纤维增强树脂基复合材料输电杆塔材料选型

张磊，孙清，赵雪灵，王虎长，王学明，胡建民

（1.西安交通大学人居环境与建筑工程学院，西安市，710049；2.西北电力设计院，西安市，710075）

0 引言

纤维增强树脂（fiber reinforced plastics，FRP）是指由树脂和纤维增强材料构成的一类复合材料，具有比强度和比刚度高、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能好以及便于大面积整体成型和具有特殊的电磁性能等优点[1]，是输电杆塔结构较理想的材料。目前，复合材料输电杆塔已在欧美地区和日本得到应用，其中以美国的研究开发和应用最为成熟[2-4]。我国在20世纪50年代对复合材料电杆进行过研究，鉴于当时材料性能和制造工艺的限制，未能得到推广使用。近年来，随着复合材料技术的飞速发展和传统输电杆塔的缺陷逐步显露，电力行业开始关注对复合材料杆塔的应用研究，部分单位和学者对此进行了相关研究[5-8]。但目前研究多是在宏观层面对复合材料杆塔应用可行性进行探讨，针对复合材料输电杆塔原材料选择和制造工艺方面的细节研究非常少。

本文依托±660 kV银川东换流站—红柳沟接地极线路工程，从纤维增强树脂基复合材料的生产原料（纤维和树脂）、加工成型工艺、产品形式等方面进行了广泛调研，最终推荐了适合输电杆塔结构采用的复合材料形式。

1 纤维与树脂

纤维增强树脂基复合材料主要是由树脂和纤维或其织物组成的。以混凝土构件作为对比，复合材料的纤维相当于钢筋，树脂相当于混凝土。纤维起增强和承受荷载作用；基体树脂起支撑、保护纤维，并在纤维间分配和传递荷载作用。因此，纤维和树脂的选择对复合材料性能有直接影响。

1.1 纤维

同一种材料，处于纤维状态下的强度要比块状态下的高很多，这是因为纤维直径接近于晶体尺寸，内部存在缺陷的概率低，缺陷尺寸小[9]，因此，纤维愈来愈受到人们重视。用于复合材料的纤维主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维等，表1中列出了常用纤维的主要力学性能及其与钢材的对比情况[9-18]。

由表1可见，纤维材料的比强度（拉伸强度/比重）远高于钢材。其中，碳纤维的比强度最高，芳纶纤维次之，玻璃纤维最低。从比模量来看，碳纤维和芳纶纤维的比模量（拉伸模量/比重）高于钢材，玻璃纤维的比模量与钢材相当。碳纤维的比强度和比模量都非常高，是实际工程中最佳选择[14]。但是碳纤维材料是电的导体，因此不适合在输电杆塔结构中使用。芳纶纤维的比强度和比模量均较高，但其不能很好地与树脂变形相协调，承受荷载时的整体性较差。在玻璃纤维中，E-玻璃纤维使用最普遍且较为经济，具有良好的电气绝缘性及机械性能，广泛用于生产电绝缘产品。因此在输电杆塔结构中可重点考虑采用E-玻璃纤维。

表1 代表性纤维轴向力学性能参数与钢材的比较Tab.1 Comparison of mechanical parameters between typicalfibers and steel

1.2 树脂

复合材料的基体树脂是一种高分子聚合物，主要作用是支持、固定、保护纤维材料，传递纤维间的载荷，改善复合材料的某些性能。基体树脂主要有2大类：热固性树脂和热塑性树脂。热固性树脂是通过加热和加压引起某种特定的化学反应，使低分子聚合成高分子链，链与链之间又通过化学键交联形成相对分子质量无限大的三维空间网[11]。常用热固性树脂有环氧、酚醛和不饱和聚酯树脂等。热塑性树脂只有线型分子链，具有优越的韧性和抗冲击性能，但高温下可以软化和熔融。输电杆塔经过的沙漠或戈壁地区，夏季温度很高，因此不推荐采用热塑性树脂。表2列出了一些具有代表性的树脂的性能指标[9-18]。

由表2可以看出，环氧树脂的拉伸、压缩、弯曲强度均较高。另外，环氧树脂应用广泛，优点明显：粘结力强、浸润性好、吸水性小、电绝缘性好、价格低廉[10]。因此，在输电杆塔结构中可重点考虑采用环氧树脂。

