輸電線路碳纖維復合材料芯加速蠕變試驗研究*

蘭逢濤，陳 新，楊 青，楊長龍

(1 國網智能電網研究院，北京100192;2 遼寧省電力有限公司沈陽供電公司，遼寧沈陽100300)

碳纖維復合芯導線是由高導電軟鋁線絞制在碳纖維復合芯上制成，該新型導線具有高強、輕質和低垂度等顯著特點，是一種節能、環保型導線，在高壓架空導線上有廣泛應用前景［1－3］。其中，碳纖維復合芯是該導線的關鍵承載部件，其由單向增強碳纖維/玻璃纖維和粘性環氧樹脂基體經拉擠工藝制成，復合芯的綜合性能決定了導線安全使用性［4］。

碳纖維復合材料具有高比強度、高比剛度以及耐疲勞、耐腐蝕等特性［5－7］，正是由于這些優異的性能使得碳纖維復合材料服役時間長，碳纖維復合材料在長期載荷作用下的蠕變行為將是影響其使用壽命及結構安全性的決定性因素。由于輸電線用碳纖維復合材料強度高、服役時間長，而自然環境試驗周期長、費用高，所以有必要通過短期加速試驗預測長期老化性能，并建立相關預測模型評估其服役壽命。

國內外學者對纖維復合材料蠕變行為開展了大量工作，主要集中在蠕變的關鍵影響因素及蠕變與材料性能之間關系兩個方面。向小運等［8］開展了復合材料蠕變本構關系研究并通過實驗測定了相關參數和碳纖維樹脂基復合材料蠕變的溫濕等效模型。Gupta 等［9］研究了樹脂基織物復合材料在軸向和偏軸載荷作用下的蠕變行為。Nedjar［10］模擬了單向纖維復合材料在長期蠕變載荷作用下的開裂行為。

碳纖維復合材料的蠕變行為受到了國內外學者的廣泛關注，然而對于輸電線用碳纖維復合材料芯蠕變行為研究的報道較少。本文以輸電線用碳纖維芯棒為研究對象，分析了溫度和應力加速對碳纖維復合材料蠕變行為的影響，試驗研究了不同溫度和應力下碳纖維復合材料芯棒的蠕變應變演化，研究結果將為碳纖維復合材料在輸電線領域的應用提供試驗方法及實踐經驗。

1 試驗概況

碳纖維復合芯桿試件由國網智能電網研究院提供。如圖1，桿件直徑8.65mm，其內層為碳纖維復合材料，外層為玻璃纖維復合材料。

圖1 試件Fig.1 Test specimen

如圖2 所示，蠕變試驗在Instron 疲勞試驗機上進行。蠕變試驗溫度為160℃、140℃和125℃，由于碳纖維復合芯強度為2000MPa，蠕變應力水平分別取強度值的90%、50% 和使用應力，即應力取1800MPa、1000MPa 和500MPa。

圖2 蠕變試驗裝置Fig.2 The apparatus of the creep test

2 試驗結果及分析

2.1 以時間－溫度移位因子構建蠕變主曲線

圖3 為500MPa、1000MPa 和1800MPa 下不同溫度和應力對應的蠕變應變曲線。對比圖中同溫度下不同應力的蠕變曲線可以看出，三種應力水平下對應的蠕變曲線不重合。因此碳纖維復合芯的蠕變行為是非線性的。同時，蠕變速率隨溫度和應力水平增加而增大。

圖3 蠕變應變曲線Fig.3 The curve of creep-strain

根據時間－溫度等效原理，黏彈性材料高溫下短時間的力學性能與低溫下長時間的力學性能相當，即溫度的升高相當于時間標尺的縮短。這種等效性可以通過對數坐標軸的平移來實現。蠕變柔量函數可表示為:

取T=125℃為參考溫度，將圖3 中其它溫度下的蠕變應變－對數時間曲線向參考曲線作水平移位，移位的距離就是相應的溫度移位因子。利用MathCAD 程序計算移位曲線與參考曲線之間的最佳移位距離，計算結果為移位因子，所得蠕變應變主曲線如圖4 所示，移位因子見表1。

圖4 不同應力蠕變應變主曲線Fig.4 The curve of creep-strain under different stress conditions

表1 不同應力下的時間-溫度移位因子logTable 1 The shifted divisor，log，of time-temperature under different stress conditions

表1 不同應力下的時間-溫度移位因子logTable 1 The shifted divisor，log，of time-temperature under different stress conditions

T/℃ σ/MPa 500 1000 1800 125參考狀態 參考狀態 參考狀態140 －0.61 －3.21 －4.92 160 －5.54 －5.98 －6.87

