用于电传输缆的复合芯.pdf

本发明提供一种用于诸如高压传输缆的电缆的复合芯。该复合芯含有至少一个棒，所述至少一个棒包括被覆盖层环绕的连续纤维元件。该连续纤维元件是由多根包埋于热塑性聚合物基质内的单向排列的纤维粗纱形成。本发明者已发现，可通过下述方式来显著改善热塑性聚合物基质浸渍粗纱的程度：通过对浸渍过程进行选择性控制；也可通过在棒的形成和成型期间以及最终棒的几何形状的校准期间对施加给粗纱的压缩程度进行控制。该经充分浸渍的棒具有非常小的空隙率，从而产生了极好的强度性能。值得注意的是，在棒中无需不同纤维类型的情况下即可获得期望的强度性能。

权利要求书
1.  一种电传输缆的芯，其中所述芯沿纵向方向延伸并且包括：
至少一个含有连续纤维元件的棒，所述连续纤维元件包括多根固化热塑性浸渍粗纱，所述粗纱含有沿纵向方向定向的连续纤维和包埋所述连续纤维的热塑性基质，所述连续纤维具有的极限抗拉强度与每单位长度质量的比率大于约1,000兆帕／克／米，其中所述连续纤维占棒的约25wt.％至约80wt.％，而热塑性基质占棒的约20wt.％至约75wt.％；以及
环绕连续纤维元件的覆盖层，其中覆盖层不含连续纤维；
其中，棒具有约10千兆帕的最小弯曲模量。

2.  如权利要求1所述的芯，其中，所述连续纤维具有的极限抗拉强度与每单位长度质量的比率为从约5,500兆帕／克／米至约20,000兆帕/克/米。

3.  如权利要求1所述的芯，其中，所述连续纤维是碳纤维。

4.  如权利要求1所述的芯，其中，所述热塑性基质包括聚芳硫醚。

5.  如权利要求4所述的芯，其中，所述聚芳硫醚是聚苯硫醚。

6.  如权利要求1所述的芯，其中，所述连续纤维占所述棒的约30wt.％至约75wt.％。

7.  如权利要求1所述的芯，其中，所述棒具有约3％或更小的空隙率。

8.  如权利要求1所述的芯，其中，所述棒具有约15千兆帕至约200千兆帕的弯曲模量。

9.  如权利要求1所述的芯，其中，所述棒具有约300兆帕或更大的极限抗拉强度。

10.  如权利要求1所述的芯，其中，所述棒具有约50千兆帕或更大的弹性拉伸模量。

11.  如权利要求1所述的芯，其中，所述棒由4根至20根粗纱形成。

12.  如权利要求1所述的芯，其中，所述连续纤维大致均匀地围绕所述棒的纵向中心分布。

13.  如权利要求1所述的芯，其中，每一根粗纱含有约1,000至约100,000根独立的连续纤维。

14.  如权利要求1所述的芯，其中，所述棒具有约0.1毫米至约50毫米 的直径。

15.  如权利要求1所述的芯，其中，所述棒具有圆形横截面形状。

16.  如权利要求1所述的芯，其中，所述覆盖层含有介电强度为至少约2KV／mm的热塑性聚合物。

17.  一种形成电传输缆的芯的方法，所述芯在纵向方向上延伸，其中所述方法包括：
用热塑性基质浸渍多根粗纱以及固化这些粗纱以形成条带，其中所述粗纱包括沿纵向方向定向的连续纤维，所述连续纤维具有的极限拉伸强度与每单位长度质量的比率大于约1,000兆帕/克/米，其中所述连续纤维占所述条带的约25wt.％至约80wt.％，而所述热塑性基质占所述条带的约20wt.％至约75wt.％；
加热所述条带；
将经加热的条带牵引经过至少一个成形模具以将条带压缩并定型为棒；以及
将覆盖层施加至所述棒。

