纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料輸電桿塔材料選型

張磊，孫清，趙雪靈，王虎長(zhǎng)，王學(xué)明，胡建民

（1.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，西安市，710049；2.西北電力設(shè)計(jì)院，西安市，710075）

0 引言

纖維增強(qiáng)樹(shù)脂（fiber reinforced plastics，F(xiàn)RP）是指由樹(shù)脂和纖維增強(qiáng)材料構(gòu)成的一類復(fù)合材料，具有比強(qiáng)度和比剛度高、抗疲勞性能好、耐腐蝕性能好以及便于大面積整體成型和具有特殊的電磁性能等優(yōu)點(diǎn)[1]，是輸電桿塔結(jié)構(gòu)較理想的材料。目前，復(fù)合材料輸電桿塔已在歐美地區(qū)和日本得到應(yīng)用，其中以美國(guó)的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用最為成熟[2-4]。我國(guó)在20世紀(jì)50年代對(duì)復(fù)合材料電桿進(jìn)行過(guò)研究，鑒于當(dāng)時(shí)材料性能和制造工藝的限制，未能得到推廣使用。近年來(lái)，隨著復(fù)合材料技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)輸電桿塔的缺陷逐步顯露，電力行業(yè)開(kāi)始關(guān)注對(duì)復(fù)合材料桿塔的應(yīng)用研究，部分單位和學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究[5-8]。但目前研究多是在宏觀層面對(duì)復(fù)合材料桿塔應(yīng)用可行性進(jìn)行探討，針對(duì)復(fù)合材料輸電桿塔原材料選擇和制造工藝方面的細(xì)節(jié)研究非常少。

本文依托±660 kV銀川東換流站—紅柳溝接地極線路工程，從纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的生產(chǎn)原料（纖維和樹(shù)脂）、加工成型工藝、產(chǎn)品形式等方面進(jìn)行了廣泛調(diào)研，最終推薦了適合輸電桿塔結(jié)構(gòu)采用的復(fù)合材料形式。

1 纖維與樹(shù)脂

纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料主要是由樹(shù)脂和纖維或其織物組成的。以混凝土構(gòu)件作為對(duì)比，復(fù)合材料的纖維相當(dāng)于鋼筋，樹(shù)脂相當(dāng)于混凝土。纖維起增強(qiáng)和承受荷載作用；基體樹(shù)脂起支撐、保護(hù)纖維，并在纖維間分配和傳遞荷載作用。因此，纖維和樹(shù)脂的選擇對(duì)復(fù)合材料性能有直接影響。

1.1 纖維

同一種材料，處于纖維狀態(tài)下的強(qiáng)度要比塊狀態(tài)下的高很多，這是因?yàn)槔w維直徑接近于晶體尺寸，內(nèi)部存在缺陷的概率低，缺陷尺寸小[9]，因此，纖維愈來(lái)愈受到人們重視。用于復(fù)合材料的纖維主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、硼纖維等，表1中列出了常用纖維的主要力學(xué)性能及其與鋼材的對(duì)比情況[9-18]。

由表1可見(jiàn)，纖維材料的比強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度/比重）遠(yuǎn)高于鋼材。其中，碳纖維的比強(qiáng)度最高，芳綸纖維次之，玻璃纖維最低。從比模量來(lái)看，碳纖維和芳綸纖維的比模量（拉伸模量/比重）高于鋼材，玻璃纖維的比模量與鋼材相當(dāng)。碳纖維的比強(qiáng)度和比模量都非常高，是實(shí)際工程中最佳選擇[14]。但是碳纖維材料是電的導(dǎo)體，因此不適合在輸電桿塔結(jié)構(gòu)中使用。芳綸纖維的比強(qiáng)度和比模量均較高，但其不能很好地與樹(shù)脂變形相協(xié)調(diào)，承受荷載時(shí)的整體性較差。在玻璃纖維中，E-玻璃纖維使用最普遍且較為經(jīng)濟(jì)，具有良好的電氣絕緣性及機(jī)械性能，廣泛用于生產(chǎn)電絕緣產(chǎn)品。因此在輸電桿塔結(jié)構(gòu)中可重點(diǎn)考慮采用E-玻璃纖維。

