小角度纏繞聚氨酯基復合材料電力桿塔的材料力學性能研究

李若谷，俞 俊

（南京電力金具設計研究院有限公司，南京 210000）

0 前言

目前我國架空線路用桿塔以水泥桿塔和鋼管桿塔為主，但水泥桿塔和鋼管桿塔普遍存在重量重、易腐爛、銹蝕或開裂等特點［1］；隨著新材料技術及其制備工藝的發展，伴隨著國家電網推廣的“兩型三新”政策，用復合材料桿塔替代現有水泥桿塔和鋼管桿塔成為了可能。

復合材料具有輕質、高強、耐腐蝕、電絕緣性好、可設計性強等特點［2］。早年在電力工程中普遍使用的環氧樹脂、乙烯基樹脂由于脆性大、耐老化性差、不可鉆孔等原因在一定程度上制約了復合材料桿塔的發展；而近年來新研發的聚氨酯基復合材料具有耐腐蝕、耐老化、韌性好、絕緣性好、可鉆孔等特點，解決了傳統樹脂的不足［3～7］。聚氨酯基復合材料桿塔可以提高線路運行的可靠性，降低維護頻率，質量輕，施工運輸方便，應用前景非常廣闊。

國外研究復合材料桿塔已經有50 多年歷史，美國、加拿大、荷蘭等國家都有成功應用的案例，并具有一定的規模化應用［8,9］。我國從2009 年開始進行了一系列的復合材料桿塔示范工程，并取得了一定的進展，為日后大規模應用積累寶貴的經驗［10～12］。

1 研究目的

復合材料桿塔分為拉擠型、纏繞型、拉擠纏繞一體型，本項目研究的10 kV配網輸電桿塔主要采用的是纏繞工藝成型的單桿塔結構。考慮到復合材料的各項異性特性，需對復合材料的纖維鋪層方向進行設計。復合材料是由樹脂和纖維共同受力，纖維作為受力的主體，樹脂只是起著傳遞力的作用，所以復合材料沿著纖維方向的強度和模量遠遠大于垂直于纖維方向的強度和模量。復合材料單桿塔主要受力方向是軸向彎曲、扭轉、拉伸及剪切，所以目前國內外復合材料單桿塔普遍采用的是小角度纏繞工藝，以增加其軸向方向的力學性能。小角度纏繞工藝成型的復合材料桿塔其主要結構層的纖維方向與軸向的夾角在±5°～10°左右，但目前國內對復合材料的研究測試報道主要集中在0°或90°單向鋪層、0°、90°交錯鋪層、±45°鋪層。且對聚氨酯基復合材料的相關研究實驗報道甚少。為了系統地研究聚氨酯基復合材料桿塔的力學性能，對復合材料桿塔的結構設計提供相關的設計參數，必須對結構層的小角度纏繞復合材料進行系統的材料方面的力學性能測試。

根據國標的制樣標準，復合材料試樣都是制成板狀，進行切割加工制成標準試樣條，考慮到在真型塔上截取制樣會造成試樣中纖維被大量破壞，測出的數據偏低，所以本項目采取模擬小角度鋪層結構，用手工制成與軸向成一定夾角的交錯層壓板，進行切削加工測試。

2 制樣

2.1 制樣數量及規格

根據GB/T1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》、GB/T1448-2005 纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》、GB/T1449-2005 纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》、ISO14130-1997《纖維增強塑料復合材料 用短試片法測定表觀層間粘合剪切強度》、GB/T1454-2005《夾層結構測壓性能試驗方法》的相關規定，進行材料的制樣：

（1）制作纖維鋪層與軸向夾角±5°～10°的層壓板，共鋪4 層，厚度約3～4 mm的層壓板4塊，用作小角度層壓板的軸向（±5°～10°）與環向（90°±5°～10°）方向的拉伸、彎曲、剪切、抗沖擊性能測試。

（2）制作纖維鋪層與軸向夾角±5°～10°的層壓板，共鋪8 層，厚度約6 mm的層壓板1 塊，用作小角度層壓板的軸向（±5°～10°）與環向90°±（5°～10°）方向的壓縮性能測試。