18.  如权利要求17所述的方法，其中，所述棒具有圆形或椭圆形的横截面形状。

19.  如权利要求17所述的方法，其中，所述覆盖层通过使所述棒穿过十字头模具而形成。

20.  如权利要求17所述的方法，其中，所述连续纤维是碳纤维。

21.  如权利要求17所述的方法，其中，所述热塑性基质包括聚芳硫醚。

22.  如权利要求17所述的方法，其中，所述连续纤维占所述条带的约30wt.％至约75wt.％。

23.  如权利要求17所述的方法，其中，所述条带具有约2％或更小的空隙率。

24.  如权利要求17所述的方法，其中，采用1根至20根独立的条带来形成预制件。

25.  如权利要求17所述的方法，其中，在红外烤箱内加热所述条带。

26.  如权利要求17所述的方法，其中，使所述粗纱在所述条带中彼此等距地间隔开。

27.  如权利要求17所述的方法，其中，在挤出装置内浸渍所述粗纱。

28.  如权利要求27所述的方法，其中，使所述粗纱以曲折路径横穿所述挤出装置。

29.  如权利要求27所述的方法，其中，歧管组件将所述热塑性基质供应至所述挤出装置，所述歧管组件包括热塑性基质所流经的分支流道。

30.  如权利要求17所述的方法，其中，当用所述热塑性基质进行浸渍时，所述粗纱处于张力下。

31.  如权利要求17所述的方法，其中，将所述经加热的条带牵引穿过固化模具以及后续校准模具以压缩所述条带。

32.  如权利要求17所述的方法，其中，使所述棒在离开所述固化模具之后且在进入校准模具之前冷却。

33.  如权利要求17所述的方法，其中，所述覆盖层不含连续纤维。

34.  如权利要求17所述的方法，其中，所述条带具有约3％或更小的空隙率。

说明书用于电传输缆的复合芯
技术领域
本申请涉及于2011年4月12日提交的名称为“具有复合芯的电传输缆”的美国临时专利申请No.61／474,423，和于2011年4月12日提交的名称为“用于电传输缆的复合芯”的美国临时专利申请No.61／474,458，这两件美国临时专利申请都通过引用方式结合于此。
背景技术
复合导线结构通常用作用于向用户传输电的传输线或电缆。复合传输线构造的实例包括：例如，铝导体复合芯(ACCC)增强电缆和铝导体钢增强(ACSR)电缆。ACSR电缆典型地包括环绕钢内芯的铝外导电层。传输线被设计为不仅有效地传输电，而且还必须坚固且耐温，尤其当将传输线系在塔上并拉伸很长距离时。实际上，使用基于钢的传输线的主要缺点之一是：当在较高温度下操作时，电缆趋于形成不可接受的下垂。
为改善传输线的性能，人们已尝试用高强度聚合物来构造电缆芯。例如，Hiel等人的美国专利No.7,179,522描述了一种复合芯，所述复合芯由被玻璃纤维-增强环氧树脂外芯环绕的碳纤维-增强环氧树脂内芯形成。根据Hiel等人，优选使用至少两种不同纤维类型(碳纤维和玻璃纤维)来达到强度、硬度和挠性的组合。然而，含有一种以上纤维类型的复合芯已遇到困难。例如，由于玻璃纤维和碳纤维具有不同的热膨胀系数，因此在成形期间施加给纤维的热可导致玻璃纤维以不同于碳纤维的速率膨胀。在冷却时，收缩的玻璃迫使碳处于压缩状态并在芯中产生残余应力。人们已数次尝试使用单一纤维类型来制造芯。例如，Bryant等人的美国专利公开No.2005／0186410描述了尝试将碳纤维包埋于热塑性树脂中以形成单一纤维复合芯。令人遗憾的是，这些芯由于纤维的不充分润湿而显示出缺陷及干斑，从而导致耐久性和强度差。此外，碳易于与铝发生流电反应，从而可能导致电缆的腐蚀和失效。这些芯的另一问题是热塑性树脂不能在高温下操作。由于这些原因，Bryant等人研 发出含有用热固性环氧树脂基质包埋的S-2玻璃纤维的单一纤维芯。虽然这些芯消除了二纤维系统的问题，然而它们缺乏期望的强度水平。此外，在许多制造过程中使用热固性树脂是有问题的，且这些树脂也缺乏与其他材料形成层的良好结合特性。
因此，目前存在对单一纤维型复合芯的需要，所述单一纤维型复合芯由热塑性材料形成，且仍能够达到具体应用所要求的期望强度、耐久性和温度性能。
发明内容
根据本发明的一个实施例，公开了一种在纵向方向上延伸的电传输缆芯。该芯包括含有连续纤维元件的至少一个棒，所述连续纤维元件包括多根固化热塑性树脂浸渍粗纱。这些粗纱含有沿纵向方向定向的连续纤维和包埋所述连续纤维的热塑性基质。这些连续纤维具有的极限拉伸强度与每单位长度质量的比率大于约1,000兆帕／克／米。所述连续纤维占所述棒的约25wt.％至约80wt.％，而热塑性基质占所述棒的约20wt.％至约75wt.％。不含连续纤维的覆盖层环绕所述连续纤维元件。棒具有约10千兆帕的最小弯曲模量。
根据本发明的另一个实施例，公开了一种形成电传输缆芯的方法。该方法包括用热塑性基质浸渍多根粗纱以及固化这些粗纱以形成条带，其中这些粗纱包括沿纵向方向定向的连续纤维。这些连续纤维具有的极限拉伸强度与每单位长度质量的比率大于约1,000兆帕／克／米。连续纤维占该条带的约25wt.％至约80wt.％，而热塑性基质占该条带的约20wt.％至约75wt.％。将条带加热至热塑性基质的熔融温度或更高的温度，并牵引条带经过至少一个成形模具以将条带压缩并定型成棒。将覆盖层施加至该棒。
根据本发明的又一个实施例，公开了一种制造电缆的方法。该方法可包括提供包括至少一个复合芯的电缆芯，以及用多个导电元件环绕电缆芯。复合芯可包括至少一个棒，所述至少一个棒包括多根固化热塑性浸渍粗纱。这些粗纱可包括沿纵向方向定向的连续纤维和包埋所述连续纤维的热塑性基质。这些连续纤维可具有的极限拉伸强度与每单位长度质量的比率大于约1,000MPa／g／m。典型地，该棒可包括约25wt.％至约80wt.％的连续纤维和约20wt.％至约75wt.％的热塑性基质。覆盖层可环绕所述至少一个棒，而且覆 盖层通常可不含连续纤维。在这些和其他实施例中，复合芯可具有大于约10GPa的弯曲模量。
下文将更详细地阐述本发明的其他特征和方面。
附图说明
在包括参照附图的说明书的其余部分中，更具体地阐述了本发明的完整且可实现的公开内容，该公开内容包括对于本领域技术人员来说最佳的实施例，附图中：
图1是用于本发明中的固化条带的一个实施例的透视图；
图2是用于本发明中的固化条带的另一个实施例的剖视图；
图3是用于本发明中的浸渍系统的一个实施例的示意图；
图4是图3所示浸渍模具的剖视图；
图5是可用于本发明中的浸渍模具的歧管组件和门通道的一个实施例的分解图；
图6是可用于本发明中的至少部分地限定了浸渍区域的板的一个实施例的透视图；
图7是可用于本发明中的拉挤成形系统的一个实施例的示意图；
图8是本发明的棒的一个实施例的透视图；
图9是根据本发明制成的电传输缆的一个实施例的透视图；
图10是根据本发明制成的电传输缆的另一个实施例的透视图；
图11是根据本发明可使用的各种校准模具的一个实施例的俯视剖视图；
图12是根据本发明可使用的校准模具的一个实施例的侧剖视图；
图13是根据本发明可使用的校准模具的一个实施例的一部分的主视图；和
图14是根据本发明可使用的成形辊的一个实施例的主视图。
在本说明书和附图中重复使用附图标记旨在表示本发明的相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
本领域技术人员应理解的是，本论述仅仅是对示例性实施例的说明，并 不用来限制本发明的更宽方面。
一般而言，本发明针对一种用于诸如高压传输缆的电缆的复合芯。该复合芯含有至少一个棒，所述至少一个棒包括被覆盖层环绕的连续纤维元件。该连续纤维元件由多根包埋于热塑性聚合物基质内的单向排列纤维粗纱形成。本发明者已发现：可通过下述方式来显著改善用热塑性聚合物基质浸渍粗纱的程度：通过对浸渍过程进行选择性控制，也可通过在棒的成形和定型期间以及最终棒的几何形状的校准期间对施加给粗纱的压缩程度进行控制。该充分浸渍的棒具有非常小的空隙率，从而产生了极好的强度性能。值得注意的是，在棒中无需不同纤维类型的情况下可达到期望的强度性能。
本文所用的术语“粗纱”通常指一捆或一束单纤维。含在粗纱内的纤维可以是扭转的或可以是直的。尽管在单个或不同粗纱中可使用不同纤维，但通常期望这些粗纱中的每一个粗纱含有单纤维类型，以最小化使用具有不同热膨胀系数的材料的任何不利影响。在粗纱中所用的连续纤维相对于它们的质量具有高程度的拉伸强度。例如，纤维的极限拉伸强度典型地为约1,000至约15,000兆帕(“MPa”)，在一些实施例中，为约2,000MPa至约10,000MPa，而在一些实施例中，为约3,000MPa至约6,000MPa。即使纤维具有相对轻的重量，诸如每单位长度的质量为约0.1克／米至约2克／米，仍可达到所述拉伸强度，在一些实施例中，每单位长度的质量为约0.4克／米至约1.5克／米。每单位长度的质量与拉伸强度的比率因此可以为约1,000兆帕/克/米(“MPa/g/m”)或更大，在一些实施例中，为约4,000MPa／g／m或更大，而在一些实施例中，为约5,500MPa／g/m至约20,000MPa／g／m。这些高强度纤维可以是：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、石墨碳或金属涂覆的碳等)、硼纤维、陶瓷纤维(例如，氧化铝或二氧化硅)、芳族聚酰胺纤维(由E.I.duPont de Nemours，Wilmington，Del.销售的)、合成的有机纤维(例如，聚酰胺、聚乙烯、对亚苯基、对苯二甲酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚苯硫醚)、以及已知用于增强的热塑性组合物的各种其他天然或合成的无机或有机纤维材料。碳纤维尤其适于用作连续纤维，所述连续纤维通常具有的拉伸强度与质量的比率在约5,000MPa/g/m至约7,000MPa／g／m的范围内。连续纤维通常具有的标称直径为约4微米至约 35微米，并以及在一些实施例中，为约5微米至约35微米。每一根粗纱中所含的纤维数量可以是恒定的或针对各粗纱而改变。典型地，粗纱含有约1,000根纤维至约100,000根单独的纤维，而以及在一些实施例中，含有约5,000根纤维至约50,000根纤维。
多种热塑性聚合物中的任一种可用来形成包埋连续纤维的热塑性基质。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，聚对苯二甲酸丁二醇酯(“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、聚亚芳基酮(例如，聚亚苯基二酮(“PPDK”))、液晶聚合物、聚亚芳基硫醚(例如，聚苯硫醚(“PPS”)、聚(对亚联苯基硫醚酮)、聚(亚苯基硫醚二酮)、聚(对亚联苯基硫醚)等)、氟聚合物(例如，聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚聚合物、全氟-烷氧基烷烃聚合物，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。
通常选择热塑性基质的性质以在使用过程中达到棒的加工性和性能的期望组合。例如，热塑性基质的熔融粘度通常足够低，以使得聚合物可充分地浸渍纤维并定型为棒构造。就此而言，熔融粘度通常在约25帕斯卡-秒至约2,000帕斯卡-秒(“Pa-s”)的范围内，在一些实施例中，在50Pa-s至约500Pa-s的范围内，以及在一些实施例中，在约60Pa-s至约200Pa-s的范围内，这是在热塑性聚合物所用的操作条件(例如，约360℃)下确定的。同样，因为棒旨在在高温下使用(例如，高压传输缆)，故采用具有相对高熔融温度的热塑性聚合物。例如，这样的高温聚合物的熔融温度可以在约200℃至约500℃的范围内，在一些实施例中，在约225℃至约400℃的范围内，以及在一些实施例中，在约250至约350℃的范围内。
，基硫醚尤其适在本发明中用于作为具有理想熔融粘度的高温基质。例如，聚苯硫醚是半结晶树脂，其通常包括由下列通式表示的重复单体单元：

