КОМПОЗИЦИОННЫЙ НЕСУЩИЙ ЭЛЕМЕНТ
COMPOSITE BEARING ELEMENT

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве несущих тросов и силовых элементов в конструкциях проводов и кабелей, предназначенных для подвески на опорах воздушных линий электропередачи и связи и для стационарной прокладки.
Известен композиционный несущий элемент, содержащий внутренний несущий элемент, выполненный из полимерного связующего, непрерывно армированного базальтовым волокном, при этом внутренний несущий элемент охвачен промежуточным слоем, выполненным из волокон углеродного материала и полимерного связующего, поверх промежуточного слоя расположена внешняя оболочка из волокон на основе стекла и полимерного связующего (патент РФ №131230 «Поликомпозиционный несущий сердечник для электрического провода и способ его производства, а также электрический провод, содержащий такой сердечник» с приоритетом от 20.10.2011).
Недостатками данного элемента являются: - невозможность длительного использования при высоких температурах. Это связано с использованием в конструкции трех разнородных волокон, имеющих различные значения коэффициентов термического расширения, что приводит к появлению при температурах 180-200°С дополнительных внутренних термических напряжений, отрицательно влияющих на работоспособность несущего элемента и, не смотря на использование высокопрочных волокон, эксплуатационная прочность элемента невелика. Кроме того, максимальная рабочая температура стандартных эпоксидных смол не превышает 130°С, предельная (пиковая) кратковременная температура не превышает 150°С, в то время как современные требования регламентируют рабочую температуру проводов не ниже 180°С, а пиковую температуру - 210°С, а при таких температурах несущая способность композитного несущего элемента снижается - вплоть до его разрушения. Существуют термостойкие эпоксидные смолы, рабочая температура которых достигает 250°С за счет их модификации, например, фенолоформальдегидными резольными и кремнийорганическими смолами, но при этом одновременно прочность эпоксидной матрицы при повышенных температурах уменьшается на 30-50%; - невысокий рабочий ресурс в условиях действия изгибающих статических (налипание снега и гололеда на провода) и динамических (вибрация и пляска проводов) нагрузок, так как при достаточных прочностных свойствах на растяжение композиционного элемента, эпоксидное связующее остается хрупким и прочность эпоксидного связующего на изгиб мала.
Из-за хрупкости связующего и особенностей громоздкой конструкции многослойный несущий элемент выполняется одножильным с относительно большим минимальным диаметром, что не позволяет повысить гибкость несущего элемента.
Известно, что эпоксидная смола не является взрывоопасной, но горит в источнике огня.
Известен композиционный несущий элемент, описанный в патенте РФ №2386183 «Композиционный несущий сердечник для внешних токоведущих жил проводов воздушных высоковольтных линий электропередачи и способ его производства» с приоритетом от 04.12.2008 и выбранный в качестве прототипа.
Данный композиционный несущий элемент выполнен из термореактивного полимерного связующего, непрерывно армированного базальтовым волокном со степенью наполнения 30-85 мас %, при этом термореактивное связующее (матрица) представляет собой эпоксидную композицию с температурой стеклования не менее 150-300°С, а несущий элемент может быть в виде одно- или многожильной конструкции.
Физико-механические свойства композиционного элемента определяются не только свойствами армирующего волокна, но и свойствами связующего.
Недостатками данного несущего элемента являются:
- невозможность длительного использования при высоких температурах. Использование эпоксидной композиции с температурой стеклования не менее 150-300°С говорит о том, что улучшение термостойкости матрицы проведено за счет ее модификации с помощью различных добавок, но при этом одновременно при повышенных температурах уменьшается прочность на растяжение эпоксидного связующего на 30-50%, ухудшаются адгезионные свойства и несущая способность композитного элемента снижается - вплоть до его разрушения;
- невысокий рабочий ресурс 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 несущему элементу достаточную 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 матрицей и армирующими волокнами, 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 несущего элемента.
Известно, что эпоксидная смола не является взрывоопасной, но горит в источнике огня.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание композиционного несущего элемента с повышенным рабочим ресурсом в условиях повышенных температур и действия изгибающих нагрузок.
Решением данной задачи является композиционный несущий элемент, выполненный из термореактивного полимерного связующего, непрерывно армированного базальтовым волокном, новым в котором является то, что термореактивное полимерное связующее модифицировано углеродными нанотрубками, концентрация которых равна 4,0-10,0 масс %.
Объемная доля базальтового волокна в связующем 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.
Несущий элемент может быть выполнен в виде одно- или многожильной конструкции.
Несущий элемент может быть покрыт защитной оболочкой из полимерного материала.
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 масс % многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) серии «Таунит» при их равномерном распределении позволило за счет объемного модифицирования изменить структуру матрицы и улучшить ее физико-механические характеристики, а, значит, и композиционного элемента в целом.
