CN114354336A - 环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及拉伸测试技术领域，公开了一种环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样及测量方法，测量试样包括环氧复合材料结构件、第一铝结构件和第二铝结构件，环氧复合材料结构件与第一铝结构件浇注连接、第二铝结构件浇注连接，第一铝结构件与环氧复合材料结构件的连接面积大于第二铝结构件与环氧复合材料结构件的连接面积，第一铝结构件上布置有第一连接结构，第二铝结构件上布置有第二连接结构。第一铝结构件和第二铝结构件与环氧复合材料结模拟环氧复合材料与铝的连接方式，便于拉力传递，同时第二铝结构件与环氧复合材料结构件的交界面先一步产生破坏，提高测量结果的准确性，为保证GIS/GIL绝缘件的整体性能提供了新的试验思路。
Description
技术领域
本发明涉及拉伸测试技术领域，特别是涉及一种环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样及测量方法。
背景技术
气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear，简称GIS)和气体绝缘输电线路(gas insulated transmission lines，简称GIL)均采用金属铝作为外壳封闭压缩SF6气体或SF6/N2混合气体绝缘，用不同类型的绝缘子支持壳内导体或分隔气室，形成外壳与导体同轴布置的高电压、大电流电力传输设备。GIS/GIL具有可靠性高、电容小、损耗低、过载能力强、电磁环境友好等优点，在长距离、大容量输电领域应用越来越广泛。
GIS/GIL内部绝缘件均采用环氧复合材料，它由液态环氧树脂、填料、固化剂等在高温下浇注而成，具有机械强度高、耐热老化等优点。绝缘件与GIS/GIL的外壳通常采用浇注连接，工程实际经验表明，环氧复合材料内部很难发生缺陷，GIS/GIL的缺陷或故障一般发生在环氧复合材料与金属铝的交界面。
环氧复合材料与铝交界面的拉伸强度是保证GIS/GIL内部绝缘件机械性能良好的关键参数，但是目前环氧复合材料与铝交界面的拉伸强度测试方法不完善，测试所用试样也没有统一标准，致使环氧复合材料与金属铝交界面的拉伸强度该参数难以准确测量。
发明内容
本发明的目的是：提供一种环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样，以解决现有技术中的环氧复合材料与金属铝交界面的拉伸强度该参数难以准确测量的问题；本发明还提供了一种环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样，包括同轴布置的环氧复合材料结构件、第一铝结构件和第二铝结构件，所述环氧复合材料结构件的一端与所述第一铝结构件浇注连接、另一端与所述第二铝结构件浇注连接，所述第一铝结构件与所述环氧复合材料结构件的连接面积大于所述第二铝结构件与所述环氧复合材料结构件的连接面积，所述第一铝结构件远离所述环氧复合材料结构件的一端布置有用于与拉力机连接的第一连接结构，所述第二铝结构件远离所述环氧复合材料结构件的一端布置有用于与拉力机连接的第二连接结构。
优选地，所述第一铝结构件与所述第二铝结构件均为圆柱形结构，所述第一铝结构件的直径大于所述第二铝结构件的直径。
优选地，所述环氧复合材料结构件的一端开设有连接孔，所述第一铝结构件嵌装在所述连接孔内。
优选地，所述第一铝结构件嵌入所述连接孔内的一端的端面为半球面，所述连接孔的孔底为与所述半球面适配的曲面。
优选地，所述第二铝结构件的与所述环氧复合材料结构件的端面为平面，所述平面的表面积小于所述半球面的表面积。
优选地，所述环氧复合材料结构件包括第一圆柱段、第二圆柱段和圆台段，所述第一圆柱段的直径大于所述第二圆柱段的直径，所述圆台段平滑连接在所述第一圆柱段与所述第二圆柱段之间，所述第一铝结构件与所述第一圆柱段连接，所述第二铝结构件与所述第二圆柱段连接。
优选地，所述第一连接结构、所述第二连接结构均为螺栓孔。