在聚合物中，这些单体单元通常占重复单元的至少80摩尔百分比，在一些实施例中，为至少90摩尔百分比。然而，应理解的是，聚苯硫醚可以包括 另外的重复单元，例如Gotoh等人的美国专利No.5,075,381中所述的，出于所有目的，将在此其全部内容以引用方式并入本文中。在应用时，这些附加的重复单元通常占聚合物的不超过约20摩尔百分比。市售高熔融粘度聚苯硫醚可以包括那些以商标名从Ticona，LLC(Florence，Kentucky)获得的。这类聚合物可具有约285℃的熔融温度(根据ISO11357-1、2、3而确定的)，和在310℃下约260帕斯卡-秒至约320帕斯卡-秒的熔融粘度。
根据本发明，通常采用挤出装置来用热塑性基质浸渍粗纱。此外，挤出装置有助于热塑性聚合物能够施加到纤维的整个表面上。已浸渍的粗纱也具有低的空隙率，这有助于增强其强度。例如，空隙率可以为约6％或更少，在一些实施例中为约4％或更少，在一些实施例中为约3％或更少，在一些实施例中为约2％或更少，在一些实施例中为约1％或更少，以及在一些实施例中，为约0.5％或更少。可使用本领域技术人员所熟知的技术来测量所述空隙率。例如，可使用“树脂烧掉”试验来测量所述空隙率，在该试验中，样品被置于烤箱中(例如在600℃保持3小时)以烧掉树脂。然后，可测量剩余纤维的质量来计算重量和体积分数。根据ASTM D2584-08进行该“烧掉”试验以确定纤维的重量与热塑性基质的重量，其然后可用来基于下面的公式而计算“空隙率”：
Vf＝100*(ρt-ρc)／ρt
其中，
Vf是空隙率，为百分比；
ρc是使用已知的技术(例如用液体或气体比重计(例如，氦比重计))测量的复合物的密度；
ρt是复合物的理论密度，其由以下等式而确定：