表1 代表性纖維軸向力學(xué)性能參數(shù)與鋼材的比較Tab.1 Comparison of mechanical parameters between typicalfibers and steel

1.2 樹(shù)脂

復(fù)合材料的基體樹(shù)脂是一種高分子聚合物，主要作用是支持、固定、保護(hù)纖維材料，傳遞纖維間的載荷，改善復(fù)合材料的某些性能?；w樹(shù)脂主要有2大類：熱固性樹(shù)脂和熱塑性樹(shù)脂。熱固性樹(shù)脂是通過(guò)加熱和加壓引起某種特定的化學(xué)反應(yīng)，使低分子聚合成高分子鏈，鏈與鏈之間又通過(guò)化學(xué)鍵交聯(lián)形成相對(duì)分子質(zhì)量無(wú)限大的三維空間網(wǎng)[11]。常用熱固性樹(shù)脂有環(huán)氧、酚醛和不飽和聚酯樹(shù)脂等。熱塑性樹(shù)脂只有線型分子鏈，具有優(yōu)越的韌性和抗沖擊性能，但高溫下可以軟化和熔融。輸電桿塔經(jīng)過(guò)的沙漠或戈壁地區(qū)，夏季溫度很高，因此不推薦采用熱塑性樹(shù)脂。表2列出了一些具有代表性的樹(shù)脂的性能指標(biāo)[9-18]。

由表2可以看出，環(huán)氧樹(shù)脂的拉伸、壓縮、彎曲強(qiáng)度均較高。另外，環(huán)氧樹(shù)脂應(yīng)用廣泛，優(yōu)點(diǎn)明顯：粘結(jié)力強(qiáng)、浸潤(rùn)性好、吸水性小、電絕緣性好、價(jià)格低廉[10]。因此，在輸電桿塔結(jié)構(gòu)中可重點(diǎn)考慮采用環(huán)氧樹(shù)脂。

表2 代表性樹(shù)脂基體的性能參數(shù)Tab.2 2 Properties of typical resin matrices

2 構(gòu)造形式及成型工藝

2.1 構(gòu)造形式

纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料有以下幾種構(gòu)造形式：

（1）層狀復(fù)合材料。層狀復(fù)合材料可分為單層復(fù)合材料和多層復(fù)合材料。單層復(fù)合材料中纖維按一個(gè)方向整齊排列或雙向交織纖維平面排列。雖然纖維和基體可能都是各向同性材料，但由于纖維排列的方向性，單層材料一般是各向異性的。多層復(fù)合材料由單層材料按照規(guī)定的纖維方向和次序，鋪放成多層形式，進(jìn)行粘合、加熱固化處理而成，各層單層材料的纖維方向一般不同[10]。

（2）夾層復(fù)合材料。夾層復(fù)合材料是由2塊復(fù)合材料層合板之間填充低密度的芯材所制成。夾層復(fù)合材料的芯材主要有蜂窩和硬質(zhì)泡沫塑料等。夾層復(fù)合材料具有彎曲剛度高和輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。

（3）三維編織復(fù)合材料。三維編織復(fù)合材料是將纖維束編織成三維預(yù)成型骨架，然后充入基體制成。這類復(fù)合材料克服了層狀復(fù)合材料層間強(qiáng)度低的弱點(diǎn)，具有較高的抗沖擊性能和損傷容限[9]。

（5）短纖維復(fù)合材料。短纖維復(fù)合材料的構(gòu)造形式可分為2種：隨機(jī)取向的短切纖維復(fù)合材料，由基體與短纖維攪拌均勻模壓而成的單層復(fù)合材料；單向短纖維復(fù)合材料，復(fù)合材料中短切纖維呈單向整齊排列，它具有正交各向異性[10]。