优选地，定义所述第一铝结构件的直径为D1、长度为H1，定义所述第一连接结构的直径为D2、深度为H2，定义所述第一圆柱段的直径为D3、长度为H3，定义所述连接孔的直径为D4、深度为H4，定义所述第二圆柱段的直径为D5、长度为H5，定义所述第二铝结构件的直接给你为D6、长度为H6，定义所述第二连接结构的直径为D7、深度为H7，D2不超过D1的三分之一，H1大于D1，H2不大于D2的三分之二，D4等于D1，H4不大于H1，D1不大于D3的四分之三，H3大于H4与D1/2之和，D5不大于D3/2，H5大于H3，所述圆台段的长度不大于H3，D7不大于D6/3，H7不大于H6/3。
本发明还提供了一种环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量方法，其使用上述环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样，包括以下步骤，步骤一，将所述测量试样安装在拉力机上，将所述第一连接结构和所述第二连接结构分别与拉力机连接；步骤二，通过拉力机对步骤一中的测量试样施加拉力，拉力大小以阶梯状增加；步骤三，当环氧复合材料结构件与第二铝结构件的交界面被破坏时，记录此时的拉力为F；步骤四，根据拉伸强度的计算公式M＝F/S计算环氧复合材料与铝交界面的拉伸强度，其中M是拉伸强度，S为第二铝结构件与环氧复合材料结构件之间的连接面积。
优选地，步骤二中，拉力机以0.5KN的拉力为步长逐步增大，每个步长下保持2min，不同步长之间的拉力递增时间不超过1min。
本发明实施例的一种环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样及测量方法与现有技术相比，其有益效果在于：第一铝结构件和第二铝结构件均与环氧复合材料结构件浇注连接且同轴布置，模拟GIL以及GIS中环氧复合材料与铝的连接方式，便于拉力传递，同时第一铝结构件与环氧复合材料结构件的连接面积大于第二铝结构件与环氧复合材料结构件的连接面积，使第二铝结构件与环氧复合材料结构件的交界面先一步产生破坏，在对环氧复合材料和铝交界面进行拉伸强度测试时，将第一铝结构件通过第一连接结构与拉力机连接，将第二铝结构件通过第二连接结构与拉力机连接，通过拉力机拉伸该测量试样，第二铝结构件与环氧复合材料结构件的交界面破坏时停止测量，根据拉力与连接面积即可准确获得环氧复合材料与铝交界面的拉伸强度，提高测量结果的准确性，为保证GIS/GIL绝缘件的整体性能提供了新的试验思路。
附图说明
图1是本发明的环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样的结构示意图；
图2是图1的环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样的第一铝结构件的结构示意图；
图3是图2的第一铝结构件的左视图；
图4是图1的环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样的环氧复合材料结构件的结构示意图；
图5是图4的环氧复合材料结构件的左视图；
图6是图1的环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样的第二铝结构件的结构示意图；
图7是图6的第二铝结构件的左视图；
图8是本发明的环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量方法的流程图。
图中，1、第一铝结构件；11、半球面；2、第二铝结构件；3、环氧复合材料结构件；31、第一圆柱段；32、第二圆柱段；33、圆台段；34、连接孔；4、螺栓孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的一种环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样的优选实施例，如图1至图7所示，包括同轴布置的环氧复合材料结构件3、第一铝结构件1和第二铝结构件2，拉力机对测量试样施加拉力时，同轴布置便于拉力传递，避免测量试样扭曲，提高测试结果的准确性。
第一铝结构件1、第二铝结构件2布置在环氧复合材料的长度方向的两端，环氧复合材料结构件3的一端与第一铝结构件1浇注连接、另一端与第二铝结构件2浇注连接，浇注连接模拟GIL以及GIS中环氧复合材料与铝的连接方式，测试结果更为准确。
