علوم و فناوری کامپوزیت

استحکام خزشی کامپوزیت های هیبریدی مورد استفاده در هادی‌های خطوط انتقال برق

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید بهشتی، تهرا ن

2 دانشیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه دانشگاه شهید بهشتی ، تهرا ن.

3 استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه دانشگاه شهید بهشتی ، تهران.

چکیده

در این مقاله، استحکام خزشی کامپوزیت هیبریدی مورد استفاده در نسل جدید هادی‌های پرظرفیت خطوط انتقال برق در دماهای عملکردی پیش‌بینی شده است. میله‌های کامپوزیت هیبریدی مورد استفاده در مغزی این هادی‌ها به صورت تک‌جهتی و متشکل از هسته کربن-اپوکسی و پوسته شیشه-اپوکسی به روش پالتروژن ساخته شده‌اند. جهت تعیین مقادیر مدول ذخیره و مدول اتلاف بر حسب دما، آنالیز دینامیکی-مکانیکی بر روی نمونه‌های برش داده شده از هسته کربن-اپوکسی در فرکانس‌های مختلف صورت گرفته است. همچنین آزمون خمش سه نقطه‌ای متناسب با دمای کارکرد هادی‌ها، در چند دمای مختلف با نرخ بارگذاری ثابت بر روی نمونه‌های میله‌ای کامپوزیت هیبریدی انجام شده است. با استفاده از اصل برهم-نهی دما-زمان و استفاده از نتایج آنالیز دینامیکی-مکانیکی، نمودار مادر مدول ذخیره در دمای مرجع دلخواه ایجاد شده است. با استفاده از عامل انتقال دما-زمان بدست آمده از نمودار مادر مدول ذخیره و نیز استحکام‌های خمشی کامپوزیت هیبریدی در دماهای مختلف، نمودار مادر استحکام خمشی با نرخ کرنش ثابت ساخته شده است. سپس با استفاده از روش‌های موجود، نمودار مادر استحکام خزشی در دمای کاری دلخواه رسم شده است که می‌تواند جهت ارزیابی دوام هادی‌های مذکور در صنعت انتقال برق مورد استفاده قرار گیرد. پیش‌بینی عمر خزشی در شرایط بارگذاری حدی نشان می‌دهد که این هادی‌ها رفتار خزشی خوبی در شرایط عملکردی در مدت طولانی دارند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Creep strength of hybrid composites used in power transmission line conductors

نویسندگان [English]

  • Mohsen Malmorad 1
  • Khosrow Rahmani 2
  • Roohollah Sarfaraz 3

1 Department of Mechanical Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran.

2 Department of Mechanical Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran.

3 Department of Mechanical Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran.

چکیده [English]