表2 代表性树脂基体的性能参数Tab.2 2 Properties of typical resin matrices

2 构造形式及成型工艺

2.1 构造形式

纤维增强树脂基复合材料有以下几种构造形式：

（1）层状复合材料。层状复合材料可分为单层复合材料和多层复合材料。单层复合材料中纤维按一个方向整齐排列或双向交织纤维平面排列。虽然纤维和基体可能都是各向同性材料，但由于纤维排列的方向性，单层材料一般是各向异性的。多层复合材料由单层材料按照规定的纤维方向和次序，铺放成多层形式，进行粘合、加热固化处理而成，各层单层材料的纤维方向一般不同[10]。

（2）夹层复合材料。夹层复合材料是由2块复合材料层合板之间填充低密度的芯材所制成。夹层复合材料的芯材主要有蜂窝和硬质泡沫塑料等。夹层复合材料具有弯曲刚度高和轻质的优点。

（3）三维编织复合材料。三维编织复合材料是将纤维束编织成三维预成型骨架，然后充入基体制成。这类复合材料克服了层状复合材料层间强度低的弱点，具有较高的抗冲击性能和损伤容限[9]。

（5）短纤维复合材料。短纤维复合材料的构造形式可分为2种：随机取向的短切纤维复合材料，由基体与短纤维搅拌均匀模压而成的单层复合材料；单向短纤维复合材料，复合材料中短切纤维呈单向整齐排列，它具有正交各向异性[10]。

2.2 成型工艺

加工成型是保证复合材料中纤维和基体共同工作的前提，对复合材料的物理力学性能影响显著。因此在复合材料结构的设计时必须考虑加工成型工艺。纤维增强树脂基复合材料的主要成型技术有：

（1）手糊成型技术。在室温低压或无压下用树脂将纤维和织物粘接成型，以前是人工操作完成，因此称为手糊。这种方法可生产出形状复杂、纤维铺陈方向任意、大尺寸的FRP产品，但产品质量不易稳定[14]，适合生产品种多、量小的大型制品。

（2）模压成型技术。模压成型是指将预浸树脂的纤维或织物放入模具中进行加温加压固化。模压成型的模具由阴、阳模两部分组成，增强材料一般为短切纤维毡、连续纤维毡和织物。这种工艺生产出的型材尺寸准确、表面光洁、质量稳定，但通常纤维含量较低，力学性能较差，适合生产量大、尺寸要求精确的制品[1]。

（3）树脂传递模塑（resin transfermolding，RTM）成型技术。首先将增强纤维按要求制成一定形状放入模具中，然后采用注射设备将专用树脂注入模具。模具周边具有密封、注射及排气系统，以保证树脂流动彻底浸润纤维并排出模腔中的全部气体。模具充满后，通过加热使树脂发生反应，交联固化。最后打开模具取出制件。RTM成型技术具有效率高、投资低、绿色环保等优点，适宜多品种、中批量、高质量复合材料制品生产的成型技术[1]。

（4）纤维缠绕成型技术。在专门的缠绕机上，将连续纤维束或纤维织物浸渍树脂后均匀地、有规律地缠绕在一个转动的芯模上，再经过固化形成以环向纤维为主的型材。主要优点是节省原材料、制造成本低、纤维含量高，力学性能较好，可承受很大的内压，广泛用于压力容器、管道。缺点是制件固化后须除去芯模、不适宜制造带凹曲面的型材。

（5）拉挤成型技术。将纤维束或纤维织物经树脂浸渍，进入预成型模，将多余树脂和气泡排出，再进入成型模凝胶、固化。固化后的制品由牵引机连续不断地从模具拔出，最后由切断机定长切断。拉挤工艺可生产各种断面形状的连续型材，如棒、管、实体型材（工字形、槽形、方形型材）等。拉挤成型技术主要优点是：1）生产过程完全实现自动化控制，生产效率高；2）纤维主要沿轴向分布且纤维含量最高可达80％，产品强度高，可直接作为受力构件；3）生产过程中无边角废料，产品不须后加工，故较其他工艺省工、省原料、省能；4）制品质量稳定，重复性好，长度可任意切断。拉挤成型工艺的缺点是产品形状单调，只能生产线形型材，而且横向强度和剪切强度较低，一般在拉挤成型工艺中均需同时复合一定数量的毡。