（3）制作纖維鋪層沿軸向的單向層壓板，共鋪4 層，厚度約3～4 mm的層壓板2 塊，用作單向層壓板的軸向（0°）與環向（90°）方向的拉伸、彎曲性能測試。

（4）制作纖維鋪層沿軸向的單向層壓板，共鋪8 層，厚度約6 mm的層壓板1 塊，用作單向層壓板的軸向（0°）與環向（90°）方向的壓縮性能測試。

2.2 試驗材料

制作層壓板需要物品清單見表1 所示：

表1 物料清單

2.3 制樣過程

（1）將實驗室空調打開，盡量保持常溫、控制實驗室的濕度，最好保持在濕度40%以下。

（2）將無堿單向玻纖布剪成500 mm×400 mm的規格，剪好后放入烘箱內干燥半小時以上以除去纖維中的水分。

（3）將聚酯薄膜剪成700 mm×600 mm的規格，在聚酯薄膜上均勻的涂抹脫模劑，待半小時干燥后再涂抹一層，共涂抹3 層。

（4）將聚氨酯樹脂按照比例進行混合，用電動攪拌機對樹脂進行充分攪拌。

（5）將樹脂均勻地倒在聚酯薄膜上，用刮板刮勻，按照設計好的角度鋪放無堿單向玻纖布，用刮板來回刮動樹脂，使樹脂充分浸漬纖維，重復步驟鋪放無堿單向玻纖布，刮樹脂。待鋪放到既定層數后，最上層鋪放一層聚酯薄膜，用刮板趕走氣泡和刮去多余的樹脂。

（6）將薄膜和試樣放在不銹鋼夾具中，一起放入烘箱內160 ℃烘1～2 h，待其自然冷卻。

（7）將試樣四周飛邊，取中間有效部位送至相關權威部門進行檢測。

3 檢測

3.1 檢測設備

本試驗檢測試樣拉壓彎剪性能所使用的設備為萬能電子拉力機INSTRON 3382，檢測試樣沖擊性能所使用的設備為沖擊試驗機XJ～50Z。

3.2 檢測數據

小角度層壓板的力學性能檢測數據詳見表2所示：

表2 小角度層壓板試驗檢測數據

單向層壓板的力學性能檢測數據詳見表3所示：

表3 單向層壓板試驗檢測數據

（續表）

0°方向層壓板試樣片拉伸前及拉伸后的照片及現場試驗照片如圖1、2 所示：

圖1 0°拉伸試樣拉伸破壞前后照片

圖2 0°拉伸試樣測試現場照片

0°方向層壓板彎曲試樣片破壞前與破壞后的照片及現場試驗照片如圖3、4、5 所示：

圖3 0°彎曲試樣的彎曲破壞前照片

圖4 0°彎曲試樣的彎曲破壞后照片

圖5 0°彎曲試樣測試現場照片

0°方向層壓板彎曲試樣片破壞前與破壞后的照片及現場試驗照片如圖6、7、8 所示：

圖6 0°壓縮試樣的壓縮破壞前照片

圖7 0°壓縮試樣的壓縮破壞后照片

圖8 0°壓縮試樣測試現場照片

4 試驗數據結果分析

4.1 模量計算公式與近似計算

對于單向板，應力應變關系為：

其中，

圖9 坐標變換示意圖

當坐標變換角度時（圖9）存在應力應變關系：

其中：

平面應力條件下簡化為：

由于試驗數據缺乏橫向模量、泊松比等參數，計算工時簡化為

采用以上公式進行近似估算，結果詳見表4～表7中：

表4 小角度層壓板±5°～10°（軸向）拉伸模量計算

表5 小角度層壓板90°±5°～10°（環向）拉伸模量計算（缺少數據，無法計算）

表6 小角度層壓板±5°～10°（軸向）彎曲模量計算

表7 小角度層壓板90°±5°～10°（環向）彎曲模量計算

4.2 強度計算公式與近似計算

在一定角度單向應力作用下條件下，如圖10所示。

圖10 坐標轉換示意圖

其應力計算公式為：

根據最大應力破壞準則，材料強度為：

依據以上計算公式，對桿塔層壓板強度進行近似計算，結果詳見表8～13 中：

表8 小角度層壓板±5°～10°（軸向）拉伸強度

表9 小角度層壓板90°±5°～10°（環向）拉伸強度（數據不足，無法計算）

表10 小角度層壓板±5°～10°（軸向）彎曲強度

表11 小角度層壓板90°±5°～10°（環向）彎曲強度

表12 小角度層壓板±5°～10°（軸向）壓縮強度

表13 小角度層壓板90°±5°～10°（環向）壓縮強度

5 總結

（1）小角度層壓板±5°～10°（軸向）的實際拉伸強度、彎曲強度基本與理論計算相符，數值略低于理論數值，但在可控范圍之內，但實際壓縮強度略高于理論數值；

（2）小角度層壓板90°±5°～10°（環向）的實際拉伸強度基本為聚氨酯樹脂的拉伸強度，一般40～50 MPa；實際彎曲強度與理論計算相符，數值偏差略高，這與手糊制樣樹脂含量較高有一定關系；實際壓縮強度與理論計算相符，數值與理論計算幾乎一樣，因而壓縮強度主要受樹脂的性能影響，與纖維的含量及纖維走向影響較小；

綜上，此次試驗測試出的小角度層壓板的強度與模量的數值與理論計算出的數值在可控范圍之內，其值偏小于理論計算值。這是因為由于強度理論建立在無限大層板上，沒有考慮試驗件有限寬度帶來邊界纖維不完整導致的應力集中破壞，所以理論估算會高于測試。