ρm是热塑性基质的密度(例如，在适当结晶度下)；
ρf是纤维的密度；
Wf是纤维的重量分数；
Wm是热塑性基质的重量分数。
可替代地，可根据ASTM D3171-09通过化学溶解树脂来确定空隙率。“烧掉”方法和“溶解”方法尤其适于玻璃纤维，玻璃纤维通常耐熔融和化学溶 解。然而，在其它情况下，可根据ASTM D2734-09(方法A)基于热塑性聚合物、纤维和条带(或带子)的密度而间接地计算空隙率，其中可通过ASTMD792-08方法A来确定密度。当然，也可使用常规显微装置，或通过使用计算机断层(CT)扫描装置(诸如Metrotom1500(2k×2k)高分辨率检测器)来估算空隙率。
参照图3，示出了该挤出装置的一个实施例。更具体地，该挤出装置包括挤出机120，该挤出机120包括有安装在桶122内部的螺旋轴124。加热器130(例如，电阻加热器)安装在桶122外部。在使用过程中，将热塑性聚合物原料127经由料斗126供应到挤出机120。热塑性原料127通过螺旋轴124输送到桶122内部并通过桶122内部的摩擦力和加热器130而被加热。在被加热时，原料127穿过桶凸缘128而离开桶122并且进入浸渍模具150的模具凸缘132。
将一根连续纤维粗纱142或多根连续纤维粗纱142自一个或多个卷轴144供应到模具150。粗纱142通常在浸渍之前保持分开一段距离，该距离诸如为至少约4毫米，在一些实施例中，为至少约5毫米。原料127可在模具内部通过安装于模具150中或其周围的加热器133而被进一步加热。模具通常在足以导致热塑性聚合物熔融和浸渍的温度下操作。通常，模具的操作温度高于热塑性聚合物的熔融温度，诸如在大约200℃至大约450℃的温度下。当以这种方式处理时，连续纤维粗纱142被包埋在聚合物基质中，所述基质可以是由原料127处理得到的树脂214(图4)。然后从浸渍模具150将混合物挤出以形成挤出物152。
压力传感器137(图3)检测浸渍模具150附近的压力，以允许通过控制螺旋轴124的旋转速度或进料器的进给速度来对挤出速率施加控制。即，压力传感器137定位于浸渍模具150附近，以使得挤出机120可以被操作以输送正确量的树脂214用于与纤维粗纱142相互作用。在离开浸渍模具150之后，挤出物152或已浸渍的纤维粗纱142在进入形成于两个相邻辊190之间的辊隙之前，可进入可选的预定型或引导部分(未示出)。尽管是可选的，但辊190可有助于将挤出物152固化成条带(或带子)形式，同时增强纤维浸渍和挤出任何多余空隙。除了辊190之外，也可采用其它定型装置，诸如模具系统。通过安装在辊上的履带162和164来牵引所得的固化条带156。履 带162和164还将挤出物152从浸渍模具150牵引出并使其通过辊190。如果需要的话，固化条带156可缠绕在区段171处。一般而言，该条带相对薄且通常具有的厚度为约0.05毫米至约1毫米，在一些实施例中，为约0.1毫米至约0.8毫米，以及在一些实施例中，为约0.2毫米至约0.4毫米。
在浸渍模具内，通常期望使粗纱142横穿浸渍区域250以用聚合物树脂浸渍粗纱214。在浸渍区域250，通常可通过在浸渍区域250中产生的剪切和压力迫使聚合物树脂横向经过粗纱，这显著提高了浸渍程度。这在由高纤维含量的条带形成复合物时特别有用，该高纤维含量诸如为约35％重量分数(“Wf”)或更大，以及在一些实施例中，为约40％Wf或更大。典型地，模具150将包括多个接触表面252，例如至少2个、至少3个、4个至7个、2个至20个、2个至30个、2个至40个、2个至50个、或更多个接触表面252，以对粗纱142产生足够的渗透度和压力。尽管接触表面252的具体形式可以改变，但其典型地具有曲线表面，例如弯曲突片、棒等。接触表面252典型地也由金属材料制成。
图4示出浸渍模具150的剖视图。如图所示，浸渍模具150包括歧管组件220、门通道270和浸渍区域250。歧管组件220设置用于使聚合物树脂214从其中流过。例如，歧管组件220可包括一个或多个通道222。提供给浸渍模具150的树脂214可以流过所述通道222。
如图5所示，通道222的一些部分可以是曲线形的，并且在一些示例性实施例中，通道222具有沿中心轴线224对称的定向。此外，在一些实施例中，该通道可以是多个分支流道222，其可以包括第一分支流道组232，第二分支流道组234、第三分支流道组236，以及，如果需要的话，更多个分支流道组。每个组可以包括从前一组中的流道222或从初始通道222分支出的2个、3个、4个或更多个流道222。
分支流道222和其对称定向使树脂214大致均匀分布，以使得离开歧管组件220和涂覆粗纱142的树脂214的流基本上均匀分布在粗纱142上。这种理想地使得粗纱142大致均匀浸渍。
此外，在一些实施例中，歧管组件220可以限定出口区域242，该出口区域通常至少包括树脂214所离开的通道或流道222的下游部分。在一些实施例中，设置在出口区域242的通道或流道222中的至少一部分在树脂214 的流动方向244上具有增大的区域。在树脂214流过歧管组件220时，增大的区域允许树脂214扩散和进一步分布，这进一步允许树脂214基本上均匀分布在粗纱142上。
如图4和5进一步图释的，在流经歧管组件220后，树脂214可以流经门通道270。门通道270定位在歧管组件220与浸渍区域250之间，并设置用于供来自歧管组件220树脂214流动，从而使得树脂214涂覆粗纱142。因此，离开歧管组件220的树脂214诸如通过出口区域242可进入门通道270并流经门通道，如图所示。
如图4所示，在离开模具150的歧管组件220和门通道270之后，树脂214接触正横穿过模具150的粗纱142。如上所论述的，由于树脂214分布在歧管组件220和门通道270中，因此树脂214可基本上均匀涂覆粗纱142。此外，在一些实施例中，树脂214可能碰撞到粗纱142中的每一根粗纱的上表面、或粗纱142中的每一根粗纱的下表面，或粗纱142中的每一根粗纱的上表面和下表面两者。对粗纱142的初始碰撞用于使树脂214进一步浸渍粗纱142。
如图4所示，已涂覆的粗纱142在行进方向282上横穿过浸渍区域250，其被构造成使树脂214浸渍粗纱142。例如，如图4和6所示，粗纱142横跨浸渍区域中的接触表面252。粗纱142对接触表面252的碰撞产生足以使树脂214浸渍粗纱142的剪切和压力，从而涂覆粗纱142。
在一些实施例中，如图4所示，浸渍区域250被限定在两块间隔开的相对的板256和258之间。第一板256限定第一内表面257，而第二板258限定第二内表面259。接触表面252上可限定于第一内表面257和第二内表面259的二者上、或仅限定于第一内表面257和第二内表面259之一上，或可自上述表面延伸。图6显示了第二板258及其上各接触表面，这些接触表面形成根据这些实施例的浸渍区域250的至少一部分。在示例性实施例中，如图4所示，接触表面252可以交替地限定在第一表面257和第二表面259上，以使得粗纱交替地碰撞在第一表面257的接触表面252上和第二表面259的接触表面252上。因此，粗纱142可以沿波形、曲折或正弦型路径经过接触表面252，这增强剪切。
粗纱142横穿过接触表面252的角度254通常可足够高，以增强剪切， 但不能高到产生过大的使纤维断裂的力。因此，例如，该角度254可以在大约1°至大约30°之间的范围内，以及在一些实施例中，介于大约5°至大约25°之间。
在可替代的实施例中，浸渍区域250可以包括多个销(未示出)，每个销具有接触表面252。销可以静止、自由转动或受驱动而转动。在其他可替代地实施例中，根据需要或要求，接触表面252和浸渍区域250可以包括用于使树脂214浸渍粗纱142的任意合适的形状和/或结构。
为了进一步便于浸渍粗纱142，也可使粗纱在存于浸渍模具内时保持在张力下。每根粗纱142或每束纤维的张力可以是，例如，在约5牛顿到约300牛顿之间的范围内，在一些实施例中，在约50牛顿至约250牛顿的范围内，以及在一些实施例中，在约100至约200牛顿的范围内。
如图4所示，在一些实施例中，平台区280可以在粗纱142的行进方向282上定位在浸渍区域250的下游。粗纱142在离开模具150之前可横穿平台区280。如图4进一步所示的，在一些实施例中，面板290可邻接浸渍区域250。面板290通常被构造用来计量来自粗纱142的多余树脂214。因此，面板290中粗纱142所横穿过的孔的尺寸设定成使得当粗纱142横穿过所述孔时，孔的尺寸使得从粗纱142去除多余的树脂214。
以上所示和所述的浸渍模具只是可在本发明中采用的各种可能构造中的一种。在可替代的实施例中，例如，该粗纱可被引入十字头模具中，所述十字头模具定位成相对于聚合物熔体的流动方向成一角度。当粗纱移动穿过十字头模具并到达聚合物从挤出机桶离开的位置时，迫使聚合物与粗纱接触。例如，在下述文献中描述了这种十字头模具挤出机的实例：Moyer的美国专利No.3,993,726、Chung等人的美国专利No.4,588,538；Augustin等人的美国专利No.5,277,566；和Amaike等人的美国专利No.5,658,513，出于所有目的，在此将这些专利的全文通过引用方式并入本文中。还应该理解，也可采用任何其它挤出机设计，诸如双螺旋挤出机。更进一步地，其它组件也可以可选地用于帮助纤维的浸渍。例如，在某些实施例中，可使用“气喷嘴”组件来帮助由单独纤维构成的粗纱均匀分散于合并束的整个宽度上，每一根粗纱可包括多达24,000根纤维。这有助于实现强度性能的均匀分布。这样的组件可以包括供给压缩空气或另一气体，压缩空气或另一气体以大致垂直的方式撞击 在穿过出口的移动粗纱上。接着，可将分散的粗纱引入模具中进行浸渍，例如如上文所述。