综上所述，各种成型工艺不但影响产品的产品形式，而且对材料的物理力学性能也有非常显著的影响。另外各种成型工艺的生产效率、质量控制等因素直接影响到工程进度，也需要重点考虑。对于输电杆塔而言，其主要受力构件类型为轴向拉压构件，其主要受力方向为杆件轴向，与拉挤型材的主方向一致。同时拉挤型材机械加工方便，质量易于控制，便于产业化生产。因此，应重点考虑拉挤成型工艺。

3 产品形式及型材选择

3.1 产品形式

纤维增强树脂基复合材料产品形式主要有片材、棒材、格栅、型材等。

（1）片材包括纤维布和复合板。纤维布是目前复合材料应用最广泛的形式。纤维布一般只能承受单向拉伸作用，主要用于结构的加固，用树脂浸润后粘贴于结构表面。纤维布也可用作生产其他FRP制品的原料。复合板是将纤维在工厂经过平铺、浸润树脂、固化成型制成。复合板可以承受纤维方向的拉压作用，但在垂直纤维方向的强度和弹性模量很低。

（2）棒材包括FRP索和FRP筋。FRP索是将连续的长纤维单向编织成索状，再用少量树脂浸润固化而成。FRP索可用于大跨索支撑结构、张拉结构和悬索结构。FRP筋是将单向长纤维与树脂混合成型后，经拉挤成型技术和必要的表面处理而制成。FRP筋可用于混凝土中代替普通钢筋，也可用作预应力筋。

（3）格栅有2种成型方式：一是拉挤成型，二是模塑成型。模塑成型是将长纤维束按照一定的间距相互垂直交叉编织，再用大型金属模具浇铸成型的带有规则空格的板状材料。格栅可直接用于结构中作为楼面或制成夹心板等构件。

（4）型材根据制造工艺不同可分为拉挤型材、缠绕型材、模压型材及手糊制品等。对于输电杆塔而言，可重点考虑拉挤型材。图1是各种截面的拉挤型材。

3.2 型材选择

目前我国市场上的复合材料型材主要有以下几种：

（1）非受力构件型材。该类型材主要以不饱和聚脂树脂作为基体，玻璃纤维作为纤维增强材料，通过拉挤成型，主要用于管道、格栅等非受力构件或受力较小的构件，如图2所示。该类型材充分利用复合材料的耐腐蚀性，并且其价格低廉，应用广泛，但其强度和弹性模量均较低，不适合用作输电杆塔结构。

（2）环氧/玻璃纤维型材。该类型材采用环氧树脂作为基体，玻璃纤维作为受力纤维，采用缠绕工艺制成，其物理力学性能有很大改善，其主要参数如表3所示。

表3 环氧/玻璃型材主要物理力学性能参数Tab.3 Mechanical properties of glass fiber/epoxy sectionalmaterial

由表3可以看出，该类型材压缩强度为119MPa（仅为Q235钢材的一半左右），弯曲模量为11.3GPa（仅为钢材的1/18左右），均较钢材有明显的降低。可以预见，如在输电杆塔结构中采用该类复合材料，变形将非常大，成为杆塔设计的主要控制因素。

（3）增强型环氧/玻璃纤维型材。该类型材采用环氧树脂作为基体，增强的玻璃纤维作为受力纤维，并添加复合剂，编制成布，然后采用缠绕工艺成型，其主要的物理力学性能指标如表4所示。

由表4可看出，该复合材料的单向强度可达到831MPa，比Q420钢强度高近1倍。双向复合材料可达423MPa，与Q420钢强度相当。拉伸模量达42.1GPa，约为钢材的1/5。如采用该复合材料设计输电杆塔，其变形将近一步降低。因为该材料添加了优异的抗老化成分，在抗老化方面表现优异，但其价格较为昂贵，极大地限制了该类材料的应用。