此外，從表1 可知，以125℃為參考溫度，500MPa、1000MPa 和1800MPa 下160℃對應的溫度移位因子分別為－5.98 和= －6.87，可見不同應力下的溫度移位因子是不同的，這與時間－溫度－應力等效原理的結果一致。同時，主曲線的時間跨度比試驗所經歷的時間(108s)顯著增大，例如，1800MPa 下的蠕變柔量主曲線的時間跨度達到5.14年(1.62 × 108s)。也就是說，依據時間－溫度等效原理，1800MPa 的應力作用下，對應于160℃的短期(86400s)蠕變應變和蠕變柔量測試數據，可以用來預估125℃時長達5.14年的蠕變性能。因此，時間－溫度等效原理提供了一種材料長期力學性能的加速表征方法。

2.2 以時間－應力移位因子構建蠕變主曲線

根據時間－應力等效原理，黏彈性材料高應力下短時間的力學性能與低應力下長時間的力學性能相當，即應力的增加相當于時間標尺的縮短。這種等效性可以通過對數坐標軸的平移來實現。蠕變柔量函數可表示為:

取σ =500MPa 為參考應力，將圖3 中其它應力下的蠕變應變－ 對數時間曲線向參考曲線作垂直移位，移位的距離就是相應的應力移位因子。利用MathCAD 程序計算移位曲線與參考曲線之間的最佳移位距離，計算結果為移位因子，所得蠕變應變主曲線如圖5 所示，移位因子見表2。

圖5 不同溫度蠕變應變主曲線Fig.5 The curve of creep-strain under different temperature conditions

表2 不同溫度下的時間-應力移位因子Table 2 The shifted divisor，of timestress under different temperature conditions

表2 不同溫度下的時間-應力移位因子Table 2 The shifted divisor，of timestress under different temperature conditions

σ/MPa T/℃125 140 160 500參考狀態 參考狀態 參考狀態1000 －4.10 －3.36 －2.94 1800 －6.08 －5.56 －5.01

此外，從表2 可知，以500MPa 為參考應力，125℃、140℃和160℃下1800MPa 對應的應力移位因子分別為= －5.56和= －5.01，可見不同溫度下的應力移位因子是不同的，這與時間－溫度－應力等效原理的結果一致。同時，主曲線的時間跨度比試驗所經歷的時間(8.13 ×106s)顯著增大，例如，160℃下的蠕變柔量主曲線的時間跨度達到94 天(8.13 ×106s)。也就是說，依據時間－ 應力等效原理，160℃的溫度作用下，對應于1800MPa 的短期(86400s)蠕變應變和蠕變柔量測試數據，可以用來預估500MPa 時長達94 天的蠕變性能。因此，時間－應力等效原理提供了一種材料長期力學性能的加速表征方法。

2.3 碳纖維復合芯棒長期蠕變性能預測

圖6 為通過125℃、140℃和160℃預測所得50℃時的蠕變應變曲線，由圖可見，三種溫度下的平移后曲線前期較為吻合，而后期140℃和160℃平移后所得50℃時的蠕變應變曲線較為吻合，而125℃平移所得差異較大，這主要是由于125℃時500MPa下的蠕變應變較小，其主曲線未能反應出蠕變實際過程，而僅僅是線性段，因此在后期非線性段產生較大誤差。

由圖6 中50℃時500MPa 下的應變主曲線可以預測1年(約107.5s)的蠕變應變量分別約為30.7με(由125℃預測)、20.3με(由140℃預測)和10.2με(由160℃預測)，即1km 長碳纖維復合芯導線1年由于蠕變伸長量為30.7mm、20.3mm 和10.2mm;而20年(約108.8s)的蠕變應變量約50.8με、50.1με和36.6με，即1km 長碳纖維復合芯導線20年由于蠕變伸長量為50.8mm、50.1mm 和36.6mm;30年(約109s)的蠕變應變量約56.4με、59.7με 和54.3με，即1km 長碳纖維復合芯導線30年由于蠕變伸長量為56.4mm、59.7mm 和54.3mm。

圖6 50℃時500MPa 蠕變性能預測Fig.6 The creep behavior of the ACCC conductor at 50℃and 500MPa

3 結論

在不同溫度和應力水平下對碳纖維復合芯進行了短期蠕變測試，分析了應力對碳纖維復合芯蠕變行為時間－溫度等效性的影響。在不同溫度和應力水平下對碳纖維復合芯進行了短期蠕變測試，基于時間－溫度－應力等效原理，采用兩種不同順序的分步移位方案對碳纖維復合芯的長期蠕變性能進行加速表征。并給出相應的移位因子和加速表征所能預測的時間尺度。研究結果驗證了時間－溫度－應力等效原理關于分步移位表述的可行性。與時間－溫度等效原理和時間－ 應力等效原理相比，時間－溫度－應力等效原理更有優勢作為碳纖維復合芯長期黏彈性能的加速表征方法。

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