纖維增強樹脂基復合材料輸電桿塔材料選型

張磊，孫清，趙雪靈，王虎長，王學明，胡建民

（1.西安交通大學人居環境與建筑工程學院，西安市，710049；2.西北電力設計院，西安市，710075）

0 引言

纖維增強樹脂（fiber reinforced plastics，FRP）是指由樹脂和纖維增強材料構成的一類復合材料，具有比強度和比剛度高、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點[1]，是輸電桿塔結構較理想的材料。目前，復合材料輸電桿塔已在歐美地區和日本得到應用，其中以美國的研究開發和應用最為成熟[2-4]。我國在20世紀50年代對復合材料電桿進行過研究，鑒于當時材料性能和制造工藝的限制，未能得到推廣使用。近年來，隨著復合材料技術的飛速發展和傳統輸電桿塔的缺陷逐步顯露，電力行業開始關注對復合材料桿塔的應用研究，部分單位和學者對此進行了相關研究[5-8]。但目前研究多是在宏觀層面對復合材料桿塔應用可行性進行探討，針對復合材料輸電桿塔原材料選擇和制造工藝方面的細節研究非常少。

本文依托±660 kV銀川東換流站—紅柳溝接地極線路工程，從纖維增強樹脂基復合材料的生產原料（纖維和樹脂）、加工成型工藝、產品形式等方面進行了廣泛調研，最終推薦了適合輸電桿塔結構采用的復合材料形式。

1 纖維與樹脂

纖維增強樹脂基復合材料主要是由樹脂和纖維或其織物組成的。以混凝土構件作為對比，復合材料的纖維相當于鋼筋，樹脂相當于混凝土。纖維起增強和承受荷載作用；基體樹脂起支撐、保護纖維，并在纖維間分配和傳遞荷載作用。因此，纖維和樹脂的選擇對復合材料性能有直接影響。

1.1 纖維

同一種材料，處于纖維狀態下的強度要比塊狀態下的高很多，這是因為纖維直徑接近于晶體尺寸，內部存在缺陷的概率低，缺陷尺寸小[9]，因此，纖維愈來愈受到人們重視。用于復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性能及其與鋼材的對比情況[9-18]。

由表1可見，纖維材料的比強度（拉伸強度/比重）遠高于鋼材。其中，碳纖維的比強度最高，芳綸纖維次之，玻璃纖維最低。從比模量來看，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。碳纖維的比強度和比模量都非常高，是實際工程中最佳選擇[14]。但是碳纖維材料是電的導體，因此不適合在輸電桿塔結構中使用。芳綸纖維的比強度和比模量均較高，但其不能很好地與樹脂變形相協調，承受荷載時的整體性較差。在玻璃纖維中，E-玻璃纖維使用最普遍且較為經濟，具有良好的電氣絕緣性及機械性能，廣泛用于生產電絕緣產品。因此在輸電桿塔結構中可重點考慮采用E-玻璃纖維。

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

1.2 樹脂

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

由表2可以看出，環氧樹脂的拉伸、壓縮、彎曲強度均較高。另外，環氧樹脂應用廣泛，優點明顯：粘結力強、浸潤性好、吸水性小、電絕緣性好、價格低廉[10]。因此，在輸電桿塔結構中可重點考慮采用環氧樹脂。

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

2 構造形式及成型工藝

2.1 構造形式

纖維增強樹脂基復合材料有以下幾種構造形式：

（1）層狀復合材料。層狀復合材料可分為單層復合材料和多層復合材料。單層復合材料中纖維按一個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。多層復合材料由單層材料按照規定的纖維方向和次序，鋪放成多層形式，進行粘合、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）夾層復合材料。夾層復合材料是由2塊復合材料層合板之間填充低密度的芯材所制成。夾層復合材料的芯材主要有蜂窩和硬質泡沫塑料等。夾層復合材料具有彎曲剛度高和輕質的優點。

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

（5）短纖維復合材料。短纖維復合材料的構造形式可分為2種：隨機取向的短切纖維復合材料，由基體與短纖維攪拌均勻模壓而成的單層復合材料；單向短纖維復合材料，復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

加工成型是保證復合材料中纖維和基體共同工作的前提，對復合材料的物理力學性能影響顯著。因此在復合材料結構的設計時必須考慮加工成型工藝。纖維增強樹脂基復合材料的主要成型技術有：

（1）手糊成型技術。在室溫低壓或無壓下用樹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。這種方法可生產出形狀復雜、纖維鋪陳方向任意、大尺寸的FRP產品，但產品質量不易穩定[14]，適合生產品種多、量小的大型制品。

（2）模壓成型技術。模壓成型是指將預浸樹脂的纖維或織物放入模具中進行加溫加壓固化。模壓成型的模具由陰、陽模兩部分組成，增強材料一般為短切纖維氈、連續纖維氈和織物。這種工藝生產出的型材尺寸準確、表面光潔、質量穩定，但通常纖維含量較低，力學性能較差，適合生產量大、尺寸要求精確的制品[1]。

（3）樹脂傳遞模塑（resin transfermolding，RTM）成型技術。首先將增強纖維按要求制成一定形狀放入模具中，然后采用注射設備將專用樹脂注入模具。模具周邊具有密封、注射及排氣系統，以保證樹脂流動徹底浸潤纖維并排出模腔中的全部氣體。模具充滿后，通過加熱使樹脂發生反應，交聯固化。最后打開模具取出制件。RTM成型技術具有效率高、投資低、綠色環保等優點，適宜多品種、中批量、高質量復合材料制品生產的成型技術[1]。