第一铝结构件1与环氧复合材料结构件3的连接面积大于第二铝结构件2与环氧复合材料结构件3的连接面积，连接面积存在差异，第二铝结构件2与环氧复合材料结构件3之间的拉伸强度小于第一铝结构件1与环氧复合材料结构件3之间的拉伸强度，当拉力机对测量试样施加拉力时，第二铝结构件2与环氧复合材料结构件3之间的交界面先达到最大拉伸强度并先一步产生破坏，第二铝结构件2与环氧复合材料结构件3的交界面破坏时停止测量，根据拉力与连接面积即可准确获得环氧复合材料与铝交界面的拉伸强度，提高测量结果的准确性。
第一铝结构件1远离环氧复合材料结构件3的一端布置有用于与拉力机连接的第一连接结构，第二铝结构件2远离环氧复合材料结构件3的一端布置有用于与拉力机连接的第二连接结构。第一连接结构和第二连接结构为拉力机与测量试样的连接提供作用点，便于拉力机施加拉力。
优选地，第一铝结构件1与第二铝结构件2均为圆柱形结构，第一铝结构件1的直径大于第二铝结构件2的直径。
圆柱形结构便于第一铝结构件1与第二铝结构件2制作以及定心，第一铝结构件1和第二铝结构件2的轴向端面与环氧复合材料结构件3连接，第一铝结构件1和第二铝结构件2的中心线共线，使第一铝结构件1与第二铝结构件2同轴布置。
第一连接结构布置在第一铝结构件1的中心线上，第二连接结构布置在第一铝结构件1的中心线上，使拉力机对测量试样的作用力沿第一铝结构件1、第二铝结构件2的中心线延伸，并垂直于环氧复合材料与铝的交界面。
优选地，环氧复合材料结构件3的一端开设有连接孔34，第一铝结构件1嵌装在连接孔34内。
第一铝结构件1嵌装在连接孔34内，第一铝结构件1的端面和侧面与环氧复合材料同时接触，增加了第一铝结构件1与环氧复合材料结构件3的连接面积，从而增大第一铝结构件1与环氧复合材料结构件3的交界面处的拉伸强度，避免第一铝结构件1与环氧复合材料结构件3之间的交界面被破坏。
优选地，第一铝结构件1嵌入连接孔34内的一端的端面为半球面11，连接孔34的孔底为与半球面11适配的曲面。
即第一铝结构件1为不规则圆柱体，一端的端面为半球面11、另一端为圆形平面，半球面11半径与圆形平面的半径一致，两个底面之间的距离为该第一铝结构件1的长度。
优选地，第二铝结构件2的与环氧复合材料结构件3的端面为平面，平面的表面积小于半球面11的表面积。
第二铝结构件2的端面为平面，由于第二铝结构件2的直径小于第一铝结构件1的直径，平面的表面积小于半球面11的表面积，使第二铝结构件2与环氧复合材料结构件3的连接面积小于第一铝结构件1与环氧复合材料结构件3的连接面积，以此保证第二铝结构件2与环氧复合材料结构件3的交界面先一步被破坏。
优选地，环氧复合材料结构件3包括第一圆柱段31、第二圆柱段32和圆台段33，第一圆柱段31的直径大于第二圆柱段32的直径，圆台段33平滑连接在第一圆柱段31与第二圆柱段32之间，第一铝结构件1与第一圆柱段31连接，第二铝结构件2与第二圆柱段32连接。
第一圆柱段31、第二圆柱段32和圆台段33同轴布置，即第一圆柱段31、第二圆柱段32和圆台段33的中心线重合，并且还与第一铝结构件1、第二铝结构件2的中心线重合，从而保证第一铝结构件1、环氧复合材料结构件3、第二铝结构件2同轴布置。
第一圆柱段31的直径大于第一铝结构件1的直径，第二圆柱段32的直径等于第二铝结构件2的直径，连接孔34开设在第一圆柱段31上，连接孔34的直径等于第一圆柱段31的直径，使第一铝结构件1嵌入环氧复合材料结构件3内，同时使第二铝结构件2与第二圆柱段32的端面通过浇注工艺紧密连接。
第一圆柱段31、第二圆柱段32和圆台段33平滑过渡，便于制作环氧复合材料结构件3，也便于拉力在环氧复合材料结构件3内传递。
优选地，第一连接结构、第二连接结构均为螺栓孔4。
第一连接结构、第二连接结构用于固定第一铝结构件1和第二铝结构件2，螺栓孔4便于拉力机与第一铝结构件1、第二铝结构件2连接，避免在第一铝结构件1、第二铝结构件2上设置夹具，装配简单。
螺栓孔4开设在第一铝结构件1、第二铝结构件2的中心位置，螺栓孔4与第一铝结构件1、第二铝结构件2同轴布置，使拉力机的拉力沿第一铝结构件1、第二铝结构件2以及环氧复合材料结构件3的中心线传递，拉力垂直于环氧复合材料与铝的交界面，提高测量结果的准确性。
