输电线路混杂纤维复合材料高温拉伸强度研究

输电线路混杂纤维复合材料高温拉伸强度研究

周丛永

浙江盛达铁塔有限公司浙江省杭州市311232

摘要：随着我国国民经济的迅速发展，我国国民对于生活质量的要求也是愈来愈高，而电力则是人民生活当中必不可少的需求之一，并且近年来愈来愈多的家电产品涌入国民家庭当中，而汽车在将来也是有趋于电气化的趋势，故而近年来不仅仅是我国国民用电量激增，我国的工业用电量以及市政工程的用电量都是处于激增的状态，这种全面激增的用电量不仅仅对发电基站提出了更高的要求，也对电力的输送问题提供了巨大的挑战，在该篇文章当中将对输送电力的线路材料进行探究，注重于电力输送线路材料的高温以及拉伸强度进行探究。

关键词：输电线路；混杂纤维复合材料；高温拉伸强度；电力输送

时下，在我国的电力输送行业，混杂纤维复合材料大都被用在电力的增容以及线路的改造等方面。根据不完全统计显示，目前在全国的应用范围内已经有数条混杂纤维复合材料的电缆出现了断裂的现象，并且在大功率高电压的输电线路当中，高热可能会导致更多的输电线缆出现断裂的发生。故而，对于输电线缆的混杂纤维复合材料性能的研究就是非常必要的了。与一般的单纯的纤维复合材料相比，这种复合材料拥有更加优良的耐压性能以及更加强大的综合力学性能，故而更适合用于输电线路当中的加强芯。不过由于这种复合材料的影响因素过于繁杂，其问题的因素更为繁杂，匮乏混杂纤维复合材料的高温拉伸强度更加精确的研究。在该篇文章当中将对混杂纤维复合材料高温拉伸强度的影响因素以及其损坏的原理做出了探究。

1.混杂纤维复合材料的组成及其制作工艺

这种输电线路的混杂纤维复合材料的制作是利用当代连续拉挤制备工艺实现的，在混杂纤维的最外面的那一层的材料是两只玻璃纤维制成的编织带，在混杂纤维复合材料的中央的材料是以玻璃纤维以及碳纤维做为一定比例制成的。将纤维放在纤维的纱架子上面，向一个方向进行集束处理，然后将其浸泡在树脂胶液当中，再利用拥有三段式加热功能的钢制模具将其加固处理，而后再利用拥有两段式加热功能的加热炉将其进行固化处理，最后再将其进行收卷。但是对于不同层位的材料的处理温度并不相同，例如说摸具一区到三区的温度分别是：一百五十度到一百九十度、一百六十度到二百度、二百度到二百三十度；而后固化一区的温度以及二区的温度分别是一百六十度到二百度、二百度到二百三十度。

2.混杂纤维复合材料的高温拉伸试验

这一试验在我国某地区的电缆研究所的200KN的高低温材料实验设备上开展，在实验过程当中材料的拉伸速度保持在二毫米每分钟，截取混杂纤维复合材料为五百二十五毫米的长度进行试验。把进行实验的材料放置在一百二十度的烘烤箱内进行放置四百小时，而后在高温实验的机器内放置一小时之后再在高温的试验场景下进行拉伸强度试验。

经过试验后发现，位于最外侧的玻璃纤维质地的材料部分断裂，实验的结果证明这种拉伸强度并没有达到玻璃纤维材料的极限。但是位于中间的碳纤维均发生断裂，这就说明位于中间的碳纤维材料受到的载荷比较大。造成这一现象的主要原因就是因为混杂纤维复合材料的力学受载能力主要靠纤维以及树脂之间紧密连接的程度来实现的，在混杂纤维复合材料长时间在一百二十摄氏度的环境下，树脂的材料会发生软化，故而其强度就会下降，进而就会影响其与纤维的廉洁程度，最后使得载荷的传递受限，这就使得碳纤维的荷载远远大于玻璃纤维的荷载。