2.2 成型工藝

加工成型是保證復(fù)合材料中纖維和基體共同工作的前提，對(duì)復(fù)合材料的物理力學(xué)性能影響顯著。因此在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮加工成型工藝。纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的主要成型技術(shù)有：

（1）手糊成型技術(shù)。在室溫低壓或無(wú)壓下用樹(shù)脂將纖維和織物粘接成型，以前是人工操作完成，因此稱為手糊。這種方法可生產(chǎn)出形狀復(fù)雜、纖維鋪陳方向任意、大尺寸的FRP產(chǎn)品，但產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定[14]，適合生產(chǎn)品種多、量小的大型制品。

（2）模壓成型技術(shù)。模壓成型是指將預(yù)浸樹(shù)脂的纖維或織物放入模具中進(jìn)行加溫加壓固化。模壓成型的模具由陰、陽(yáng)模兩部分組成，增強(qiáng)材料一般為短切纖維氈、連續(xù)纖維氈和織物。這種工藝生產(chǎn)出的型材尺寸準(zhǔn)確、表面光潔、質(zhì)量穩(wěn)定，但通常纖維含量較低，力學(xué)性能較差，適合生產(chǎn)量大、尺寸要求精確的制品[1]。

（3）樹(shù)脂傳遞模塑（resin transfermolding，RTM）成型技術(shù)。首先將增強(qiáng)纖維按要求制成一定形狀放入模具中，然后采用注射設(shè)備將專用樹(shù)脂注入模具。模具周邊具有密封、注射及排氣系統(tǒng)，以保證樹(shù)脂流動(dòng)徹底浸潤(rùn)纖維并排出模腔中的全部氣體。模具充滿后，通過(guò)加熱使樹(shù)脂發(fā)生反應(yīng)，交聯(lián)固化。最后打開(kāi)模具取出制件。RTM成型技術(shù)具有效率高、投資低、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，適宜多品種、中批量、高質(zhì)量復(fù)合材料制品生產(chǎn)的成型技術(shù)[1]。

（4）纖維纏繞成型技術(shù)。在專門的纏繞機(jī)上，將連續(xù)纖維束或纖維織物浸漬樹(shù)脂后均勻地、有規(guī)律地纏繞在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的芯模上，再經(jīng)過(guò)固化形成以環(huán)向纖維為主的型材。主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省原材料、制造成本低、纖維含量高，力學(xué)性能較好，可承受很大的內(nèi)壓，廣泛用于壓力容器、管道。缺點(diǎn)是制件固化后須除去芯模、不適宜制造帶凹曲面的型材。

（5）拉擠成型技術(shù)。將纖維束或纖維織物經(jīng)樹(shù)脂浸漬，進(jìn)入預(yù)成型模，將多余樹(shù)脂和氣泡排出，再進(jìn)入成型模凝膠、固化。固化后的制品由牽引機(jī)連續(xù)不斷地從模具拔出，最后由切斷機(jī)定長(zhǎng)切斷。拉擠工藝可生產(chǎn)各種斷面形狀的連續(xù)型材，如棒、管、實(shí)體型材（工字形、槽形、方形型材）等。拉擠成型技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)是：1）生產(chǎn)過(guò)程完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，生產(chǎn)效率高；2）纖維主要沿軸向分布且纖維含量最高可達(dá)80％，產(chǎn)品強(qiáng)度高，可直接作為受力構(gòu)件；3）生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)邊角廢料，產(chǎn)品不須后加工，故較其他工藝省工、省原料、省能；4）制品質(zhì)量穩(wěn)定，重復(fù)性好，長(zhǎng)度可任意切斷。拉擠成型工藝的缺點(diǎn)是產(chǎn)品形狀單調(diào)，只能生產(chǎn)線形型材，而且橫向強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度較低，一般在拉擠成型工藝中均需同時(shí)復(fù)合一定數(shù)量的氈。

