при максимальной концентрации 10,0 мас.% МУНТ теплопроводность матрицы увеличилась в 2 раза, что исключает перегрев сердечника при работе при высоких температурах.
При концентрации МУНТ менее 4,0 мас.% расстояния между частицами МУНТ в матрице недостаточны для образования непрерывного усиливающего пространственного каркаса, то есть прочностные и температурные свойства матрицы не улучшаются. При концентрации МУНТ более 10,0 мас.% дальнейшее улучшение свойств матрицы не происходит.
Использование многослойных углеродных нанотрубок серии «Таунит» обусловлено их высокой степенью чистоты, высокой совместимостью с эпоксидной матрицей и налаженным промышленным производством на территории РФ.
В композите объемная доля базальтового волокна 60-80 % является оптимальной и позволяет наиболее полно реализовать механические характеристики волокна в получаемом композите. При степени армирования более 80 % недостаток связующего для заполнения межволоконного пространства приводит к нарушению монолитности композита и, соответственно, к появлению в нем неравномерности напряжений, приводящих к разрушению при меньших значениях механических напряжений, чем для монолитных образцов. При степени армирования менее 60 % матрица под действием нагрузок деформируется, в том числе и в межволоконном пространстве, и увлекает волокна за собой, что приводит к их разрушению.
В качестве металлического проводникового материала (далее - покрытие) в заявляемом проводнике могут использоваться медь и/или алюминий или их сплавы. При этом для проводов воздушных линий электропередач в качестве покрытия используют алюминий или сплав марки ABE (ГОСТ 839-80) как легкие и дешевые материалы с хорошей электропроводимостью; в линиях электрифицированного транспорта в качестве несущих тросов, усиливающих, питающих и отсасывающих линий используют медь или бронзу, как материалы с повышенной электропроводимостью. Для дополнительного увеличения на 5-15 % допустимой пропускной способности алюминиевой проволоки с сердечником на ее поверхность накладывают слой медного покрытия, площадь сечения которого соответственно равна 10-30 % от общей площади сечения покрытия, при этом площадь сечения проводника не увеличивается.
Заявляемый проводник и сердечник для него изготавливаются на стандартном оборудовании, по авторской технологии, основанной на личных знаниях и опыте работы автора, и в данной заявке не рассматриваются.
Технология внесения МУНТ в матрицу и выбор их конкретной концентрации для каждого отдельного случая являются авторскими разработками и в данной заявке не рассматриваются.
При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической литературы не обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков для решения поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».
Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлен заявляемый проводник с покрытием из одного слоя металлического проводникового материала, на фиг. 2 - проводник с покрытием из двух слоев металлического проводникового материала, а на фиг. 3 - пример выполнения электрического провода из заявляемых проводников.
Проводник 1 из металлического проводникового материала 2 содержит композиционный упрочняющий сердечник 3, в котором термореактивная матрица 4 модифицирована углеродными нанотрубками, концентрация которых равна 4,0-10,0 мас.%, и непрерывно армирована базальтовым волокном 5 со степенью объемного наполнения 60-80 %.
В качестве металлического проводникового материала могут быть использованы медь, алюминий, их сплавы или покрытие может быть выполнено из слоя 6 алюминия и слоя 7 меди. В качестве синтетической смолы использована термореактивная смола, например эпоксидно-диановая смола ЭД-20 с отвердителем для эпоксидных смол (ПЭПА, ТЭТА, и т.д.).
Для изготовления сердечника 3 подготавливают нанотрубки в виде суспензии и активизируют их с помощью, например, ультразвука. После этого суспензию вводят в эпоксидную смолу (матрицу) и тщательно перемешивают для равномерного распределения матрицы между нанотрубками. После этого вводят отвердитель, пропитывают базальтовые волокна 5 и формуют сердечник 3. Проводник 1 получают путем совместной деформации оболочки из проводникового материала 2 и сердечника 3.
Затем из полученных проводников 1 методом скрутки изготавливают провода, которые используют по назначению. Приведенный на фиг. 1 пример является не единственной конструкцией таких проводов.
В электрическом проводе, выполненном из заявляемых проводников 1, в процессе эксплуатации каждый их упрочняющих сердечников 3 воспринимает нагрузки, направленные на растяжения и изгиб провода, а слой 2 из металлического проводникового материала (меди, алюминия) обеспечивает повышенную электрическую проводимость каждого проводника 1 провода.
Кроме того, при двухслойном покрытии с внешним слоем 7 из меди обеспечиваются хорошие контактные свойства проволоки 1 (проводов), необходимые для соединения с выводами электротехнических устройств и соединения проводников (проводов) между собой.