E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料精

1、第31卷第9期118 2010年9月电力建设Electric Po werCo nstructio n(2010) 09-0118-04管顺清22.西北电力设计院，西安市，710075)文献标志码：A文章编号：1000-7229Vol.31，No.9Sep, 2010 中图分类号：TU599，TM75E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料力学性能试验研究张磊1，孙清1,王虎长2,赵雪灵2,胡建民2，(1.西安交通大学，西安市，710049；Exp erime ntalStudy on theMecha nical Prop ertiesofE-glassFiber/E po xyCo mp osit

2、eMaterial ZHANGLei1 , SUNQing1，WANGHu-chang2，ZHAOXue-ling2，HUJian-min2， GUANSh un-qi ng2(1.Xi'anJiaotongUniversity,Xi'an710049, China；2.NorthwestElectricPowerDesigninstitute, Xi'an710075, China) ABSTRACT:48s pecime nswithsixgro up sofE-glassfiber/epo xyco mp ositematerialweretested un de

3、rm onotono usi yin creas in gloads.Theaverageresul tan dthediscretecoefficie ntofte nsilestre ngth,elasticitymodulusa ndP oiss on 'sratiowereobtai n ed,whichwill provideaex perime ntalbasisforthematerialtobeusedi nthetra nsmissio np rojec t.Themecha nical prop ertiesa ndcostofthemateriala ndcom

4、mon steelusedi ntra nsmissio ntow ersarediscusseda ndco mp ared.TheresultshowsthatE- glassfiber/e po xyco mp ositematerialisa pp licabletothetra nsmissio ntowers.KEYWORDS:E-glassfiber ； compositematerial; tensilestre ngth； elasticitymodulus； Po iss on 'sratiq exp erime ntalstudy 摘要：通过对 6 组48个试件进

5、行力学性能试验，研究了 E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料顺纤维方向和垂直纤维方向的抗拉强度、弹性模 量、泊松比，并与输电杆塔结构中常用钢材进行了力学性能和成本对比分析。结 果表明，E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料力学性能优异、绝缘性能良好、成 本合理，适宜在输电杆塔结构中应用。关键词：E玻璃纤维；复合材料；拉伸强度；弹性模量；泊松比；杆进行过研究，鉴于当时材料性能和制造工艺的限制，复合材料电杆未能得到推广使用。近年来，随着复合材料技术的飞速发展和传统 输电杆塔的缺陷逐步显露，电力行业开始重视复合材料杆塔的应用研究6-9;但目前研究多集中于复合材料杆塔应用可行性的理论探讨，试验研究和工程实践均

6、较少。本文以出60kV银川东换流站一红柳沟接地极线路工程为依托，展开 E玻璃纤维 增强环氧树脂基复合材料的力学性能试验研究。考虑到该复合材料为各向异性材 料，应力-应变响应不能用单向性能参数确定10，因此对该复合材料顺纤维方向 和垂直纤维方向的拉伸强度、弹性模量、泊松比分别进行了研究。最后，将该复 合材料与输电杆塔结构中常用钢材进行了力学性能和成本对比分析，探讨该复合 材料在输电杆塔结构中应用的可行性。1试验概况1.1试验材料采用的E玻璃钢纤维为9600TEX，纤维含量70%，环氧树脂为特种环氧树脂，具 有良好的耐热、耐老化和电绝缘性能。1.2试件设计1、试验试件按照GB/T14472005纤

7、维增强塑料拉伸性能试验方法规定设计， 由鞍山远达电网工程有限公司采用拉挤工艺制作。试件型式和尺寸分别见图 表1 0根据玻璃纤维布置方法不同，本次共制作了2种试件：第1种试件仅沿长度方向布置玻璃纤维（以下简称 单向纤维试件”；第2种试件除沿长度方向布置玻璃 纤维外，横向45°及135°方向也布置了玻璃纤 试验研究doi: 10.3969/j.iss n.1000-7229.2010.09.0300引言玻璃纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强，疲1-2。劳性能、耐久性能和电绝缘性能好等特点，是较理想的输电杆塔结构材料目前，复合材料输电杆塔已在欧美和日本得到应用，其中以美国的研究开

8、发和应 用最为成熟3-5 0我国在20世纪50年代对复合材料电 基金资助项目：国家电网公司科技项目（复合材料（FRP）格构塔应用研究）。 第9期张磊等：E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料力学性能试验研究11957Rb1bL0L1dL3L(a) 测量拉伸强度、弹性模量试件(型式 1)1bLd(b) 测量泊松比试件(型式2)图 1 试件型式 Fig.lFig.仃ypeofspecimen表1试件尺寸Tab.lTab.1Dime nsio nsofs pecime nsmm 试件型式 LL0L1L3bb1d 型式 1180505511510404型式 2180404维(以下简称 多向纤维试件”。另外，

9、为了测试复合 材料垂直纤维方向的力学性能，制作了垂直纤维方向的试件。汇总后的试件数量 及编号见表2。表2试件数量及编号Tab.2Tab.2Detailsofs pecime ns试件类型试验项目编号数量多向纤维拉伸试验JL-(1-8)8泊松比JB-(1-8)8单向纤维拉伸试验LB-(1-8)8泊松比LL-(1-8)8垂直纤维方向拉伸试验CZ-(1-8)8泊松比CP-(1-8)81.3试验方案本次试验按照GB/T14462005纤维增强塑料性能试验方法总则和 GB/T1447 2005标准执行。试验前按标准要求对每个试样进行分类、编号，并 测量工作段内任意3点的宽度、厚度，取算术平均值。1.3.