无论采用何种技术，连续纤维均沿纵向方向(图3的系统的机器方向“A”)定向以提高拉伸强度。除了纤维定向之外，拉挤成形工艺的其它方面也被控制以达到所期望的强度。例如，在固化条带中采用相对高百分比的连续纤维以提供增强的强度性能。例如，连续纤维通常占条带的约25wt.％(重量百分比)至约80wt.％，在一些实施例中，占条带的约30wt.％至约75wt.％，以及在一些实施例中，占条带的约35wt.％至约60wt.％。同样地，一种或多种热塑性聚合物典型地占条带的约20wt.％至约75wt.％，在一些实施例中占条带的约25wt.％至约70wt.％，在一些实施例中，占条带的约40wt.％至约65wt.％。最终棒中的纤维和热塑性基质的百分比也可以在上文所述的范围内。
如上所述，粗纱可在被定型成期望的棒构造之前被固化成一根或多根条带的形式。当随后压缩所述条带时，粗纱可以以大致均匀的形式围绕棒的纵向中心分布。这种均匀分布提高了在棒整个长度上的强度性能(例如，弯曲模量、极限拉伸强度等)的一致性。使用时，用于形成棒的固化条带的数量基于棒的期望厚度和/或横截面面积和强度以及条带本身的性质而改变。然而，在大多数情况下，条带的数量是1至20，以及在一些实施例中为2至10。在每一根条带中所采用的粗纱数量可以类似地改变。然而，典型地，条带将含有2根至10根粗纱，以及在一些实施例中，含有3根至5根粗纱。为了帮助实现最终棒中粗纱的对称分布，通常期望使它们在条带内间隔开大致相同的距离。参照图1，例如，示出了固化条带4的一个实施例，该固化条带包括在x方向上彼此等距间隔开的三(3)根粗纱5。然而，在其它实施例中，可能期望将粗纱进性组合，以使得粗纱的纤维大致均匀地分布在整个条带4中。在这些实施例中，粗纱可能通常不能相互区分开。参照图2，例如，示出了固化条带4的一个实施例，该固化条带含有的粗纱已被组合以使得纤维大致均匀地分布。
还仔细控制粗纱定型的具体方式，以确保可形成具有足够的压缩度和强度性能的棒。参照图7，例如，示出了用于形成棒的系统和方法的一种特定实施例。在这个实施例中，首先，在线轴架20上提供呈卷绕包装体形式的两 根条带12。所述线轴架20可以是解绕式线轴架，该解绕式线轴架包括设有水平心轴22的框架，每个心轴支撑一个包装体。特别地，如果想要将扭转引入纤维中(诸如当在一步式构造中使用原始纤维时)，也可使用放线式线轴架。还应当理解的是，条带还可以与棒的形成同轴地形成。在一个实施例，例如，从图3的浸渍模具150离开的挤出物152可被直接供给到用于形成棒的系统。张力调节装置40也可以用来帮助控制条带12的张紧程度。张力调节装置40可以包括入口板30，该入口板位于平行于线轴架20的旋转心轴22和/或垂直于输入条带的垂直平面中。张力调节装置40可以包括以交错构造布置的圆柱形杆41，以使条带12在这些杆上方和下方通过以限定出波形图案。杆的高度可以被调节以改变波形图案的幅值并且控制张力。
条带12在进入固化模具之前可在烤箱45中被加热。可使用任何已知类型的烤箱进行加热，例如在红外线烤箱、对流烤箱等中进行加热。在加热期间，条带中的纤维都是单向取向的以优化暴露于热中的暴露量并且在整个条带上保持均匀的热量。该条带12加热到的温度通常足够高以将热塑性聚合物软化到条带可结合在一起的程度。然而，该温度不能高到破坏材料的完整性。例如，所述温度可以在约100℃至约500℃的范围内，在一些实施例中在约200℃至约400℃的范围内，以及以及在一些实施例中，在约250℃至约350℃的范围内。在一个特定实施例中，例如，聚苯硫醚(“PPS”)被用作聚合物，且条带被加热到PPS的熔点或高于PPS的熔点，PPS的熔点为大约285℃)。
在加热之后，将条带12提供给固化模具50，该固化模具将它们压缩在一起而形成预制件14、且排列并形成棒的初始形状。例如，如图7大致所示的，条带12在方向“A”上从入口53到出口55被引导穿过模具50的流道51。通道51可具有各种形状和／或尺寸中的任一种以实现棒的构造。例如，流道和棒的构造可以是圆形、椭圆形、抛物线形等。在模具50内，条带通常保持在条带中所用的热塑性基质的熔点温度或高于该熔点温度，以确保充分固化。
可通过使用具有一个或多个区段的模具50来实现条带12的期望的加热、压缩和定型。例如，尽管这里没有详细地示出，固化模具50可以具有多个区段，所述多个区段共同起作用以将条带12压缩和定型为期望的构造。例如，通道51的第一区段可以是锥形区，该锥形区在材料流到模具50时首先使材料定型。该锥形区具有的横截面面积一般在其入口处比在其出口处大。例如， 通道51的锥形区域的入口处的横截面面积可以比在锥形区域出口处的横截面面积大大约2％或更多，在一些实施例中，大大约5％或更大，在一些实施例中，大大约10％至大约20％。无论如何，在锥形区域内，流道的横截面典型地逐渐并平稳地改变，以使得可保持复合材料平衡地流动通过模具。定型区域也可位于该锥形区域之后，该定型区域压缩所述材料并且提供流过该定型区域的大致均匀流动。定型区域还可以将材料预定型为中间形状，该中间形状类似于棒的中间形状，但通常具有更大的横截面面积以允许热塑性聚合物在加热时膨胀，以最小化在模具50内阻塞的风险。定型区域还可以包括一个或多个赋予预制件方向变化的表面特征。方向变化迫使材料进行重新分布，从而导致在最终形状中纤维/树脂更均匀的分布。这也降低了在模具中可引起树脂燃烧的死点的风险。例如，通道51在成型区域处的横截面面积可比预制件14的宽度大大约2％或更多，在一些实施例中，大大约5％或更多，以及在一些实施例中，大大约10％至约20％。模具出料区也可在成形区域之后以用作通道51的出口。可将定型区域、锥形区域和／或模具出料区加热到热塑性基质的玻璃化转变温度或熔点的温度或者高于这些温度。
如果期望的话，也可采用第二模具60(例如，校准模具)，该第二模具将所述预制件14压缩成最终的棒形状。当采用时，有时期望预制件14在离开固化模具50之后并且在进入可选的第二模具60之前短暂地冷却。这使固化预制件14进一步前进通过系统之前保持其初始形状。通常，冷却使棒外部的温度降低至低于热塑性基质的熔点温度，以最小化并基本上防止在棒的外表面上发生熔体破裂。然而，棒的内部区段可保持熔融，以确保在棒进入校准模具主体中时压缩。如本领域所已知的，可通过使预制件14简单地暴露于环境气氛(例如，室温)或通过使用主动冷却技术(例如，水浴或空气冷却)来实现该冷却。在一个实施例中，例如，将空气吹至预制件14上(例如，利用风环)，然而，在这些阶段之间的冷却通常在短时间段内发生，以确保预制件14仍足够软以进一步定型。例如，在离开固化模具50后，预制件14可在进入第二模具60之前暴露于周围环境仅约1秒至约20秒，以及在一些实施例中，约2秒至约10秒。在模具60内，通常将预制件保持在低于条带中所用的热塑性基质的熔点温度以下，以使得可维持棒的形状。尽管上文所提及的是单一模具，但应理解的是，模具50及60实际上可由多个独立模具(例 如，面板模具)形成。
因此，在一些实施例中，可利用多个独立模具60将材料逐渐定型成期望的构造。模具60串联地放置，并且设置用于使材料的尺寸逐渐减小。这样的逐渐减小允许在各步骤期间或各步骤之间收缩。
例如，如图11至图13中所示，第一模具60可包括一个或多个入口62和相应出口64，如图所示。可在模具60中包括任意数量的入口62和相应出口64，诸如，如图所示的四个、一个、两个、三个、五个、六个或更多个。在一些实施例中，入口62可以具有大致椭圆形或圆形的形状。在其他实施例中，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较长直侧壁和较短弯曲侧壁的矩形形状。此外，出口64可以具有大致椭圆形或圆形的形状，或可以具有弯曲的矩形形状。在一些利用椭圆形入口的实施例中，入口62可具有的长轴长度66与短轴长度68的比率在大约3∶1至大约5∶1之间的范围内。在一些利用椭圆形或圆形入口的实施例中，出口64可具有的长轴长度66与短轴长度68的比率在大约1∶1与大约3∶1之间的范围内。在利用弯曲的矩形形状的实施例中，入口和出口可的具有长轴长度66与短轴长度66的比率(长径比)在大约2∶1至大约7∶1之间，其中出口64的比率小于入口62的比率。
在其他实施例中，第一模具60的入口62的横截面面积与相应出口64的横截面面积的比率可在大约1.5∶1至6∶1之间的范围内。
第一模具60因此提供了聚合物浸渍纤维材料向相对类似于所得到的棒的最终形状的形状的大致平滑转变，在示例性实施例中，所得到的棒具有圆形或椭圆形横截面。后续模具，诸如如图11中所示的第二模具60和第三模具60，可提供材料尺寸的进一步逐渐减小和／或变化，以使材料的形状转化成棒的最终横截面形状。这些后续模具60可使材料定型并且冷却材料。例如，在一些实施例中，可将每一后续模具60保持在比先前模具低的温度下。在示例性实施例中，将所有模具60保持在比材料的软化点温度高的温度下。
