E 玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料

1、第31卷第9期·118·2010年9月電力建設(shè)ElectricPowerConstruction文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1000-7229（2010）09-0118-04Vol.31，No.9Sep，2010中圖分類號(hào)：TU599，TM75E玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究張磊1，孫清1，王虎長(zhǎng)2，趙雪靈2，胡建民2，管順清2（1.西安交通大學(xué)，西安市，710049；2.西北電力設(shè)計(jì)院，西安市，710075）ExperimentalStudyontheMechanicalPropertiesofE-glassFiber/EpoxyCompositeMateri

2、alZHANGLei1，SUNQing1，WANGHu-chang2，ZHAOXue-ling2，HUJian-min2，GUANShun-qing2（1.Xi'anJiaotongUniversity,Xi'an710049，China；2.NorthwestElectricPowerDesignInstitute，Xi'an710075，China）ABSTRACT:48specimenswithsixgroupsofE-glassfiber/KEYWORDS:E-glassfiber；compositematerial；tensilestrength；elasti

3、citymodulus；Poisson'sratio；experimentalstudy摘要：通過對(duì)6組48個(gè)試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，研究了E玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料順纖維方向和垂直纖維方向的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比，并與輸電桿塔結(jié)構(gòu)中常用鋼材進(jìn)行了力學(xué)性能和成本對(duì)比分析。結(jié)果表明，E玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異、絕緣性能良好、成本合理，適宜在輸電桿塔結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。關(guān)鍵詞：E玻璃纖維；復(fù)合材料；拉伸強(qiáng)度；彈性模量；泊松比；桿進(jìn)行過研究，鑒于當(dāng)時(shí)材料性能和制造工藝的限制，復(fù)合材料電桿未能得到推廣使用。近年來，隨著復(fù)合材料技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)輸電桿塔的缺陷逐步顯露，電力行

4、業(yè)開始重視復(fù)合材料桿塔的應(yīng)用研究6-9；但目前研究多集中于復(fù)合材料桿塔應(yīng)用可行性的理論探討，試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐均較少。本文以±660kV銀川東換流站紅柳溝接地極線路工程為依托，展開E玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能試驗(yàn)研究?？紤]到該復(fù)合材料為各向異性材料，應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)不能用單向性能參數(shù)確定10，因此對(duì)該復(fù)合材料順纖維方向和垂直纖維方向的拉伸強(qiáng)度、彈性模量、泊松比分別進(jìn)行了研究。最后，將該復(fù)合材料與輸電桿塔結(jié)構(gòu)中常用鋼材進(jìn)行了力學(xué)性能和成本對(duì)比分析，探討該復(fù)合材料在輸電桿塔結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的可行性。1試驗(yàn)概況1.1試驗(yàn)材料采用的E玻璃鋼纖維為9600TEX，纖維含量70%，環(huán)氧樹脂

5、為特種環(huán)氧樹脂，具有良好的耐熱、耐老化和電絕緣性能。1.2試件設(shè)計(jì)試驗(yàn)試件按照GB/T14472005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法規(guī)定設(shè)計(jì)，由鞍山遠(yuǎn)達(dá)電網(wǎng)工程有限公司采用拉擠工藝制作。試件型式和尺寸分別見圖1、表1。根據(jù)玻璃纖維布置方法不同，本次共制作了2種試件：第1種試件僅沿長(zhǎng)度方向布置玻璃纖維（以下簡(jiǎn)稱“單向纖維試件”）；第2種試件除沿長(zhǎng)度方向布置玻璃纖維外，橫向45°及135°方向也布置了玻璃纖試驗(yàn)研究0引言玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)，疲勞性能、耐久性能和電絕緣性能好等特點(diǎn)，是較理想的輸電桿塔結(jié)構(gòu)材料1-2。目前，復(fù)合材料輸電桿塔已在歐美和日本得到應(yīng)用，其

6、中以美國的研究開發(fā)和應(yīng)用最為成熟3-5。我國在20世紀(jì)50年代對(duì)復(fù)合材料電基金資助項(xiàng)目：國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（復(fù)合材料（FRP）格構(gòu)塔應(yīng)用研究）。第9期張磊等：E玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究·119·57Rb1bL0L1dL3L（a）測(cè)量拉伸強(qiáng)度、彈性模量試件（型式1）1bLd（b）測(cè)量泊松比試件（型式2）表1試件尺寸Dimensionsofspecimens180404維（以下簡(jiǎn)稱“多向纖維試件”）。另外，為了測(cè)試復(fù)合材料垂直纖維方向的力學(xué)性能，制作了垂直纖維方向的試件。匯總后的試件數(shù)量及編號(hào)見表2。Detailsofspecimens試件類型試驗(yàn)項(xiàng)目編