10、1试验设备 拉伸试验采用上海华龙WDW-300D型材料拉伸试验机，该试验机精度可达0.5CML-1H型应变和应力综合测试仪。应 BE120-3BC型正交应变花。应变花级，试验中可直接记录荷载、位移等数据。应变采集仪器为北戴河电子仪器厂生产的 变花采用中航电测仪器股份有限公司生产的 用快干502胶粘贴在试件正中位置，见图1.3.2加载方法为防止试件滑移，本次试验专门制作了相应的夹具，如图3所示。安装时首先将准备好的试件扣上夹具图2应变片位置Fig.2Fig.2Locatio no fstra infoil安装在试验机内，使试件中心线和钳口里的中心线吻合。试验连续缓慢加载，加载速率控制为2mm/m

11、in，间隔一定时间采集1次试件应变。在试验过程中随时观察记录试验现象，最终记录试件的极限破坏荷载及其 破坏形态。现场加载情况见图3。图3现场加载Fig.3Fig.3Loadapp licati on2试验结果及分析2.1破坏过程及破坏特征加载初期试件外观等没有明显变化，加载过程中4。始终伴随 噼啪”的纤维断裂声，当加载到试件的极限荷载时试件破坏，此时玻璃 钢纤维大部分被拉断，只有小部分相连。试件破坏典型形态见图图4试件破坏典型形态Fig.4Fig.4Typicalfailureofsp ecime n2.2顺纤维方向力学性能该复合材料顺纤维方向拉伸典型荷载-位移曲线、应力-应变曲线、横向-纵向

12、应变曲线分别见图5、& 7。由于初始加载阶段夹具与试件出现滑移，在图5中2.5kN处出现了 1段水平线。当试件滑移量达0.5mm后，夹具与试件夹持良好，其后未出现滑移现象。图6中的应力为名义应力，利用荷载值除以试件截面面积得到，后文中的名义应力均采用本方法计算。该复合材料顺纤维方向拉伸强度、拉伸弹性模量、泊松比试验结果见表3, CV表示离散系数（标准差/均值）。其中拉伸强度 C按式（1）计算：cr =Ftbd (1)式中：F为最大载荷；b为试件宽度；d为试件厚度。120 电力353025Nk/20 载荷 1510512位移3/mm456图5顺纤维方向荷载-位移曲线Fig.5Fig.5L

13、oad-dis pl aceme ntcurve( Lon gitud in al)700aP600M/力 500 应 400 义名 300200100050001000015000纵向应变图6顺纤维方向应力-应变曲线Fig.6Fig.6Stress-stra in curve( Lon gitud in al)-500-1 变应-10002500000 向-横-23500000-3-45004000500050001000015000纵向应变图7顺纤维方向横向-纵向应变曲线Fig.7Fig.7Tra nsversestra in-Io ngitudi nalstra in curve ( L

14、on gitudi nal) 表3顺纤维方向试验结果Tab.3Tab.3Testresultsofs pecime ns(L on gitud in al)试件类型力学性能平均值Cv/%拉伸强度899.274MPa5.8多向纤维拉伸模量45.105GPa2.&白松比0.2875.8拉伸强度774.330MP a5.3 单向纤维拉伸模量44.638GPa5.5白松比0.2815.2拉伸弹性模量Et按式(2)计算：E=宀't -£ M(2)式中：C为应变£时对应的拉伸应力值；C为应变£时对应的拉伸应力值。 泊松比卩按式(3)计算：£2(3)

15、1式中£、£2分别为纵向应变和横向应变。从表3可以看出，2种试件顺纤维方向拉伸强度建设第31卷有一定差异，达13.9%，主要是由于布置横向纤维使多向纤维试件承载力增加。2者拉伸模量、泊松比十分接近，说明布置横向纤维对弹性模量、泊松比影响很 小。2.3垂直纤维方向力学性能该复合材料垂直纤维方向拉伸典型应力-应变曲线、横向-纵向应变曲线分别见图& 9、10。43.5P3M/变 2.5 应 2 向横 1.510.500123456位移/mm图8垂直纤维方向荷载-位移曲线Fig.8Fig.8Load-displacementcurve (Transvers®605