（4）环氧/E-玻璃纤维型材。该类型材采用环氧树脂作为基体，E-玻璃纤维作为增强纤维，采用拉挤-缠绕工艺成型，具有良好的电气绝缘性及机械性能。该类复合材料的强度能在环氧玻璃型材的基础上进一步提高，其主要物理力学性能参数如表5所示。

由表5可看出，该类型材拉伸强度达1 100MPa，压缩强度达586MPa（为Q235的2倍左右），压缩模量达39.3GPa（为钢材的1/5左右），较环氧玻璃型材有明显的提高。如在杆塔结构中采用该类复合材料，变形将有所减小。该类材料价格为1.3万元/t～1.8万元/t，价格适中。

以上介绍了我国目前市场上主要的4种型材，表6将其主要的物理力学能标进行了对比。由表6可以看出，环氧/E-玻璃纤维型材的各项性能均较优，并且其价格比较适中。因此，建议在输电杆塔材料设计中采用环氧/E-玻璃纤维型材。考虑到复合材料的可设计性，应在此基础上进行材料改进，使材料性能尽可能优化。

表4 增强型环氧/玻璃纤维型材主要物理力学性能参数Tab.4 Mechanical properties of reinforced glass fiber/epoxysectional material

表5 环氧//E E--玻璃纤维型材主要物理力学性能参数Tab.5 Mechanical properties of E-glass fiber/epoxy sectional

表6 目前我国市场上44种主要的复合材料型材对比Tab.6 Contrastive analysis of mechanical properties and cost

4 结论

（1）推荐在输电杆塔结构中采用拉挤成型工艺生产的E-玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料。

（2）建议输电杆塔设计部门与复合材料生产厂家、科研院所合作研究，通过调整纤维布置方向、纤维含量等改进复合材料性能。

（3）建议进一步研究通过改进环氧树脂基提高复合材料性能的可行性。

（4）鉴于环氧/E-玻璃纤维复合材料弹性模量远低于钢材，输电杆塔设计时，应把控制塔身变形作为重点。

[1]陈祥宝，包建文，娄葵阳.树脂基复合材料制造技术[M].北京：化学工业出版社，2000.

[2]Richard S.Pultruded poles carry power[J].Reinforced plastic，2003（1）：20-24.

[3]Sherif I，Dimos P，Sherif K H.Development of glass fiber reinforced plastic poles for transm ission and distribution lines[J]. Canadian Journalof CivilEngineering，2000，27（5）：850-858.

[4]陈博.意大利玻璃钢工业技术考察报告[J].玻璃钢，1996（2）：36-42.

[5]孙仲齐，陈关甫，黄李烟.采用新模式复合杆塔解决输电系统闪络跳闸问题[J].电网与清洁能源，2008，24（4）：23-26.

[6]夏开全.复合材料在输电杆塔中的研究与应用[J].高科技纤维及应用，2005，30（5）：19-23.

[7]方东红，韩建平，曹翠玲.复合材料输电杆应用进展[J].玻璃纤维，2008（6）：31-35.

[8]但小容，陈轩恕，刘飞，等.复合绝缘杆塔的发展前景及应用[J].机电信息，2009（36）：90-91.

[9]矫桂琼，贾普荣.复合材料力学[M].西安：西北工业大学出版社，2008.

[10]沈观林，胡更开.复合材料力学[M].北京：清华大学出版社，2006.

[11]车剑飞，黄洁雯，杨娟.复合材料及其工程应用[M].北京：机械工业出版社，2006.

[12]沃丁柱.复合材料大全[M].北京：化学工业出版社，2000.

[13]邹祖讳.复合材料的结构与性能[M]//材料科学与技术丛书（第13卷）.吴人洁，译.北京：科学出版社，1999.

[14]叶列平，冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展[J].土木工程学报，2006（3）：24-36.

[15]刘雄亚，晏石林.复合材料制品设计及应用[M].北京：化学工业出版社，2003.

[16]王禹阶，崔鹏.玻璃钢与复合材料的生产及应用[M].合肥：合肥工业大学出版社，2005.

[17]汤佩钊.复合材料及其应用技术[M].重庆：重庆大学出版社，1998.

[18]李顺林.复合材料工作手册[M].北京：航空工业出版社，1988.