E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料（精）

第31卷第9期 ·118·

2010年9月 电力建设

ElectricPowerConstruction

文献标志码：A文章编号：1000-7229（2010）09-0118-04 Vol.31，No.9Sep，2010

中图分类号：TU599，TM75

E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，管顺清2

（1.西安交通大学，西安市，710049；2.西北电力设计院，西安市，710075） ExperimentalStudyontheMechanicalPropertiesofE-glassFiber/EpoxyCompositeMaterial ZHANGLei1，SUNQing1，WANGHu-chang2，ZHAOXue-ling2，HUJian-min2，GUANShun-qing2

（1.Xi'anJiaotongUniversity,Xi'an710049，China；

2.NorthwestElectricPowerDesignInstitute，Xi'an710075，China）

ABSTRACT:48specimenswithsixgroupsofE-glassfiber/

epoxycompositematerialweretestedundermonotonouslyincreasingloads.Theaverageresultandthediscretecoefficientoftensilestrength,elasticitymodulusandPoisson'sratiowereobtained,whichwillprovideaexperimentalbasisforthematerialtobeusedinthetransmissionproject.Themechanicalpropertiesandcostofthematerialandcommonsteelusedintransmissiontowersarediscussedandcompared.TheresultshowsthatE-glassfiber/epoxycompositematerialisapplicabletothetransmissiontowers. KEYWORDS:E-glassfiber；compositematerial；tensile

strength；elasticitymodulus；Poisson'sratio；experimentalstudy摘要：通过对6组48个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。

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较少。 本文以±660kV银川东换流站—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

试验试件按照GB/T1447—2005《纤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1、表1。

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.issn.1000-7229.2010.09.030 0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[1-2]。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发和应用最为成熟[3-5]。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·119· 5 7Rb 1 bL0 L1d L3L

（a）测量拉伸强度、弹性模量试件（型式1） 1

bLd

（b）测量泊松比试件（型式2）

图1试件型式Fig.1Fig.1Typeofspecimen 表1试件尺寸

Tab.1Tab.1

Dimensionsofspecimens

mm试件型式LL0L1L3bb1d型式1180505511510404型式2

180 — — — — 40 4

维（以下简称“多向纤维试件”）。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。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.2

Detailsofspecimens

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) 8

1.3试验方案

本次试验按照GB/T1446—2005《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。1.3.1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0.5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。应变花用快干502胶粘贴在试件正中位置，见图2。

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.2Locationofstrain

foil

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。现场加载情况见图3。 图3现场加载 Fig.3Fig.3 Load

application

2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

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4。 图4试件破坏典型形态Fig.4Fig.4Typicalfailureof

specimen

2.2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σt按式（1）计算： σ= F

tbd（1）式中：F为最大载荷；b为试件宽度；d为试件厚度。 ·120·

电力353025 N

k/20载荷15105 1 2

位移3

/mm 45 6

图5顺纤维方向荷载-位移曲线

Fig.5Fig.5Load-displacementcurve（Longitudinal） 700a

P600M/力500应400义名3002001000 5000

1000015000 纵向应变

图6顺纤维方向应力-应变曲线Fig.6Fig.6 Stress-straincurve（Longitudinal）

--500-1变

应-10002500000向-横-23500000--3-450040005000 500010000

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