綜上所述，各種成型工藝不但影響產(chǎn)品的產(chǎn)品形式，而且對(duì)材料的物理力學(xué)性能也有非常顯著的影響。另外各種成型工藝的生產(chǎn)效率、質(zhì)量控制等因素直接影響到工程進(jìn)度，也需要重點(diǎn)考慮。對(duì)于輸電桿塔而言，其主要受力構(gòu)件類型為軸向拉壓構(gòu)件，其主要受力方向?yàn)闂U件軸向，與拉擠型材的主方向一致。同時(shí)拉擠型材機(jī)械加工方便，質(zhì)量易于控制，便于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。因此，應(yīng)重點(diǎn)考慮拉擠成型工藝。

3 產(chǎn)品形式及型材選擇

3.1 產(chǎn)品形式

纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料產(chǎn)品形式主要有片材、棒材、格柵、型材等。

（1）片材包括纖維布和復(fù)合板。纖維布是目前復(fù)合材料應(yīng)用最廣泛的形式。纖維布一般只能承受單向拉伸作用，主要用于結(jié)構(gòu)的加固，用樹(shù)脂浸潤(rùn)后粘貼于結(jié)構(gòu)表面。纖維布也可用作生產(chǎn)其他FRP制品的原料。復(fù)合板是將纖維在工廠經(jīng)過(guò)平鋪、浸潤(rùn)樹(shù)脂、固化成型制成。復(fù)合板可以承受纖維方向的拉壓作用，但在垂直纖維方向的強(qiáng)度和彈性模量很低。

（2）棒材包括FRP索和FRP筋。FRP索是將連續(xù)的長(zhǎng)纖維單向編織成索狀，再用少量樹(shù)脂浸潤(rùn)固化而成。FRP索可用于大跨索支撐結(jié)構(gòu)、張拉結(jié)構(gòu)和懸索結(jié)構(gòu)。FRP筋是將單向長(zhǎng)纖維與樹(shù)脂混合成型后，經(jīng)拉擠成型技術(shù)和必要的表面處理而制成。FRP筋可用于混凝土中代替普通鋼筋，也可用作預(yù)應(yīng)力筋。

（3）格柵有2種成型方式：一是拉擠成型，二是模塑成型。模塑成型是將長(zhǎng)纖維束按照一定的間距相互垂直交叉編織，再用大型金屬模具澆鑄成型的帶有規(guī)則空格的板狀材料。格柵可直接用于結(jié)構(gòu)中作為樓面或制成夾心板等構(gòu)件。

（4）型材根據(jù)制造工藝不同可分為拉擠型材、纏繞型材、模壓型材及手糊制品等。對(duì)于輸電桿塔而言，可重點(diǎn)考慮拉擠型材。圖1是各種截面的拉擠型材。

3.2 型材選擇

目前我國(guó)市場(chǎng)上的復(fù)合材料型材主要有以下幾種：

（1）非受力構(gòu)件型材。該類型材主要以不飽和聚脂樹(shù)脂作為基體，玻璃纖維作為纖維增強(qiáng)材料，通過(guò)拉擠成型，主要用于管道、格柵等非受力構(gòu)件或受力較小的構(gòu)件，如圖2所示。該類型材充分利用復(fù)合材料的耐腐蝕性，并且其價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛，但其強(qiáng)度和彈性模量均較低，不適合用作輸電桿塔結(jié)構(gòu)。

（2）環(huán)氧/玻璃纖維型材。該類型材采用環(huán)氧樹(shù)脂作為基體，玻璃纖維作為受力纖維，采用纏繞工藝制成，其物理力學(xué)性能有很大改善，其主要參數(shù)如表3所示。

表3 環(huán)氧/玻璃型材主要物理力學(xué)性能參數(shù)Tab.3 Mechanical properties of glass fiber/epoxy sectionalmaterial

由表3可以看出，該類型材壓縮強(qiáng)度為119MPa（僅為Q235鋼材的一半左右），彎曲模量為11.3GPa（僅為鋼材的1/18左右），均較鋼材有明顯的降低。可以預(yù)見(jiàn)，如在輸電桿塔結(jié)構(gòu)中采用該類復(fù)合材料，變形將非常大，成為桿塔設(shè)計(jì)的主要控制因素。