在其他示例性实施例中，由于例如期望适当冷却和固化，故可期望具有相对长出料区长度69的模具60，这对实现期望的棒形状和大小至关重要。相对长的出料区长度69降低应力并提供向期望的形状和大小的平滑转变，且具有最小空隙率和弓形特征。在一些实施例中，例如，模具60的出口64处 出料区长度69与出口64处长轴长度66的比率可在大约0至大约20之间的范围内，诸如在大约2至大约6之间。
根据本公开内容，使用校准模具60提供了材料横截面的逐渐变化，如上所论述的。在示例性实施例中，这些逐渐变化可确保所得到的产物(诸如棒或其他适宜产物)具有大致均匀的纤维分布以及相对最小的空隙率。
应理解的是，如各种应用所期望或需要的，可利用任意适宜数量的模具60来使材料逐渐形成具有任意适宜横截面形状的轮廓。
除了使用一个或多个模具之外，也可采用其他机构来帮助将预制件14压缩成棒的形状。例如，在将预制件14转化成其最终形状之前，可使用如图14中所示的成形辊90，在固化模具50与校准模具60之间、在不同校准模具60之间和/或在校准模具60之后进一步压缩预制件14。所述辊可具有任意构造，诸如夹辊、重叠辊等，以及可以是如图所示的竖直辊或者是水平辊。根据辊90的构造，辊90的表面可被机加工以赋予预制件14最终产品的尺寸，该最终产品诸如是棒、型材或其他适宜产品。在示例性实施例中，辊90的压力应该是可调节的，以优化最终产品的质量。
在示例性实施例中，辊90(诸如至少接触材料的部分)可具有大致平滑表面。例如，在许多实施例中，期望相对硬的抛光表面。例如，辊的表面可由相对平滑的铬或其他适宜材料而形成。这使得辊90操纵预制件14而不会损坏或不合意地改变预制件14。例如，这些表面可防止该材料黏附至辊，而且辊可赋予材料平滑表面。
[在一些实施例中，辊90的温度受到控制。这可通过加热辊90自身或通过将辊90置于温度受控的环境中来实现。
此外，在一些实施例中，在辊90上可提供表面特征92。当预制件14经过辊时，表面特征92可在一个或多个方向上引导和／或控制预制件14。例如，可提供表面特征92以防止预制件14在经过辊90时自身折叠在自身上。因此，表面特征92可在相对于机器方向A的相交机器方向以及在相对于机器方向A的垂直方向上引导并控制预制件14的变形。因此，在预制件14在机器方向A上经过辊90时，可在相交机器方向上一起推动预制件，而不是使预制件折叠在自身上。
在一些实施例中，可提供与辊相连的张力调整装置。这些张力调整装置 可以与辊一起使用以在机器方向、相交机器方向和／或垂直方向上将张力施加给预制件14，以进一步引导和／或控制预制件。
如上所述，所得到的棒还被施加有覆盖层，以使其免受环境条件损害或改善耐磨性。再次参照图7，例如，该覆盖层可经由以任意期望角度定向的挤出机来将热塑性树脂引入覆盖模具72中进行施加。为帮助防止流电响应，典型地期望覆盖材料具有的介电强度至少约1千伏／毫米(kV／mm)，在一些实施例中，至少约2kV／mm，在一些实施例中，约3kV／mm至约50kV／mm，以及在一些实施例中，约4kV／mm至约30kV／mm，诸如根据ASTM D149-09确定的。适用于此目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，聚对苯二甲酸丁二醇酯(“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、聚亚芳基酮(例如，聚亚苯基二酮(“PPDK”))、液晶聚合物、聚亚芳基硫醚(例如，聚苯硫醚(“PPS”)、聚(对亚联苯基硫醚酮)、聚(亚苯基硫醚二酮)、聚(对亚联苯基硫醚)等)、氟聚合物(例如，聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚聚合物、全氟-烷氧基烷烃聚合物，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、丙烯酸系聚合物、聚氯乙烯(PVC)等。尤其适宜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，聚亚芳基硫醚)或其混合物。
覆盖层通常不含连续纤维。即，覆盖层含有小于约10wt.％连续纤维，在一些实施例中，约5wt.％或更少的连续纤维，以及在一些实施例中，约1wt.％或更少的连续纤维(例如，0wt.％)。然而，覆盖层可含有其他用于改善棒的最终特性的添加剂。在此阶段所用的添加剂材料可包括那些不适于纳入连续纤维材料中的材料。例如，可能期望加入颜料以减小修整劳动，或可以期望添加阻燃剂以增强棒的阻燃特征。由于很多添加剂材料为热敏性的，故过量的热可导致它们分解并产生挥发性气体。因此，若在高加热条件下将热敏性添加剂材料与浸渍树脂一起挤出，则结果可能是添加剂材料完全降解。添加剂材料可包括：例如，矿物增强剂、润滑剂、阻燃剂、起泡剂、发泡剂、耐紫外光剂、热稳定剂、颜料及它们的组合。合适的矿物增强剂可包括：例如，碳酸钙、二氧化硅、云母、黏土、滑石、硅酸钙、石墨、硅酸钙、三水合氧 化铝、钡铁氧体及它们的组合。
尽管本文未详细显示，但覆盖模具72可包括本领域中已知的各种特征来帮助实现覆盖层的期望施加。例如，覆盖模具72可包括排列进入的棒的进入引导件。覆盖模具也可包括加热机构(例如，加热板)，该加热机构在施加覆盖层之前预先加热棒以有助于确保充分结合。在覆盖后，然后使用本领域中已知的冷却系统80来最终冷却定型部件15。冷却系统80例如可以是包括一个或多个块(例如，铝块)的定尺寸系统，这些块完全封装棒，同时在棒冷却时真空牵引热定型件向外抵靠其壁。可将冷却介质(诸如空气或水)供应至定尺寸机以使棒以正确形状固化。
即使不使用定尺寸系统，也通常期望在棒离开覆盖模具(或若未施加覆盖层，则离开固化模具或校准模具)之后将棒冷却。可使用本领域已知的任意技术来实施冷却，诸如水箱、冷空气流或空气喷射、冷却夹套、内部冷却通道、冷却流体循环通道等。无论如何，用来冷却材料的温度通常受到控制，以实现最佳机械性质、部件尺寸公差、良好加工性及美学上令人愉悦的复合物。例如，若冷却站的温度过高，则材料可能在工具中膨胀并阻碍制程。对于半结晶材料，温度过低同样可导致材料过快冷却且不能实现完全结晶，从而危害复合物的机械性质及耐化学性质。可利用多个受到独立温度控制的冷却模具区段来赋予加工性与性能属性的最佳平衡。在一个特定实施例中，例如，采用水箱，该水箱保持在约0℃至约30℃温度下，在一些实施例中，为约1℃至约20℃的温度，以及在一些实施例中，为约2℃至约15℃的温度。
若期望的话，诸如在覆盖之后，也可使用一个或多个定尺寸块(未显示)。这些定尺寸块含有要切割成精确棒形状的开口，其自起初过大的棒形状渐变至最终棒形状。当棒穿过开口时，抵消其移动或下垂的任何倾向，且将其推回(反复地)至其正确形状。一旦定尺寸，则可在切割站(未显示)处诸如使用能够实施横截面切割的截断锯将棒切割成期望长度，或可以在连续处理过程中将棒缠绕在卷轴上。然后棒的长度将被限制成纤维束的长度。
应理解的是，在棒前进经过本发明系统的任一区段时，可控制棒的温度以产生最佳制造性及期望的最终复合物性质。利用筒式电加热器、循环流体冷却等或本领域技术人员已知的任一其他温度控制装置可对组件中的任一个或全部区段进行温度控制。
再次参照图7，牵引装置82定位于冷却系统80下游，以牵引成品棒16经过系统用于复合物的最终定尺寸。牵引装置82可以是能够以期望速率牵引棒经过该处理系统的任意装置。典型的牵引装置包括：例如，履带式牵引机和往复式牵引机。
由上述方法形成的棒的一个实施例作为元件516更详细地显示于图8中。如所示的，棒516具有大致圆形形状且包括由一根或多根固化条带形成的连续纤维元件514。“大致圆形”通常意味着棒的纵横比(高度除以宽度)通常为约1.0至约1.5，以及在一些实施例中，为约1.0。由于对用于浸渍粗纱和形成固化条带的过程以及对用于压缩和定型条带的过程进行选择性控制，故棒能够沿其整个长度上使热塑性基质横向地相对均匀分布。这也意味着连续纤维是以大致均匀方式围绕棒516的纵向中心轴“L”分布。如图8所示，例如，棒514包括包埋于热塑性基质528内的连续纤维526。连续纤维526围绕纵向轴“L”大致均匀地分布。应理解的是，图8中显示出仅仅一些纤维，且棒典型地含有明显更大数量的均匀分布的纤维。覆盖层519也围绕连续纤维元件514周边延伸并限定棒516的外表面。可有策略地选择连续纤维元件514的横截面厚度(“T”)来帮助实现特定强度。例如，连续纤维元件514可具有的厚度(例如，直径)为约0.1毫米至约40毫米，在一些实施例中，为约0.5毫米至约30毫米，以及在一些实施例中，为约1毫米至约10毫米。覆盖层519的厚度取决于连续纤维元件的预期功能，但典型地为约0.01毫米至约10毫米，以及在一些实施例中，为约0.02毫米至约5毫米。无论如何，棒的总横截面厚度或高度典型地在约0.1毫米至约50毫米的范围内，在一些实施例中，在约0.5毫米至约40毫米的范围内，以及在一些实施例中，在约1毫米至约20毫米的范围内。尽管棒的长度可以是基本上连续的，但棒的长度实际上常常受线轴和／或连续纤维长度的限制，该线轴上将缠绕并储存棒。例如，该长度常常在约1000米至约5000米之间的范围内，尽管可能为甚至更长的长度。