16、0 aPM40/力应 30 义名 201000100020003000纵向应变图 9垂直纤维方向应力-应变曲线 Fig.9Fig.9Stress-straincurve(Transvers®0-50 变-100 应向-150 横-200-250-300-350100020003000纵向应变图10垂直纤维方向横向-纵向应变曲线Fig.10Fig.10Tra nsversestrai n-l on gitudi nalstrai ncurve( Tran svers®该复合材料垂直纤维方向拉伸强度、拉伸模量、泊松比试验结果见表4。从表4可以看出，该复合材料垂直纤维方向拉伸强度

17、、拉伸模量、泊松比均大幅 下降，与多向纤维试件表 4 垂直纤维方向试验结果 Tab.4Tab.4Testresultsofspecimens(Transverse) 力学性能平均值Cv/%拉伸强度99.033MPa2.0拉伸模量14.316GPa7.5泊松比 0.0918.8第9期张磊等：E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料力学性能试验研究121 相比下降幅度分别为89.0%、68.3%、68.3%。由上述图表可得到该复合材料的力学性能特点：（1）没有明显拉伸屈服点，破 坏征兆不明显，属于脆性材料。（2）弹性性能良好，直到破坏前，应力-应变基本成线性关系。（3）顺纤维方向拉伸强度远超过垂直纤维方向

18、。鉴于上述特点，本文对该复合 材料在输电杆塔结构中的应用提出如下建议：（1）对于输电杆塔结构中仅承受拉力的构件，可以仅沿长度方向布置玻璃纤维 制成实心圆形拉杆。（2）对于输电杆塔结构中既承受拉力又承受压力的构件，除在长度方向布置玻 璃纤维外，可以在横向45°和135°方向布置玻璃纤维制作成空心圆管。3与常用钢材的力学性能和成本对比分析输电杆塔常用钢材牌号为Q345、Q420等，该复合材料与上述钢材的力学性能和 成本综合对比见表5。表5力学性能和成本对比分析Tab.5Tab.5Con trastivea nalysisofmecha nicalprop ertya ndcos

19、t材料类型强度/MPa弹性模量/GPa泊松比成本（千元/1-1 ）多向纤维899.27445.1050.2871318单向纤维 774.33044.6380.2811318垂直纤维方向 99.03314.3160.0911318Q235235.000206.0000.3004.04.5Q345345.000206.0000.300 4.04.5Q420420.000206.0000.3004.5 5.0注：1.复合材料强度值取拉伸强度，钢材强度值取屈服强度fy; 2.复合材料及钢材成本均为近期市场价格，钢材为近期市场角钢价格。从表5可以看出：（1）该材料顺纤维方向拉伸强度远远大于钢材屈服强度，

20、多 向纤维试件拉伸强度约为 Q235钢材屈服强度的3.8倍。（2） 该材料顺纤维方向弹性模量约为钢材弹性模量的1/4,在相同荷载下，复合 材料杆塔将发生较大变形。因此，设计时应重点关注结构本身变形控制。为满足 设计规程对杆塔挠度的要求，可以采用空心管状结构加大复合材料杆塔的转动惯 量。（3）该材料顺纤维方向泊松比与钢材十分接近。（4）该材料成本约为钢材的4倍。但是该材料在以下方面可以显著节约工程造价：1）该材料制作的杆塔重量仅为钢塔重量的1/2; 2）该材料制作的杆塔可以大大节省安装费用；3）由于该 材料绝缘性能较好，输电线路结构可以设计的更为紧凑，可以降低杆塔高度，相 应降低工程造价；4）紧

21、凑型复合材料杆塔减小了线路走廊所需要的宽度，减少 了土地使用费用；5）在杆塔使用年限期间，复合杆塔要求的维护比钢塔将大大减少11。因此，从工程项目全生命周期考虑，该复合材料的综合经济效益较好。4结论（1） 多向纤维试件拉伸强度、弹性模量、泊松比分别为899.274M Pa, 45.105GPa, 0.287。单向纤维试件拉伸强度、弹性模量、泊松比分别为774.330MPa, 44.638GPa, 0.281。该复合材料垂直纤维方向拉伸强度、弹性模 量、泊松比分别为 99.033MPa, 14.316GPa, 0.091。（2）该复合材料基本力学性能和综合经济效益较好，适宜在输电杆塔结构中应 用。（3）应尽量将该复合材料沿纤维方向制作成拉杆或管材形式，以充分利用其优 异的抗拉性能。（4）在相同荷载下，使用该复合材料制造的杆塔将发生较大变形，设计时应重 点关注结构本身变形控制。为满足设计规程对杆塔挠度的要求，可以采用空心管 状结构加大复合材料杆塔的转动惯量。5参考文献1 车剑飞，黄清霞，杨娟.复合材料及其应用M.北京：机械出版社，2006.2 沈观林，胡更开.复合材料力学M.北京：清华大学出版社，2006.3StewartR.Pultrudedpolescarrypow