（3）增強(qiáng)型環(huán)氧/玻璃纖維型材。該類型材采用環(huán)氧樹(shù)脂作為基體，增強(qiáng)的玻璃纖維作為受力纖維，并添加復(fù)合劑，編制成布，然后采用纏繞工藝成型，其主要的物理力學(xué)性能指標(biāo)如表4所示。

由表4可看出，該復(fù)合材料的單向強(qiáng)度可達(dá)到831MPa，比Q420鋼強(qiáng)度高近1倍。雙向復(fù)合材料可達(dá)423MPa，與Q420鋼強(qiáng)度相當(dāng)。拉伸模量達(dá)42.1GPa，約為鋼材的1/5。如采用該復(fù)合材料設(shè)計(jì)輸電桿塔，其變形將近一步降低。因?yàn)樵摬牧咸砑恿藘?yōu)異的抗老化成分，在抗老化方面表現(xiàn)優(yōu)異，但其價(jià)格較為昂貴，極大地限制了該類材料的應(yīng)用。

（4）環(huán)氧/E-玻璃纖維型材。該類型材采用環(huán)氧樹(shù)脂作為基體，E-玻璃纖維作為增強(qiáng)纖維，采用拉擠-纏繞工藝成型，具有良好的電氣絕緣性及機(jī)械性能。該類復(fù)合材料的強(qiáng)度能在環(huán)氧玻璃型材的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高，其主要物理力學(xué)性能參數(shù)如表5所示。

由表5可看出，該類型材拉伸強(qiáng)度達(dá)1 100MPa，壓縮強(qiáng)度達(dá)586MPa（為Q235的2倍左右），壓縮模量達(dá)39.3GPa（為鋼材的1/5左右），較環(huán)氧玻璃型材有明顯的提高。如在桿塔結(jié)構(gòu)中采用該類復(fù)合材料，變形將有所減小。該類材料價(jià)格為1.3萬(wàn)元/t～1.8萬(wàn)元/t，價(jià)格適中。

以上介紹了我國(guó)目前市場(chǎng)上主要的4種型材，表6將其主要的物理力學(xué)能標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比。由表6可以看出，環(huán)氧/E-玻璃纖維型材的各項(xiàng)性能均較優(yōu)，并且其價(jià)格比較適中。因此，建議在輸電桿塔材料設(shè)計(jì)中采用環(huán)氧/E-玻璃纖維型材。考慮到復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性，應(yīng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行材料改進(jìn)，使材料性能盡可能優(yōu)化。

表4 增強(qiáng)型環(huán)氧/玻璃纖維型材主要物理力學(xué)性能參數(shù)Tab.4 Mechanical properties of reinforced glass fiber/epoxysectional material

表5 環(huán)氧//E E--玻璃纖維型材主要物理力學(xué)性能參數(shù)Tab.5 Mechanical properties of E-glass fiber/epoxy sectional

表6 目前我國(guó)市場(chǎng)上44種主要的復(fù)合材料型材對(duì)比Tab.6 Contrastive analysis of mechanical properties and cost

4 結(jié)論

（1）推薦在輸電桿塔結(jié)構(gòu)中采用拉擠成型工藝生產(chǎn)的E-玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料。

（2）建議輸電桿塔設(shè)計(jì)部門與復(fù)合材料生產(chǎn)廠家、科研院所合作研究，通過(guò)調(diào)整纖維布置方向、纖維含量等改進(jìn)復(fù)合材料性能。

（3）建議進(jìn)一步研究通過(guò)改進(jìn)環(huán)氧樹(shù)脂基提高復(fù)合材料性能的可行性。

（4）鑒于環(huán)氧/E-玻璃纖維復(fù)合材料彈性模量遠(yuǎn)低于鋼材，輸電桿塔設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)把控制塔身變形作為重點(diǎn)。

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