（4）纖維纏繞成型技術。在專門的纏繞機上，將連續纖維束或纖維織物浸漬樹脂后均勻地、有規律地纏繞在一個轉動的芯模上，再經過固化形成以環向纖維為主的型材。主要優點是節省原材料、制造成本低、纖維含量高，力學性能較好，可承受很大的內壓，廣泛用于壓力容器、管道。缺點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。將纖維束或纖維織物經樹脂浸漬，進入預成型模，將多余樹脂和氣泡排出，再進入成型模凝膠、固化。固化后的制品由牽引機連續不斷地從模具拔出，最后由切斷機定長切斷。拉擠工藝可生產各種斷面形狀的連續型材，如棒、管、實體型材（工字形、槽形、方形型材）等。拉擠成型技術主要優點是：1）生產過程完全實現自動化控制，生產效率高；2）纖維主要沿軸向分布且纖維含量最高可達80％，產品強度高，可直接作為受力構件；3）生產過程中無邊角廢料，產品不須后加工，故較其他工藝省工、省原料、省能；4）制品質量穩定，重復性好，長度可任意切斷。拉擠成型工藝的缺點是產品形狀單調，只能生產線形型材，而且橫向強度和剪切強度較低，一般在拉擠成型工藝中均需同時復合一定數量的氈。

綜上所述，各種成型工藝不但影響產品的產品形式，而且對材料的物理力學性能也有非常顯著的影響。另外各種成型工藝的生產效率、質量控制等因素直接影響到工程進度，也需要重點考慮。對于輸電桿塔而言，其主要受力構件類型為軸向拉壓構件，其主要受力方向為桿件軸向，與拉擠型材的主方向一致。同時拉擠型材機械加工方便，質量易于控制，便于產業化生產。因此，應重點考慮拉擠成型工藝。

3 產品形式及型材選擇

3.1 產品形式

纖維增強樹脂基復合材料產品形式主要有片材、棒材、格柵、型材等。

（1）片材包括纖維布和復合板。纖維布是目前復合材料應用最廣泛的形式。纖維布一般只能承受單向拉伸作用，主要用于結構的加固，用樹脂浸潤后粘貼于結構表面。纖維布也可用作生產其他FRP制品的原料。復合板是將纖維在工廠經過平鋪、浸潤樹脂、固化成型制成。復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度和彈性模量很低。

（2）棒材包括FRP索和FRP筋。FRP索是將連續的長纖維單向編織成索狀，再用少量樹脂浸潤固化而成。FRP索可用于大跨索支撐結構、張拉結構和懸索結構。FRP筋是將單向長纖維與樹脂混合成型后，經拉擠成型技術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，也可用作預應力筋。

（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則空格的板狀材料。格柵可直接用于結構中作為樓面或制成夾心板等構件。

（4）型材根據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。對于輸電桿塔而言，可重點考慮拉擠型材。圖1是各種截面的拉擠型材。

3.2 型材選擇

目前我國市場上的復合材料型材主要有以下幾種：

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

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

表3 環氧/玻璃型材主要物理力學性能參數Tab.3 Mechanical properties of glass fiber/epoxy sectionalmaterial

由表3可以看出，該類型材壓縮強度為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。可以預見，如在輸電桿塔結構中采用該類復合材料，變形將非常大，成為桿塔設計的主要控制因素。

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

由表4可看出，該復合材料的單向強度可達到831MPa，比Q420鋼強度高近1倍。雙向復合材料可達423MPa，與Q420鋼強度相當。拉伸模量達42.1GPa，約為鋼材的1/5。如采用該復合材料設計輸電桿塔，其變形將近一步降低。因為該材料添加了優異的抗老化成分，在抗老化方面表現優異，但其價格較為昂貴，極大地限制了該類材料的應用。

（4）環氧/E-玻璃纖維型材。該類型材采用環氧樹脂作為基體，E-玻璃纖維作為增強纖維，采用拉擠-纏繞工藝成型，具有良好的電氣絕緣性及機械性能。該類復合材料的強度能在環氧玻璃型材的基礎上進一步提高，其主要物理力學性能參數如表5所示。

由表5可看出，該類型材拉伸強度達1 100MPa，壓縮強度達586MPa（為Q235的2倍左右），壓縮模量達39.3GPa（為鋼材的1/5左右），較環氧玻璃型材有明顯的提高。如在桿塔結構中采用該類復合材料，變形將有所減小。該類材料價格為1.3萬元/t～1.8萬元/t，價格適中。

以上介紹了我國目前市場上主要的4種型材，表6將其主要的物理力學能標進行了對比。由表6可以看出，環氧/E-玻璃纖維型材的各項性能均較優，并且其價格比較適中。因此，建議在輸電桿塔材料設計中采用環氧/E-玻璃纖維型材。考慮到復合材料的可設計性，應在此基礎上進行材料改進，使材料性能盡可能優化。

表4 增強型環氧/玻璃纖維型材主要物理力學性能參數Tab.4 Mechanical properties of reinforced glass fiber/epoxysectional material

表5 環氧//E E--玻璃纖維型材主要物理力學性能參數Tab.5 Mechanical properties of E-glass fiber/epoxy sectional

表6 目前我國市場上44種主要的復合材料型材對比Tab.6 Contrastive analysis of mechanical properties and cost

4 結論

（1）推薦在輸電桿塔結構中采用拉擠成型工藝生產的E-玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料。

（2）建議輸電桿塔設計部門與復合材料生產廠家、科研院所合作研究，通過調整纖維布置方向、纖維含量等改進復合材料性能。

（3）建議進一步研究通過改進環氧樹脂基提高復合材料性能的可行性。

（4）鑒于環氧/E-玻璃纖維復合材料彈性模量遠低于鋼材，輸電桿塔設計時，應把控制塔身變形作為重點。

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