小角度缠绕聚氨酯基复合材料电力杆塔的材料力学性能研究

李若谷，俞 俊

（南京电力金具设计研究院有限公司，南京 210000）

0 前言

目前我国架空线路用杆塔以水泥杆塔和钢管杆塔为主，但水泥杆塔和钢管杆塔普遍存在重量重、易腐烂、锈蚀或开裂等特点［1］；随着新材料技术及其制备工艺的发展，伴随着国家电网推广的“两型三新”政策，用复合材料杆塔替代现有水泥杆塔和钢管杆塔成为了可能。

复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀、电绝缘性好、可设计性强等特点［2］。早年在电力工程中普遍使用的环氧树脂、乙烯基树脂由于脆性大、耐老化性差、不可钻孔等原因在一定程度上制约了复合材料杆塔的发展；而近年来新研发的聚氨酯基复合材料具有耐腐蚀、耐老化、韧性好、绝缘性好、可钻孔等特点，解决了传统树脂的不足［3～7］。聚氨酯基复合材料杆塔可以提高线路运行的可靠性，降低维护频率，质量轻，施工运输方便，应用前景非常广阔。

国外研究复合材料杆塔已经有50 多年历史，美国、加拿大、荷兰等国家都有成功应用的案例，并具有一定的规模化应用［8,9］。我国从2009 年开始进行了一系列的复合材料杆塔示范工程，并取得了一定的进展，为日后大规模应用积累宝贵的经验［10～12］。

1 研究目的

复合材料杆塔分为拉挤型、缠绕型、拉挤缠绕一体型，本项目研究的10 kV配网输电杆塔主要采用的是缠绕工艺成型的单杆塔结构。考虑到复合材料的各项异性特性，需对复合材料的纤维铺层方向进行设计。复合材料是由树脂和纤维共同受力，纤维作为受力的主体，树脂只是起着传递力的作用，所以复合材料沿着纤维方向的强度和模量远远大于垂直于纤维方向的强度和模量。复合材料单杆塔主要受力方向是轴向弯曲、扭转、拉伸及剪切，所以目前国内外复合材料单杆塔普遍采用的是小角度缠绕工艺，以增加其轴向方向的力学性能。小角度缠绕工艺成型的复合材料杆塔其主要结构层的纤维方向与轴向的夹角在±5°～10°左右，但目前国内对复合材料的研究测试报道主要集中在0°或90°单向铺层、0°、90°交错铺层、±45°铺层。且对聚氨酯基复合材料的相关研究实验报道甚少。为了系统地研究聚氨酯基复合材料杆塔的力学性能，对复合材料杆塔的结构设计提供相关的设计参数，必须对结构层的小角度缠绕复合材料进行系统的材料方面的力学性能测试。

根据国标的制样标准，复合材料试样都是制成板状，进行切割加工制成标准试样条，考虑到在真型塔上截取制样会造成试样中纤维被大量破坏，测出的数据偏低，所以本项目采取模拟小角度铺层结构，用手工制成与轴向成一定夹角的交错层压板，进行切削加工测试。

2 制样

2.1 制样数量及规格

根据GB/T1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》、GB/T1448-2005 纤维增强塑料压缩性能试验方法》、GB/T1449-2005 纤维增强塑料弯曲性能试验方法》、ISO14130-1997《纤维增强塑料复合材料 用短试片法测定表观层间粘合剪切强度》、GB/T1454-2005《夹层结构测压性能试验方法》的相关规定，进行材料的制样：

（1）制作纤维铺层与轴向夹角±5°～10°的层压板，共铺4 层，厚度约3～4 mm的层压板4块，用作小角度层压板的轴向（±5°～10°）与环向（90°±5°～10°）方向的拉伸、弯曲、剪切、抗冲击性能测试。

（2）制作纤维铺层与轴向夹角±5°～10°的层压板，共铺8 层，厚度约6 mm的层压板1 块，用作小角度层压板的轴向（±5°～10°）与环向90°±（5°～10°）方向的压缩性能测试。