7、號(hào)數(shù)量多向纖維拉伸試驗(yàn)JL-(1-8)8泊松比JB-(1-8)8單向纖維拉伸試驗(yàn)LB-(1-8)8泊松比LL-(1-8)8垂直纖維方向拉伸試驗(yàn)CZ-(1-8)8泊松比CP-(1-8)81.3試驗(yàn)方案拉伸試驗(yàn)采用上海華龍WDW-300D型材料拉伸試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)精度可達(dá)0.5級(jí)，試驗(yàn)中可直接記錄荷載、位移等數(shù)據(jù)。應(yīng)變采集儀器為北戴河電子儀器廠生產(chǎn)的CML-1H型應(yīng)變和應(yīng)力綜合測(cè)試儀。應(yīng)變花采用中航電測(cè)儀器股份有限公司生產(chǎn)的BE120-3BC型正交應(yīng)變花。應(yīng)變花用快干502膠粘貼在試件正中位置，見圖2。為防止試件滑移，本次試驗(yàn)專門制作了相應(yīng)的夾具，如圖3所示。安裝時(shí)首先將準(zhǔn)備好的試件扣上夾具圖2應(yīng)

8、變片位置foil安裝在試驗(yàn)機(jī)內(nèi)，使試件中心線和鉗口里的中心線吻合。試驗(yàn)連續(xù)緩慢加載，加載速率控制為2mm/min，間隔一定時(shí)間采集1次試件應(yīng)變。在試驗(yàn)過程中隨時(shí)觀察記錄試驗(yàn)現(xiàn)象，最終記錄試件的極限破壞荷載及其破壞形態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)加載情況見圖3。圖3現(xiàn)場(chǎng)加載Loadapplication2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1破壞過程及破壞特征加載初期試件外觀等沒有明顯變化，加載過程中始終伴隨“噼啪”的纖維斷裂聲，當(dāng)加載到試件的極限荷載時(shí)試件破壞，此時(shí)玻璃鋼纖維大部分被拉斷，只有小部分相連。試件破壞典型形態(tài)見圖4。specimen2.2順纖維方向力學(xué)性能該復(fù)合材料順纖維方向拉伸典型荷載-位移曲線、應(yīng)力-應(yīng)變曲線、橫向-

9、縱向應(yīng)變曲線分別見圖5、6、7。由于初始加載階段夾具與試件出現(xiàn)滑移，在圖5中2.5kN處出現(xiàn)了1段水平線。當(dāng)試件滑移量達(dá)0.5mm后，夾具與試件夾持良好，其后未出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。圖6中的應(yīng)力為名義應(yīng)力，利用荷載值除以試件截面面積得到，后文中的名義應(yīng)力均采用本方法計(jì)算。該復(fù)合材料順纖維方向拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量、泊松比試驗(yàn)結(jié)果見表3，CV表示離散系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)差/均值）。其中拉伸強(qiáng)度t按式（1）計(jì)算：=Ftbd（1）式中：F為最大載荷；b為試件寬度；d為試件厚度。·120·電力353025Nk/20載荷1510512位移3/mm456圖5順纖維方向荷載-位移曲線700aP600M/力

10、500應(yīng)400義名300200100050001000015000縱向應(yīng)變Stress-straincurve（Longitudinal）-500-1變50001000015000縱向應(yīng)變圖7順纖維方向橫向-縱向應(yīng)變曲線表3順纖維方向試驗(yàn)結(jié)果0.2815.2拉伸彈性模量Et按式（2）計(jì)算：E=''-'t''-'（2）式中：''為應(yīng)變''時(shí)對(duì)應(yīng)的拉伸應(yīng)力值；'為應(yīng)變'時(shí)對(duì)應(yīng)的拉伸應(yīng)力值。泊松比按式（3）計(jì)算：=2（3）1式中1、2分別為縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變。從表3可以看出，2種試件順纖維方向拉伸強(qiáng)度建設(shè)

11、第31卷有一定差異，達(dá)13.9%，主要是由于布置橫向纖維使多向纖維試件承載力增加。2者拉伸模量、泊松比十分接近，說明布置橫向纖維對(duì)彈性模量、泊松比影響很小。2.3垂直纖維方向力學(xué)性能該復(fù)合材料垂直纖維方向拉伸典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線、橫向-縱向應(yīng)變曲線分別見圖8、9、10。43.5aP30123456位移/mmLoad-displacementcurve（Transverse）6050aPM40/力應(yīng)30義名201000100020003000縱向應(yīng)變0-50變-100應(yīng)向-150橫-200-250-300-350100020003000縱向應(yīng)變圖10垂直纖維方向橫向-縱向應(yīng)變曲線該復(fù)合材料垂直纖維