在实验的过程当中还发现，在混杂纤维复合材料发生断裂的瞬间，实验目标会发出巨大声响并有粉末状的烟雾出现。不过在混杂纤维复合材料发生断裂之前并没有明显的征象，这就说明混杂纤维复合材料并不存在明显的屈服极限。这是因为混杂纤维复合材料的受力方向与树脂中玻璃纤维的微观分子的排列方向相同，在荷载不断增大的情况下，纤维会发生断裂，故而载荷能力较小的树脂也会发生断裂。

3.混杂纤维复合材料高温拉伸损坏的有限元分析

对于实验来说始终是有一部分是无法用人眼识别的，在这一部分当中我们将用有限元件对其进行模拟，在软件当中我们建立起四种不同的单元，其中包括：玻璃纤维层、碳纤维层、玻璃纤维编织带层以及树脂层，建立这种与本文章研究一直的混杂纤维复合材料相似的力学模型，把立体直径只有微米级别的碳纤维与玻璃纤维的融合层编织成大直径的纤维线束模型，在模型的最外面的那一层覆盖上玻璃纤维的编织带。

把建立的复合材料进行结构层面的分区划线，这样就能够使得其保证结构的整齐性，在模拟的高温场景下，纤维的初始应力的结构发生的变化基本可以忽略不变，与此同时树脂的基体会发生比较强烈的软化，这个时候就可以将树脂的抗拉能力就可以忽略不计。将建立起来的复合模型进行拉力试验，将其用力拉直，直到发生损坏断裂，经过计算可以发现，伴随着复合材料所承受载荷的不断增大，当碳纤维发生断裂的时候，其余的结构材料就无法承受此时如此大的拉力，继而其余的材料也会随之发生断裂。经试验数据分析发现在复合材料的拉力增加到两千五百兆帕的时候，复合材料就会发生崩坏。这个时候，碳纤维的拉力极限值就是四千九百兆帕，但是玻璃纤维的极限拉力值就是两千零十四兆帕，而玻璃纤维编织带所能达到的极限拉力值是一千五百兆帕，可见玻璃纤维编织带以及玻璃纤维均未达到其极限的破坏数值。

4.混杂纤维复合材料的高温拉伸预测

将复合材料进行实验所得到的数据参数带入到相应的计算公式当中，最终能够得到相应的预测值，然后把五个组成混杂纤维复合材料的纤维材料数据结果进行对比发现，拉伸的强度预测值与实际值的最大误差能够达到百分之二点六八，这一数据就说明了建立起的这一模型的精确度还是比较高的。然后再把各个配比的复合材料的数值写入预测软件当中进行实验，并将预测值和实际的拉伸测量数值进行比较，得到的结果如下列表一所示。

表1

在表一当中可以发现，复合材料的高温拉伸的强度预测实验所得到的数值的相对误差为百分之一点二六到百分之七点九二之间，这就说明经过这一软件所测得的数据精确度还是比较高的。

5.结论

1）对混杂纤维复合材料所进行的高温拉伸预测实验的结果表明：位于混杂纤维复合材料最外层的玻璃纤维层以及玻璃纤维编织带层均没有完全断裂，这一实验结果表明在实验当中并没有达到这两种材料的极限应力。而位于混杂纤维复合材料内层的碳纤维均完全断裂，这就说明这一部分材料承担了较多的应力。

2）而经过有限元软件的分析数据结果表明，伴随着荷载的不断增加，碳纤维均最先出现断裂损坏，而后其余的树脂以及玻璃纤维和玻璃纤维编织带等均发生断裂损坏，最后经过计算得出碳纤维以及玻璃纤维和玻璃纤维编织带对于复合材料高温拉伸强度的影响程度。

3）经过上述的混杂纤维复合材料高温拉伸试验以及有限元软件的分析建立起了混杂纤维复合材料高温拉伸强度预测的模型，软件预测的数值与实验的数据结果能够较好的吻合，其精确度能够达到百分之九十二以上。

6.结语

在该篇文章当中进行了混杂纤维复合材料的高温拉伸试验以及有限元软件建立起复合材料模型分析得到了最后的分析结果，以期能够给我国输电行业的发展提供新鲜血液。

参考文献

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