（3）制作纤维铺层沿轴向的单向层压板，共铺4 层，厚度约3～4 mm的层压板2 块，用作单向层压板的轴向（0°）与环向（90°）方向的拉伸、弯曲性能测试。

（4）制作纤维铺层沿轴向的单向层压板，共铺8 层，厚度约6 mm的层压板1 块，用作单向层压板的轴向（0°）与环向（90°）方向的压缩性能测试。

2.2 试验材料

制作层压板需要物品清单见表1 所示：

表1 物料清单

2.3 制样过程

（1）将实验室空调打开，尽量保持常温、控制实验室的湿度，最好保持在湿度40%以下。

（2）将无碱单向玻纤布剪成500 mm×400 mm的规格，剪好后放入烘箱内干燥半小时以上以除去纤维中的水分。

（3）将聚酯薄膜剪成700 mm×600 mm的规格，在聚酯薄膜上均匀的涂抹脱模剂，待半小时干燥后再涂抹一层，共涂抹3 层。

（4）将聚氨酯树脂按照比例进行混合，用电动搅拌机对树脂进行充分搅拌。

（5）将树脂均匀地倒在聚酯薄膜上，用刮板刮匀，按照设计好的角度铺放无碱单向玻纤布，用刮板来回刮动树脂，使树脂充分浸渍纤维，重复步骤铺放无碱单向玻纤布，刮树脂。待铺放到既定层数后，最上层铺放一层聚酯薄膜，用刮板赶走气泡和刮去多余的树脂。

（6）将薄膜和试样放在不锈钢夹具中，一起放入烘箱内160 ℃烘1～2 h，待其自然冷却。

（7）将试样四周飞边，取中间有效部位送至相关权威部门进行检测。

3 检测

3.1 检测设备

本试验检测试样拉压弯剪性能所使用的设备为万能电子拉力机INSTRON 3382，检测试样冲击性能所使用的设备为冲击试验机XJ～50Z。

3.2 检测数据

小角度层压板的力学性能检测数据详见表2所示：

表2 小角度层压板试验检测数据

单向层压板的力学性能检测数据详见表3所示：

表3 单向层压板试验检测数据

（续表）

0°方向层压板试样片拉伸前及拉伸后的照片及现场试验照片如图1、2 所示：

图1 0°拉伸试样拉伸破坏前后照片

图2 0°拉伸试样测试现场照片

0°方向层压板弯曲试样片破坏前与破坏后的照片及现场试验照片如图3、4、5 所示：

图3 0°弯曲试样的弯曲破坏前照片

图4 0°弯曲试样的弯曲破坏后照片

图5 0°弯曲试样测试现场照片

0°方向层压板弯曲试样片破坏前与破坏后的照片及现场试验照片如图6、7、8 所示：

图6 0°压缩试样的压缩破坏前照片

图7 0°压缩试样的压缩破坏后照片

图8 0°压缩试样测试现场照片

4 试验数据结果分析

4.1 模量计算公式与近似计算

对于单向板，应力应变关系为：

其中，

图9 坐标变换示意图

当坐标变换角度时（图9）存在应力应变关系：

其中：

平面应力条件下简化为：

由于试验数据缺乏横向模量、泊松比等参数，计算工时简化为

采用以上公式进行近似估算，结果详见表4～表7中：

表4 小角度层压板±5°～10°（轴向）拉伸模量计算

表5 小角度层压板90°±5°～10°（环向）拉伸模量计算（缺少数据，无法计算）

表6 小角度层压板±5°～10°（轴向）弯曲模量计算

表7 小角度层压板90°±5°～10°（环向）弯曲模量计算

4.2 强度计算公式与近似计算

在一定角度单向应力作用下条件下，如图10所示。

图10 坐标转换示意图

其应力计算公式为：

根据最大应力破坏准则，材料强度为：

依据以上计算公式，对杆塔层压板强度进行近似计算，结果详见表8～13 中：

表8 小角度层压板±5°～10°（轴向）拉伸强度

表9 小角度层压板90°±5°～10°（环向）拉伸强度（数据不足，无法计算）

表10 小角度层压板±5°～10°（轴向）弯曲强度

表11 小角度层压板90°±5°～10°（环向）弯曲强度

表12 小角度层压板±5°～10°（轴向）压缩强度

表13 小角度层压板90°±5°～10°（环向）压缩强度

5 总结

（1）小角度层压板±5°～10°（轴向）的实际拉伸强度、弯曲强度基本与理论计算相符，数值略低于理论数值，但在可控范围之内，但实际压缩强度略高于理论数值；

（2）小角度层压板90°±5°～10°（环向）的实际拉伸强度基本为聚氨酯树脂的拉伸强度，一般40～50 MPa；实际弯曲强度与理论计算相符，数值偏差略高，这与手糊制样树脂含量较高有一定关系；实际压缩强度与理论计算相符，数值与理论计算几乎一样，因而压缩强度主要受树脂的性能影响，与纤维的含量及纤维走向影响较小；

综上，此次试验测试出的小角度层压板的强度与模量的数值与理论计算出的数值在可控范围之内，其值偏小于理论计算值。这是因为由于强度理论建立在无限大层板上，没有考虑试验件有限宽度带来边界纤维不完整导致的应力集中破坏，所以理论估算会高于测试。