Установлено, что на свойства матрицы влияет ориентирование наполнителя МУНТ в матрице. При формировании композиционного элемента 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 элемента, что влияет на эксплуатационную прочность композиционного элемента за счет равномерного распределения матрицей всех действующих статических и динамических нагрузок между армирующими волокнами.
При такой структуре матрица с МУНТ представляют 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 элемента в целом, в том числе и при изгибающих нагрузках.
Проведенные исследования показали, что при концентрации 4,0-10,0 масс % МУНТ серии «Таунит»:
- предел прочности матрицы на изгиб возрос на 20-30%, при этом стойкость к изгибающей нагрузке композиционного элемента в целом увеличилась в 3-8 раз, а прочность на растяжение увеличилась в 2-3 раза (без ухудшения адгезионных свойствах матрицы к армирующим волокнам);
- термостойкость матрицы увеличилась на 70%, что позволяет без разрушения эксплуатировать несущий элемент при температуре 220°С;
- при максимальной концентрации 10,0 масс % МУНТ теплопроводность матрицы увеличилась в 2 раза, что исключает перегрев несущего элемента при работе при высоких температурах;
- МУНТ в матрице играют роль антипиренов и при наличии открытого огня МУНТ способствуют упрочнению и увеличению барьерных характеристик коксового слоя, образующегося на поверхности, в результате чего снижается горючесть композиционного материала.
При концентрации МУНТ менее 4,0 масс % расстояния между частицами МУНТ в матрице недостаточно для образования непрерывного усиливающего пространственного каркаса, то есть прочностные и температурные свойства матрицы не улучшаются. При концентрации МУНТ более 10,0 масс % дальнейшее улучшение свойств матрицы не происходит.
Использование многослойных углеродных нанотрубок серии «Таунит» обусловлено их высокой степенью чистоты, стабильностью свойств, 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 зависимости от условий эксплуатации и испытываемых напряжений композиционный несущий элемент может быть выполнен в виде одножильной конструкции или, благодаря повышенной прочности матрицы на изгиб, многожильной конструкции, состоящей, например, из семи элементов, каждый из которых имеет конструкцию по заявляемому техническому решению, что повышает гибкость несущего элемента и увеличивает эксплуатационную надежность.
Наличие оболочкой из полимерного материала, например, из поливинилхлорида или полиэтилена, позволяет защитить поверхность композиционного несущего элемента в условиях действия при эксплуатации сил трения.
Заявляемый композиционный несущий элемент изготавливают на стандартном оборудовании, по авторской технологии, основанной на личных знаниях и опыте работы автора, и в данной заявке не рассматривается.
Технология внесения МУНТ в матрицу, выбор оптимального состава композиционного элемента и конечное содержание компонентов для каждого отдельного случая исходя из технических и эксплуатационных требований, 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 одножильный заявляемый несущий элемент, на фиг. 2 - многожильный заявляемый несущий элемент с защитным покрытием.
Несущий элемент 1 содержит термореактивную матрицу 2 модифицированную углеродными нанотрубками (на чертеже не показаны), концентрация которых равна 4,0-10,0 масс %. Матрица 2 непрерывно армирована базальтовым волокном 3 со степенью объемного наполнения 60-80%. Несущий элемент 1 покрыт защитной оболочкой 4 из полимерного материала.
В качестве углеродных нанотрубок использованы многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ) серии «Таунит».
Несущий элемент 1 может быть выполнен в виде одно- или многожильной конструкции.
В качестве матрицы 2 использована термореактивная смола, например, эпоксидно-диановая смола ЭД-20 с отвердителем для эпоксидных смол (ПЭПА, ТЭТА, и т.д.).
В качестве полимерного материала для защитной оболочки 4 использованы поливинилхлорид или полиэтилен.
Для изготовления элемента 1 подготавливают нанотрубки в виде суспензии и активизируют их с помощью, например, ультразвука. После этого суспензию вводят в эпоксидную смолу (матрицу) 2 и тщательно перемешивают для равномерного распределения нанотрубок в матрице 2. После этого вводят отвердитель, пропитывают базальтовые волокна 3 и формуют элемент 1, который после полимеризации матрицы 2 готов к использованию. При необходимости методом скрутки из элементов 1 изготавливают многожильную конструкцию (фиг. 2). Оболочку 4 накладывают и на одножильную, и на многожильную конструкции несущего элемента 1.
В процессе эксплуатации в качестве, например, несущих тросов и силовых элементов в конструкциях проводов и кабелей, каждый несущий элемент 1 воспринимает нагрузки, направленные на растяжения и изгиб, надежно работает в условиях повышенных температур.
Повышенные физико-механические свойства несущего элемента 1 позволяют уменьшить его сечение, что дает возможность увеличить количество электропроводящих жил в конструкциях проводов и кабелей.