优选地，定义第一铝结构件1的直径为D1、长度为H1，定义第一连接结构的直径为D2、深度为H2，定义第一圆柱段31的直径为D3、长度为H3，定义连接孔34的直径为D4、深度为H4，定义第二圆柱段32的直径为D5、长度为H5，定义第二铝结构件2的直接给你为D6、长度为H6，定义第二连接结构的直径为D7、深度为H7，D2不超过D1的三分之一，H1大于D1，H2不大于D2的三分之二，D4等于D1，H4不大于H1，D1不大于D3的四分之三，H3大于H4与D1/2之和，D5不大于D3/2，H5大于H3，圆台段33的长度不大于H3，D7不大于D6/3，H7不大于H6/3。
D2过大容易造成第一铝结构件1自身强度不足，不利于测量试样拉伸强度的测量；H1大于D1，保证了第一铝结构件1的高大于直径，目的是为了增加第一铝结构件1侧部与环氧复合材料结构件3的接触面积，从而提高第一铝结构件1与环氧复合材料结构件3交界面的破坏强度；H2约为H1的三分之二，保证螺栓孔4较高的深度且不至于超过第一铝结构件1的高度范围，保证二者较好的配合。
D4＝D1，即连接孔34的直径与第一铝结构件1的半球面11直径一致，保证第一铝结构件1能精准放入连接孔34内，H4不大于H1，保证有一部分第一铝结构件1外漏出环氧复合材料结构件3。
D1不大于D3的四分之三，H3大于H4与D1/2之和，保证第一铝结构件1能放于第一圆柱段31的内部、且有充足的接触面。D5不大于D3/2，H5大于H3，在测量试样拉伸强度测量过程中，第二圆柱段32与第二铝结构件2的交界面率先断裂(比第一铝结构件1与环氧复合材料结构件3的交界面更容易发生断裂)。
圆台段33的长度不大于第一圆柱段31的长度，保证环氧复合材料结构件3的结构强度。D7不大于D6/3，H7不大于H6/3，可以保证第二铝结构件2具有较好的固定且不浪费材料。
本发明的环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量方法的实施例，如图8所示，使用上述的环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样，包括以下步骤，步骤一，将测量试样安装在拉力机上，将第一连接结构和第二连接结构分别与拉力机连接。
在本实施例中，测量试样通过第一铝结构件1上的螺栓孔4以及第二铝结构件2上的螺栓孔4固定在拉力机上，保证各部位刚性连接且连接良好。
步骤二，通过拉力机对步骤一中的测量试样施加拉力，拉力大小以阶梯状增加。
阶梯状增加，可以保证拉力有序增加，避免拉力增加过大而突然超过测量试样的拉伸强度，致使第二铝结构件2与环氧复合材料结构件3的交界面突然破坏。
步骤三，当环氧复合材料结构件3与第二铝结构件2的交界面被破坏时，记录此时的拉力为F。
步骤四，根据拉伸强度的计算公式M＝F/S计算环氧复合材料与铝交界面的拉伸强度，其中M是拉伸强度，S为第二铝结构件2与环氧复合材料结构件3之间的连接面积。
拉伸强度等于拉力与交界面面积的比值，在本实施例中，S即为第二铝结构件2与环氧复合材料结构件3的交界面的面积，S＝πD6 2，因此本实施例中的拉伸强度公式为
式中，F单位N，D6单位m，M单位Pa。
优选地，步骤二中，拉力机以0.5KN的拉力为步长逐步增大，每个步长下保持2min，不同步长之间的拉力递增时间不超过1min。
综上，本发明实施例提供一种环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样及测量方法，其第一铝结构件和第二铝结构件均与环氧复合材料结构件浇注连接且同轴布置，模拟GIL以及GIS中环氧复合材料与铝的连接方式，便于拉力传递，同时第一铝结构件与环氧复合材料结构件的连接面积大于第二铝结构件与环氧复合材料结构件的连接面积，使第二铝结构件与环氧复合材料结构件的交界面先一步产生破坏，在对环氧复合材料和铝交界面进行拉伸强度测试时，将第一铝结构件通过第一连接结构与拉力机连接，将第二铝结构件通过第二连接结构与拉力机连接，通过拉力机拉伸该测量试样，第二铝结构件与环氧复合材料结构件的交界面破坏时停止测量，根据拉力与连接面积即可准确获得环氧复合材料与铝交界面的拉伸强度，提高测量结果的准确性，为保证GIS/GIL绝缘件的整体性能提供了新的试验思路。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样，其特征在于，包括同轴布置的环氧复合材料结构件、第一铝结构件和第二铝结构件，所述环氧复合材料结构件的一端与所述第一铝结构件浇注连接、另一端与所述第二铝结构件浇注连接，所述第一铝结构件与所述环氧复合材料结构件的连接面积大于所述第二铝结构件与所述环氧复合材料结构件的连接面积，所述第一铝结构件远离所述环氧复合材料结构件的一端布置有用于与拉力机连接的第一连接结构，所述第二铝结构件远离所述环氧复合材料结构件的一端布置有用于与拉力机连接的第二连接结构。