In this paper, the creep strength of hybrid composites used in the new generation of power transmission line conductors is predicted. The hybrid composite rods consist of carbon fiber/epoxy composite core surrounded by a glass fiber/epoxy composite shell. The hybrid rods were fabricated by using the pultrusion process. Dynamic mechanical analysis was carried out at various frequencies on specimens cut from the carbon/epoxy fiber composite core. In addition, the hybrid composite rods were subjected to three-point bending experiments at constant loading rate and different temperatures. The master curve of the storage modulus corresponding to carbon/epoxy composite core was derived at the desired reference temperature based on the time-temperature superposition principle. Consequently, the master curve of the constant strain rate flexural strength was constructed using the time-temperature shift factors and the monotonic flexural strengths of hybrid composites at different temperatures. Based on these data, the creep strength master curve was developed at the operating temperature. The prediction of creep life based on the constructed master curve shows a proper response of these conductors at service condition.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hybrid composites
  • Creep
  • DMA
  • Temperature
مراجع
[1] Alawar, A., Bosze, EJ., Nutt, SR., “A composite core conductor for low sag at high temperatures,” IEEE Transactions on Power Delivery. Vol. 20, No. 3, pp. 2193-2199, 2005.
[2] Jones, W. D., ‘More heat, less sag [power cable upgrades],” IEEE Spectrum,Vol. 43, No. 6, pp. 16-18, 2006.
[3] Bosze, EJ., Alawar, A., Bertschger, O., Tsai, YI., Nutt, SR., “High-temperature strength and storage modulus in unidirectional hybrid composites,” Composites Science and Technology. Vol. 66, No. 13, pp.1963-1969, 2006. 
[4] Middleton, J., Hoffman, J., Burks, B., Predecki, P., and kumosa, M,. “Aging of a polymer core composite conductor: Mechanical properties and residual stresses”. Composites Part A: Applied Science and  Manufacturing, Vol. 69, pp. 159–67, 2015.
[5] Middleton, J., Burks, B., Wells, T., Setters, AM., Jasiuk, I., Kumosa, M, “The effect of ozone and high temperature on polymer degradation in polymer core composite conductors”. Polymer Degradation and Stabililty, Vol. 98, pp. 2282–90, 2013.
[6] Tsai, Y.I., Bosze, E.J., Barjasteh, E., Nutt, S.R., “Influence of hygrothermal environment on thermal and mechanical properties of  carbon fiber/fiberglass hybrid composites”, Composites Science and  Technology,  Vol. 69, No. 3, pp. 432 437, 2009.
[7] Zhao,G., Wang, J., Hao, W., Luo, Y., Guo, G., ”Creep life evaluation of aluminum conductor composite core utilized in high voltage electric transmission,” Polymer Testing, Vol. 63, pp. 573-581, 2017.
[8]Khalili, S.M.R., Eslami Farsani, R., Dastmard, R., “Experimental investigation of creep behavior in phenolic based polymer composites,” In Persian, Journal of Science and Technology of Composites,Vol. 1, No. 2, pp. 37-42, 2015.    
[9] Rafiee, R. and Mazhari, B., “Modeling creep in long fiber rienforced laminated composites using micromechanical rules,” In Persian, Journal of Science and Technology of Composites,Vol. 3, No. 4, pp. 409-418, 2017.   
[10] Ahmadi  I., and Ataei, N., “Micromechanical modeling modeling for prediction of the creep behavior of fibrous composite materials,” In Persian, Modares Mechanical Engineering,Vol. 16, No. 8, pp. 249-260, 2016.   
[11] Nakada, M., “Accelerated testing methodology for predicting long-term creep and fatigue in polymer matrix composites,” Creep and fatige in polymer matrix composites, Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering, pp. 439-460, 2011.
[12] Miyano, Y., Nakada, M., “Accelerated testing methodology for durability of CFRP,” Composites Part B: Engineering, Vol. 191, pp. 107977, 2020.
[13] Zho, J., You, F., Su, L., Yang, Z., Chen, G., Guo, S., “Failure mechanism of time-temperature superposition for poly(vinyl chloride)/dicotytylphthalate(100/70) system,” Journal of Applied Polymer Science. Vol. 124, pp. 452-458, 2011.
[14] Leaderman, H., “Elastic and creep properties of filamentous materials and other high polymers,” Washington, Dc: The Textile Foundation, 1943.
[15] Williams, M.L., Landel, R.F., Ferry, J.D., “The temperature dependence of relaxation mechanisms in amorphous polymers and other glass-forming liquids,” Journal of  the American Chemical Society , Vol. 77, pp. 3701-3707, 1955.
[16] Naya, S., Meneses, A., Tarrio-Saavedra, J., Artiaga, R., Lopez-Beceiro, J., Gracia-Fernandez, C., “New method for estimating shift factors in time-temperature superposition models,” Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol. 113, pp. 453-460, 2013.
[17] Pascault, J.P., Sautereau, H., Verdu, J., Williams, R., Thermosetting Polymers, New York, Marcel Dekker, Inc., 2002.
[18] Christensen, R., and Miyano, Y., “Stress intensity controlled kinetic crack growth and stress history dependent life prediction with statistical variability,” International Journal of Fracture, Vol. 137, pp. 77-87, 2006.
[19] Standard Test Method for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials, ASTM International, West Conshohocken, PA, USA: D 790-10, 2010.
[20] Standard Practice for Plastics: Dynamic Mechanical Properties: determination and report of procedures, ASTM International, West Conshohocken, PA, USA: D 4065-01, 2004.
علوم و فناوری کامپوزیت
دوره 7، شماره 4
اسفند 1399
صفحه 1227-1234
فایل ها
هم رسانی
ارجاع به این مقاله
آمار