12、方向拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、泊松比試驗(yàn)結(jié)果見表4。從表4可以看出，該復(fù)合材料垂直纖維方向拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、泊松比均大幅下降，與多向纖維試件0.0918.8第9期張磊等：E玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究·121·相比下降幅度分別為89.0%、68.3%、68.3%。由上述圖表可得到該復(fù)合材料的力學(xué)性能特點(diǎn)：（1）沒有明顯拉伸屈服點(diǎn)，破壞征兆不明顯，屬于脆性材料。（2）彈性性能良好，直到破壞前，應(yīng)力-應(yīng)變基本成線性關(guān)系。（3）順纖維方向拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)超過垂直纖維方向。鑒于上述特點(diǎn)，本文對(duì)該復(fù)合材料在輸電桿塔結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提出如下建議：（1）對(duì)于輸電桿塔結(jié)構(gòu)中僅承受拉力的

13、構(gòu)件，可以僅沿長(zhǎng)度方向布置玻璃纖維制成實(shí)心圓形拉桿。（2）對(duì)于輸電桿塔結(jié)構(gòu)中既承受拉力又承受壓力的構(gòu)件，除在長(zhǎng)度方向布置玻璃纖維外，可以在橫向45°和135°方向布置玻璃纖維制作成空心圓管。3與常用鋼材的力學(xué)性能和成本對(duì)比分析輸電桿塔常用鋼材牌號(hào)為Q345、Q420等，該復(fù)合材料與上述鋼材的力學(xué)性能和成本綜合對(duì)比見表5。表5力學(xué)性能和成本對(duì)比分析Contrastiveanalysisofmechanicalpropertyandcost420.000206.0000.3004.55.0注：1.復(fù)合材料強(qiáng)度值取拉伸強(qiáng)度，鋼材強(qiáng)度值取屈服強(qiáng)度fy；2.復(fù)合材料及鋼材成本均為近期

14、市場(chǎng)價(jià)格，鋼材為近期市場(chǎng)角鋼價(jià)格。從表5可以看出：（1）該材料順纖維方向拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼材屈服強(qiáng)度，多向纖維試件拉伸強(qiáng)度約為Q235鋼材屈服強(qiáng)度的3.8倍。（2）該材料順纖維方向彈性模量約為鋼材彈性模量的1/4，在相同荷載下，復(fù)合材料桿塔將發(fā)生較大變形。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)本身變形控制。為滿足設(shè)計(jì)規(guī)程對(duì)桿塔撓度的要求，可以采用空心管狀結(jié)構(gòu)加大復(fù)合材料桿塔的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。（3）該材料順纖維方向泊松比與鋼材十分接近。（4）該材料成本約為鋼材的4倍。但是該材料在以下方面可以顯著節(jié)約工程造價(jià)：1）該材料制作的桿塔重量?jī)H為鋼塔重量的1/2；2）該材料制作的桿塔可以大大節(jié)省安裝費(fèi)用；3）由于該材料絕緣

15、性能較好，輸電線路結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)的更為緊湊，可以降低桿塔高度，相應(yīng)降低工程造價(jià)；4）緊湊型復(fù)合材料桿塔減小了線路走廊所需要的寬度，減少了土地使用費(fèi)用；5）在桿塔使用年限期間，復(fù)合桿塔要求的維護(hù)比鋼塔將大大減少11。因此，從工程項(xiàng)目全生命周期考慮，該復(fù)合材料的綜合經(jīng)濟(jì)效益較好。4結(jié)論（1）多向纖維試件拉伸強(qiáng)度、彈性模量、泊松比分別為899.274MPa，45.105GPa，0.287。單向纖維試件拉伸強(qiáng)度、彈性模量、泊松比分別為774.330MPa，44.638GPa，0.281。該復(fù)合材料垂直纖維方向拉伸強(qiáng)度、彈性模量、泊松比分別為99.033MPa，14.316GPa，0.091。（2）該復(fù)合

16、材料基本力學(xué)性能和綜合經(jīng)濟(jì)效益較好，適宜在輸電桿塔結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。（3）應(yīng)盡量將該復(fù)合材料沿纖維方向制作成拉桿或管材形式，以充分利用其優(yōu)異的抗拉性能。（4）在相同荷載下，使用該復(fù)合材料制造的桿塔將發(fā)生較大變形，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)本身變形控制。為滿足設(shè)計(jì)規(guī)程對(duì)桿塔撓度的要求，可以采用空心管狀結(jié)構(gòu)加大復(fù)合材料桿塔的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。5參考文獻(xiàn)1車劍飛，黃清霞，楊娟.復(fù)合材料及其應(yīng)用M.北京：機(jī)械出版社，2006.2沈觀林，胡更開.復(fù)合材料力學(xué)M.北京：清華大學(xué)出版社，2006.3StewartR.PultrudedpolescarrypowerJ.Reinforcedplastic，2003（1）：20-2

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