2.根据权利要求1所述的环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样，其特征在于，所述第一铝结构件与所述第二铝结构件均为圆柱形结构，所述第一铝结构件的直径大于所述第二铝结构件的直径。
3.根据权利要求2所述的环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样，其特征在于，所述环氧复合材料结构件的一端开设有连接孔，所述第一铝结构件嵌装在所述连接孔内。
4.根据权利要求3所述的环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样，其特征在于，所述第一铝结构件嵌入所述连接孔内的一端的端面为半球面，所述连接孔的孔底为与所述半球面适配的曲面。
5.根据权利要求4所述的环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样，其特征在于，所述第二铝结构件的与所述环氧复合材料结构件的端面为平面，所述平面的表面积小于所述半球面的表面积。
6.根据权利要求5所述的环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样，其特征在于，所述环氧复合材料结构件包括第一圆柱段、第二圆柱段和圆台段，所述第一圆柱段的直径大于所述第二圆柱段的直径，所述圆台段平滑连接在所述第一圆柱段与所述第二圆柱段之间，所述第一铝结构件与所述第一圆柱段连接，所述第二铝结构件与所述第二圆柱段连接。
7.根据权利要求6所述的环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样，其特征在于，所述第一连接结构、所述第二连接结构均为螺栓孔。
8.根据权利要求7所述的环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样，其特征在于，定义所述第一铝结构件的直径为D1、长度为H1，定义所述第一连接结构的直径为D2、深度为H2，定义所述第一圆柱段的直径为D3、长度为H3，定义所述连接孔的直径为D4、深度为H4，定义所述第二圆柱段的直径为D5、长度为H5，定义所述第二铝结构件的直接给你为D6、长度为H6，定义所述第二连接结构的直径为D7、深度为H7，D2不超过D1的三分之一，H1大于D1，H2不大于D2的三分之二，D4等于D1，H4不大于H1，D1不大于D3的四分之三，H3大于H4与D1/2之和，D5不大于D3/2，H5大于H3，所述圆台段的长度不大于H3，D7不大于D6/3，H7不大于H6/3。
9.一种环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量方法，其特征在于，使用权利要求1所述的环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量试样，包括以下步骤，步骤一，将所述测量试样安装在拉力机上，将所述第一连接结构和所述第二连接结构分别与拉力机连接；步骤二，通过拉力机对步骤一中的测量试样施加拉力，拉力大小以阶梯状增加；步骤三，当环氧复合材料结构件与第二铝结构件的交界面被破坏时，记录此时的拉力为F；步骤四，根据拉伸强度的计算公式M＝F/S计算环氧复合材料与铝交界面的拉伸强度，其中M是拉伸强度，S为第二铝结构件与环氧复合材料结构件之间的连接面积。
10.根据权利要求9所述的环氧复合材料与铝交界面拉伸强度的测量方法，其特征在于，步骤二中，拉力机以0.5KN的拉力为步长逐步增大，每个步长下保持2min，不同步长之间的拉力递增时间不超过1min。
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