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1、E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料力学性能试验研究【摘要】 通过对试件进行力学性能试验，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。 /1/view-12286618.htm【关键词】 E玻璃纤维；复合材料；拉伸强度；弹性模量；试验研究引言玻璃纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强，疲劳性能、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
2、到应用，其中以美国的研究开发和应用最为成熟。我国在20世纪50年代对复合材料电杆进行过研究，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；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较少。一、试验概况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。2、试件设计试验试件按照GB/T14472005纤维增强塑料拉伸性能试验方法规定设计。试件型式和尺寸分别见图1、表1。根据玻璃
3、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。另外，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。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/T14472005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。试验设备拉伸试验采用WDW-300D型材料拉伸试验机，该试验机精度可达0.5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
4、产的CML-1H型应变和应力综合测试仪。应变花采用中航电测仪器股份有限公司生产的BE120-3BC型正交应变花。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/min，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。二、试验结果及分析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-纵向应变曲
5、线分别见图5、6、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t按式（1）计算：（1）式中：F为最大载荷；b为试件宽度；d为试件厚度。拉伸弹性模量E t 按式（2）计算：（2）式中： 为应变时对应的拉伸应力值； 为应变时对应的拉伸应力值。泊松比按式 （3） 计算（3）式中 1 、 2 分别为纵向
6、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。3、垂直纤维方向力学性能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、 拉伸模量、 泊松比均大幅下降， 与多向纤维试件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
7、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。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三、与常用钢材的力学性能和成本对比分析（1）该材料顺纤维方向拉伸强度远远大于钢材屈服强度，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
8、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。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。结束语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。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。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。参考文献：1、方东红，韩建平，曹翠玲.复合材料输电杆应用进展J.玻璃纤维，2008（6）：31-35.2、但小容，陈轩恕，刘飞，等.复合绝缘杆塔的发展前景及应用J.机电信息，2009（36）：90-91.基金项目：南昌工程学院青年基金-科技项目（2010KJ022）