通过控制上文所提及的各个参数，可形成具有极高强度的棒。例如，棒可具有相对高的弯曲模量。术语“弯曲模量”通常是指在弯曲变形中应力与应变的比率(单位为力／面积)或材料弯曲的倾向。其是通过典型地在室温下进行“三点弯曲”测试(诸如ASTM D790-10，程序A)所产生的应力-应变曲线 的斜率确定的。例如，本发明的棒可具有约10千兆帕斯卡(“GPa”)或更大的弯曲模量，在一些实施例中，为约12GPa至约400GPa，在一些实施例中，为约15GPa至约200GPa，以及在一些实施例中，为约20GPa至约150GPa。此外，极限抗拉强度可以为约300兆帕(“MPa”)或更大，在一些实施例中，为约400MPa至约5,000MPa，以及在一些实施例中，为约500MPa至约3,500MPa。术语“极限抗拉强度”通常是指材料在经扭伸或牵引时在颈缩之前可承受的最大应力，而且其是通过在室温下进行拉伸测试(诸如ASTM D3916-08)所产生的应力-应变曲线上达到的最大应力。弹性拉伸模量也可以为约50GPa或更大，在一些实施例中，为约70GPa至约500GPa，以及在一些实施例中，为约100GPa至约300GPa，术语“弹性拉伸模量”通常是指拉伸应力对拉伸应变的比率，而且是通过在室温下进行拉伸测试(诸如ASTM 3916-08)所产生的应力-应变曲线的斜率。值得注意的是，上文所提及的复合棒的强度性质也可以在相对宽温度范围内保持，诸如在约-40℃至约300℃的范围内，且尤其在约180℃至200℃的范围内。
根据本公开内容制成的棒还可具有相对长的弯曲疲劳寿命，且可具有相对高的残余弯曲强度。可通常在室温下基于“三点弯曲疲劳”测试(诸如ASTM D790)来测定弯曲疲劳寿命和残余弯曲强度。例如，在160牛顿(“N”)或180N负载下在1百万次循环之后，本发明的棒可具有的残余弯曲强度为约60千克／平方英寸(“ksi”)至约115ksi，在一些实施例中，为约70ksi至约115ksi，以及在一些实施例中，为约95ksi至约115ksi。此外，棒可具有相对最小的弯曲强度降低。例如，在三点弯曲疲劳测试之后，具有约4％或更少空隙率的棒(在一些实施例中，空隙率为约3％或更少)可具有约1％的弯曲强度降低(例如，自约106ksi的最大原始弯曲强度至约105ksi的最大残余弯曲强度)。可在疲劳测试之前和之后使用例如如上文所论述的三点弯曲测试来测试弯曲强度。
复合芯的线性热膨胀系数以ppm／℃计可以小于约5、小于约4、小于约3，或小于约2。例如，该系数(ppm／℃)可在约-0.25至约5的范围内；可替代地，在约-0.17至约4的范围内；可替代地，在约-0.17至约3范围内；可替代地，在约-0.17至约2的范围内；或者可替代地，在约0.29至约1.18的范围内。这种线性热膨胀系数所涵盖的温度范围通常可以在-50℃至200℃的 范围内、在0℃至200℃的范围内、在0℃至175℃的范围内或在25℃至150℃的范围内。沿纵向方向(即沿纤维长度)测量线性膨胀系数。
复合棒也可具有相对小的“弯曲半径”，其是棒可弯曲而不断裂的最小半径，而且其被测量为棒的内部曲率。较小弯曲半径意味着棒更具挠性且可缠卷到较小直径的绕线筒上。该性质也使得棒在目前使用的金属棒的方法中更易于实施。由于本发明的改善的方法和所得到的棒，故可实现弯曲半径小于棒的外径约40倍，在一些实施例中，为棒的外径约1至约30倍，以及以及在一些实施例中，为棒的外径约2倍至约25倍，这是在约25℃的温度下确定的。例如，弯曲半径可小于约15厘米，在一些实施例中，约0.5厘米至约10厘米，以及在一些实施例中，约1厘米至约6厘米，这是在约25℃的温度下确定的。
复合棒也具有低空隙率，诸如为约6％或更少，在一些实施例中，为约3％或更少，在一些实施例中，为约2％或更少，在一些实施例中，为约1％或更少，以及在一些实施例中，为约0.5％或更少。以上文所述方式可测定空隙率，诸如使用根据ASTM D2584-08的“树脂烧掉”测试或通过使用计算机断层(CT)扫描设备(诸如Metrotom1500(2k×2k)高分辨率检测器)。
除上文所述的参数之外，复合棒也可具有的应力参数为约10MPa或更大，在一些实施例中，为约15MPa或更大，以及在一些实施例中，为约20MPa至约50MPa。测定应力参数的方法更详细地阐述于Johnson等人的美国专利No.7,093,416中，出于所有目的，将该专利的全文通过引用方式并入本文中。例如，可测量垂度和温度并绘制为垂度对温度的曲线图。使用以商标名SAG10(3.0版本更新3.9.7)从Alcoa Fuiikura Ltd.(Greenville，SC)获得的软件程序中可用的Alcoa Sag10图解法将计算曲线拟合成测量数据。应力参数是SAG10中标记为“内部铝应力”的拟合参数，若使用除铝以外的材料(例如，铝合金)，则应力参数可改变以拟合其他参数，且在高温后拐点方案中，其调节预测图形上拐点的位置以及垂度的量。在Alcoa Sag10用户手册(2.0版本)中也提供对应力参数的说明。
应意识到的是，上文所述的特定棒实施例仅举例说明了通过本发明可能制成的多种设计。在各种可能的棒设计中，应理解的是，可采用除上文所述的那些材料层以外的其他材料层。在某些实施例中，例如，可能期望形成多 组份棒，在该多组份棒中，一种组份由较高强度材料形成，而另一种组份由较低强度材料形成。这些多组份棒尤其可用于增加总强度，而不需要将更昂贵的高强度材料用于整个棒。较低强度组份和／或较高强度组份可由含有包埋于热塑性基质内的连续纤维的一根或多根条带形成。
应理解的是，本发明绝不限于上文所述的实施例。例如，根据期望的应用，棒可含有各种其他组份。额外的组份可以由例如本文所述连续纤维条带以及其他类型材料形成。在一个实施例中，例如，棒可含有不连续纤维(例如，短纤维、长纤维等)层以改善其横向强度，不连续纤维被定向以使得纤维的至少一部分定位成相对于连续纤维的延伸方向成一角度。
如上所述，本发明的棒可用于电缆(例如，高压传输线)中。这些缆的示例性传输缆设计和复合芯更详细地描述于Heil等人的美国专利No.7,211,319中，出于所有目的，将本专利的全文通过引用方式并入本文中。一般而言，这些传输缆含有被多个导电元件环绕的芯。芯可仅仅含有单根棒(如图8所示)或其可含有多根棒。在某些实施例中，例如，芯可含有两层或更多层同心布置的棒，其可以各种不同图案(例如，螺旋)绞合在一起。在一个特定实施例中，例如，芯含有中心棒、围绕中心棒同心设置的第二层棒(例如，6根棒)以及围绕第二层棒同心设置的第三层棒(例如，12根棒)。导电元件可以由任意合适的导电材料制成，诸如金属(例如，铜、铝或它们的合金)、碳等。导电元件可改变的方式与本领域已知的方式一样。若期望的话，则导电元件也可由诸如上文所述的材料形成。
参照图9，例如，总体示出了传输线420的一个实施例。如所示的，传输线420包括多个围绕大致圆柱形复合芯400径向设置的导电元件422(例如，铝)，其可根据本发明形成。导电元件可以单一层或以多层布置。在所示的实施例中，例如，导电元件422布置以形成第一同心层426和第二同心层428。当然，可采用任意数量的同心层。也可改变导电元件422的形状以优化可围绕复合芯400设置的元件的数量。在所示的实施例中，例如，导电元件422具有梯形横截面形状。当然，也可使用其他形状，诸如圆形、椭圆形、矩形、正方形等。也可将导电元件422以任意期望的几何构造(诸如以螺旋方式)围绕芯400扭转或卷绕。
参照图10，例如，大致示出了传输线420的另一个实施例。如图所示， 传输线420包括多个围绕一捆大致圆柱形复合芯400径向设置的导电元件422(例如，铝)，其可根据本发明形成。图10示出了环绕单一芯棒400的六个芯棒400，但呈任意合适布置的任意合适数量的芯400皆在本公开内容的范围和精神内。覆盖层519也围绕每一芯400的外表面的周边延伸并限定该外表面。导电元件可以单一层或以多个层布置。在所示的实施例中，例如，导电元件422布置成形成第一同心层426和第二同心层428。当然，可使用任意数量的同心层。也可改变导电元件422的形状以优化可围绕复合芯400设置的组件的数量。在所示的实施例中，例如，导电元件422具有梯形横截面形状。当然，也可采用其他形状，诸如圆形、椭圆形、矩形、正方形等。也可将导电元件422以任意期望几何构造(诸如以螺旋方式)围绕该捆芯棒400扭转或卷绕。
本发明的复合芯尤其在用于构造传输线时提供各种优点和益处。例如，由于其构造，故该芯可代表整体固化结构，其不仅易于处理，而且在强度及完整性方面提供诸多优点。
参照以下实例可更好地理解本发明。
实例1
首先，基本上如上文所述使用挤出系统来形成两(2)根连续纤维条带。对于连续纤维，使用碳纤维粗纱(Toray T700SC，其含有12,000根抗拉强度为4,900MPa且每单位长度质量为0.8克／米的碳纤维)，其中每一单独条带含有4根粗纱。用于浸渍纤维的热塑性聚合物是聚苯硫醚(“PPS”)(205，购自Ticona，LLC)，其具有约280℃的熔点。每一根条带含有50wt.％碳纤维和50wt.％PPS。这些条带具有约0.18毫米的厚度和小于1.0％的空隙率。在成形之后，于是将条带进给到以20英尺/分钟的速度操作的拉挤成形生产线。在定型之前，在红外烤箱(功率设定值为305)内加热条带。然后将经加热条带供应到具有圆形通道的固化棋具，该固化棋具接收条带并将它们压缩在一起，同时形成棒的初始形状。在模具内，条带保持在约177℃的温度下。在固化之后，然后用在1psi压力下供应环境空气的空气环／隧道装置短暂冷却所得到的预制件。然后使预制件穿过形成于两个辊之间的辊隙，然后到达校准模具以进行最终定型。在校准模具内，预制件保持在约140℃的温度下。在离开此模具之后，用熔点为350℃的聚醚醚酮 (“PEEK”)覆盖轮廓。覆盖层具有约0.1毫米的厚度。然后用空气流冷却所得到的复合芯。所得到的棒具有约3.5微米的直径，且含有45wt.％碳纤维、50wt.％PPS和5wt.％覆盖材料。
为了确定棒的强度性质，根据ASTM D790-10程序A来进行三点弯曲测试。支撑和刀尖半径为0.250英寸，支撑跨距为30毫米，试样长度为2英寸，且测试速度为2毫米/分钟。所得到的弯曲模量为约31GPa且弯曲强度为约410MPa，部件的密度为1.48g／cm3且空隙率小于约3％。同样，弯曲半径为3.27厘米。
实例2
首先，基本上如上文所述使用挤出系统来形成两(2)根连续纤维条带。对于连续纤维，使用碳纤维粗纱(Toray T700SC)，其中每一单独条带含有4根粗纱。用于浸渍纤维的热塑性聚合物是205。每一根条带含有50wt.％碳纤维和50wt.％PPS。这些条带具有约0.18毫米的厚度和小于1.0％的空隙率。在成形之后，然后将条带进给至以20英尺/分钟的速度操作的拉挤成形生产线。在定型之前，在红外烤箱(功率设定值为305)内加热条带。然后将经加热条带供应至具有圆形通道的固化模具，该固化模具接收条带并将它们压缩在一起，同时形成棒的初始形状。在模具内，条带保持在约343℃的温度下。在固化之后，然后用在1psi压力下供应环境空气的空气环／隧道装置短暂冷却所得到的预制件。然后使预制件穿过于形成两个辊之间的辊隙，且然后到达校准模具以进行最终定型。在校准模具内，预制件保持在约140℃的温度下。在离开此模具之后，用熔点为280℃的320覆盖轮廓。覆盖层具有约0.1毫米的厚度。然后用空气流冷却所得到的部件。所得到的棒具有约3.5毫米的直径，且含有45wt.％碳纤维、50wt.％PPS和5wt.％覆盖材料。
为了确定棒的强度性质，根据ASTM D790-10程序A来进行三点弯曲测试。支撑和刀尖半径为0.250英寸，支撑跨距为30毫米，试样长度为2英寸，且测试速度为2毫米/分钟。所得到的弯曲模量为20.3GPa且弯曲强度为约410MPa。部件的密度为1.48g/cm3，且空隙率小于约3％。同样，弯曲半径为4.37厘米。
实例3
首先，基本上如上文所述使用挤出系统来形成两(2)根连续纤维条带。对于连续纤维，使用玻璃纤维粗纱(来自PPG的其含有抗拉强度为2599MPa且每单位长度质量为2.2克／米的E-玻璃丝)，其中每一单独条带含有2根粗纱。用于浸渍纤维的热塑性聚合物是聚苯硫醚(“PPS”)(购自Ticona，LLC)，其具有约280℃的熔点。每一根条带含有56wt.％玻璃纤维和44wt.％PPS。这些条带具有约0.18毫米的厚度和小于1.0％的空隙率。在成形之后，然后将条带进给至以20英尺/分钟的速度操作的拉挤成形生产线。在定型之前，在红外烤箱(功率设定值为330)内加热条带。然后将经加热条带供应至具有圆形通道的固化模具，该固化模具接收条带并将它们压缩在一起，同时形成棒的初始形状。在固化之后，然后用环境空气短暂冷却所得到的预制件。然后使预制件穿过形成于两个辊之间的辊隙，且然后到达校准模具以进行最终定型。在校准模具内，预制件保持在约275℃的温度下。在离开此模具之后，用FORTRON@205覆盖轮廓。覆盖层具有约0.1毫米的厚度。然后用空气流冷却所得到的部件。所得到的棒具有约3.5毫米的直径，且含有50wt.％玻璃纤维和50wt.％PPS。
为了确定棒的强度性质，根据ASTM D790-10程序A进行三点弯曲测试。支撑和刀尖半径为0.250英寸，支撑跨距为30毫米，试样长度为2英寸，且测试速度为2毫米/分钟。所得到的弯曲模量为约18GPa且弯曲强度为约590MPa，空隙率小于约0％且弯曲半径为1.87厘米。
实例4
首先，基本上如上文所述使用挤出系统来形成两(2)根连续纤维条带。对于连续纤维，使用玻璃纤维粗纱(TUFRov@4588)，其中每一单独条带含有2根粗纱。用于浸渍纤维的热塑性聚合物是熔点为约250℃的尼龙66(PA66)，每一根条带含有60wt.％玻璃纤维和40wt.％尼龙66。这些条带具有约0.18毫米的厚度和小于1.0％的空隙率。在成形之后，然后将条带进给至以10英尺/分钟的速度操作的拉挤成形生产线。在定型之前，在红外烤箱(功率设定值为320)内加热条带。然后将经加热条带供应至具有圆形通道的固化模具，该固化模具接收条带并将它们压缩在一起，同时形成棒的初始形状。在固化之后，然后用环境空气短暂冷却所得到的预制件。然后使预制件穿过形成于两个辊之间的辊隙，且然后到达校准模具以进行最终定型。在校准棋 具内，预制件保持在约170℃的温度下。在离开此模具后，用尼龙66覆盖轮廓。覆盖层具有约0.1毫米的厚度，然后用空气流冷却所得到的部件，所得到的棒具有约3.5毫米的直径，且含有53wt.％破璃纤维、40wt.％尼龙66和7wt.％覆盖材料。
为了确定棒的强度性质，根据ASTM D790-10程序A进行三点弯曲测试。支撑和刀尖半径为0.250英寸，支撑跨距为30毫米，试样长度为2英寸，且测试速度为2毫米／分钟。所得到的弯曲模量为约19GPa且弯曲强度为约549MPa，空隙率小于约0％且弯曲半径为2.34厘米。
实例5
形成三(3)批(每批八(8)个)的具有不同空隙率水平的棒。对于每一种棒，首先，基本上如上文所述使用挤出系统来形成两(2)根连续纤维条带。对于连续纤维，使用碳纤维粗纱(Toray T700SC，其含有12,000根抗拉强度为4,900MPa且每单位长度质量为0.8克／米的碳纤维)，其中每一根单独条带含有4根粗纱。用于浸渍纤维的热塑性聚合物是聚苯硫醚(“PPS”)(购自Ticona，LLC)，其具有约280℃的熔点。每一根条带含有50wt.％碳纤维和50wt.％PPS。这些条带具有约0.18毫米的厚度和小于1.0％的空隙率。在成形之后，然后将条带进给至以20英尺／分钟的速度操作的拉挤成形生产线。在定型之前，在红外烤箱(功率设定值为305)内加热条带。然后将经加热条带供应至具有圆形通道的固化模具，该固化模具接收条带并将它们压缩在一起，同时形成棒的初始形状。在模具内，条带保持在约177℃的温度下。在固化之后，然后用在1psi压力下供应环境空气的空气环／隧道装置短暂冷却所得到的预制件。然后使预制件穿过形成于两个辊之间的辊隙，然后到达校准模具以进行最终定型。在校准模具内，预制件保持在约140℃的温度下。在离开此模具之后，用熔点为350℃的聚醚醚酮(“PEEK”)覆盖轮廓。覆盖层具有约0.1毫米的厚度。然后用空气流冷却所得到的部件。所得到的棒具有约3.5毫米的直径，且含有45wt.％碳纤维、50wt.％PPS和5wt.％覆盖材料。
第一批棒的平均空隙率为2.78％。第二批棒的平均空隙率为4.06％。第三批棒的平均空隙率为8.74％。使用CT扫描来进行空隙率测量。使用Metrotom1500(2k×2k)高分辨率检测器来扫描棒试样。使用具有低概率阈值的增强分析模式来进行检测。在扫描试样的空隙率后，使用Volume Graphics软件来解释来自3D扫描的数据，并计算每一试样的空隙率水平。
为了测定棒的弯曲疲劳寿命和残余弯曲强度，根据ASTM D790进行三点弯曲疲劳测试。支撑跨距为2.2英寸且试样长度为3英寸。在160牛顿(“N”)负载量下测试每一批的四(4)个棒，并且在180N负载量下测试每一批的四(4)个棒，分别呈现棒的原始(静态)弯曲强度的约50％和55％。在10赫兹(Hz)频率下经1百万次循环后测试每一试样。
在疲劳测试之前和之后，为了确定棒的各别原始弯曲强度性质和残余弯曲强度性质，根据ASTM D790-10程序A进行三点弯曲测试。记录在每一负载量下每一批的平均原始弯曲强度和平均残余弯曲强度。所得到的第三批的原始弯曲强度为107ksi，且所得到的第三批的残余弯曲强度为75ksi，因此降低约29％，所得到的第二批的原始弯曲强度为108ksi，且所得到的第二批的残余弯曲强度为72ksi，因此降低约33％。所得到的第一批的原始弯曲强度为106ksi，且所得到的第一批的残余弯曲强度为105ksi，因此降低约1％。
在不背离本发明的精神和范围的前提下，本领域技术人员可进行对本发明的这些和其他修改和改变。另外，应理解的是，各实施例的各方面可全部或部分互换。此外，本领域技术人员应理解的是，上述说明仅仅用于举例说明，而并不意欲限制本发明，故将在所附权利要求书中进一步阐述本发明。