軌道交通車輛用碳纖維復(fù)合材料的性能研究

摘 要：為了探究軌道交通車輛用的碳纖維復(fù)合材料性能，本文制備了一組碳纖維試樣和一組玄武巖-碳纖維復(fù)合材料試樣，通過拉伸試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)，分析2組材料的拉伸性能和壓縮性能。結(jié)果表明，與單一碳纖維組成材料相比，碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能和壓縮性能均更優(yōu)，更適用于軌道交通車輛，可提升軌道交通安全性?？梢娞祭w維復(fù)合材料能有效改進(jìn)單一纖維材料，同時(shí)還能降低材料成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：軌道交通；碳纖維；復(fù)合材料

中圖分類號：U 465" " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐高溫、抗沖擊以及抗腐蝕等優(yōu)良性能，受到交通行業(yè)、車輛生產(chǎn)制造企業(yè)的重視。與汽車設(shè)計(jì)中的原始材料相比，碳纖維復(fù)合材料的穩(wěn)定性更強(qiáng)。根據(jù)有關(guān)部門的調(diào)研與市場綜合分析，應(yīng)用此類復(fù)合材料可以使交通行業(yè)的輕量化收益從15%提升至40%[1]。為使碳纖維復(fù)合材料在交通領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮更高的效能與價(jià)值，本文將從多個(gè)角度測試并分析其綜合性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備選擇

為滿足碳纖維復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用中的綜合性能分析與測試需求，選擇由當(dāng)?shù)匦虏牧峡萍佳邪l(fā)公司提供的碳纖維復(fù)合材料（試驗(yàn)中標(biāo)注該材料制造的樣本為A）與玄武巖纖維材料（試驗(yàn)中標(biāo)注該材料制造的樣本為B）作為本次試驗(yàn)的原料[2]，并對2種材料的屬性進(jìn)行分析。相關(guān)內(nèi)容見表1。

掌握試樣材料的基本屬性后，使用由該公司提供的環(huán)氧樹脂作為纖維材料試驗(yàn)樣塊制備過程中的基體材料?；w材料屬性見表2，所需儀器設(shè)備見表3。參照表中內(nèi)容完成性能測試中試驗(yàn)材料的準(zhǔn)備與所需儀器設(shè)備的選型。

1.2 試驗(yàn)樣件制備

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，使用準(zhǔn)備的原材料進(jìn)行試驗(yàn)中樣件的制備工作[3]。在該過程中，鑒于本次試驗(yàn)需要的樣件數(shù)量較少且成型的最終樣件尺寸相對較小，在綜合考慮生產(chǎn)效率與制造成本等因素后，決定使用手糊處理法生產(chǎn)試驗(yàn)樣件[4]，以快速制備出數(shù)量較少且尺寸較小的樣件。該方法具有生產(chǎn)效率高、制造成本低的特點(diǎn)。

首先，根據(jù)試驗(yàn)要求準(zhǔn)備好所需原材料，包括基礎(chǔ)材料和添加劑。按照使用說明書進(jìn)行配比和攪拌，確?；旌衔锏馁|(zhì)量和均勻性。其次，在特定的模具上均勻涂布混合物。涂布過程中要控制涂布厚度和均勻性，以保證最終樣件質(zhì)量和尺寸的一致性。再次，將涂布好的模具放置在試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行固化。根據(jù)材料特性，等待固化過程完成。最后，取下模具，得到最終的試驗(yàn)樣件。對樣件進(jìn)行必要的檢查和清潔，以確保樣件的完整性和質(zhì)量。

在整個(gè)制備過程中，要遵守安全操作規(guī)程，保障人身安全并注意保護(hù)環(huán)境。通過手糊處理法可有效制備出滿足試驗(yàn)要求的樣件，并繼續(xù)優(yōu)化制備工藝，以提高樣件質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

該方法的手工工藝主要有2種，分別為干法制作與濕法制作。使用前者進(jìn)行試驗(yàn)樣件制作過程中，需要在獲得材料成型毛坯時(shí)，采用其他方法進(jìn)行毛坯進(jìn)一步固化與成型處理。而使用后者進(jìn)行試驗(yàn)樣件制作過程中，預(yù)成型、浸漬等步驟幾乎同時(shí)完成。綜合兩者手工工藝，后者在實(shí)際應(yīng)用中效率更高[5]。其中手糊處理法的工藝流程如圖1所示。

為確保相關(guān)工作規(guī)范化，將手糊處理法中的濕法制作工藝分為5個(gè)主要步驟。具體工藝步驟如下。

第一步，根據(jù)試驗(yàn)需要，選擇樣件制備過程中所需模具。完成模具的清潔處理后，需要在模具內(nèi)側(cè)涂抹脫模劑。目前，市場內(nèi)應(yīng)用最多的脫模劑為乙醇，因此本文試驗(yàn)將乙醇溶液作為模具的脫模試劑。

第二步，在前期準(zhǔn)備的樹脂材料中根據(jù)規(guī)范摻入固化劑，將摻入的材料與原料混合均勻后涂抹在模具中，進(jìn)而通過一系列操作來完成固化過程。首先，確保模具表面平整，避免產(chǎn)生氣泡或其他瑕疵。其次，涂抹完成后，要將模具置于適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件下進(jìn)行固化，通常是在恒溫室中控制溫度和濕度。在固化過程中，根據(jù)需要采取加熱或加壓的方式來促進(jìn)樹脂的固化反應(yīng)。加熱可以提高反應(yīng)速率，加壓則能夠提供更大的壓力，使樹脂充分填充模具的所有空隙。一旦樹脂固化完成，就可以將模具中的固化體取出。最后，對固化后的產(chǎn)品進(jìn)行必要的后處理，例如修整、清潔和涂飾等，以使其符合使用要求和審美需求。

第三步，根據(jù)鋪層的角度，將纖維布材料直接鋪設(shè)在樹脂層上，輔助刮刀等進(jìn)行樹脂層的掛涂。通過此種方式[6]，確保模具表面的樹脂涂抹均勻并完全浸入纖維布。完成上述操作后，排出模具中的氣泡，避免相關(guān)因素對試驗(yàn)結(jié)果造成影響。

第四步，當(dāng)樹脂材料完全浸入纖維布后，需要等待一段時(shí)間，以確保樹脂材料完全滲透到纖維布中。該時(shí)間取決于使用的樹脂類型和纖維布材料的性質(zhì)。在涂抹樹脂和鋪設(shè)纖維布材料的過程中，需要重復(fù)進(jìn)行上述操作，直到達(dá)到預(yù)設(shè)的層合板厚度和標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)可以停止操作并進(jìn)行后續(xù)加工和修整。

第五步，將完成上述處理的模具放置在室溫條件下（持續(xù)放置8h～24h），使模具中的材料發(fā)生固化反應(yīng)。該固化過程非常重要，可以確保樹脂材料與纖維布材料之間能結(jié)合牢固且完全實(shí)現(xiàn)目標(biāo)強(qiáng)度。模具中的材料會(huì)隨時(shí)間的推移逐漸固化。在此期間，模具需要保持靜置狀態(tài)，并且需要注意試驗(yàn)環(huán)境的溫度和濕度，以確保固化過程穩(wěn)定性和質(zhì)量。在等待固化反應(yīng)的過程中，必須確保模具不受外界的振動(dòng)或沖擊，防止材料變形或破損。確保模具中材料反應(yīng)完全后，即進(jìn)行樣件切割。采用線性切割的方式對樣件進(jìn)行切割處理，可以獲得平整的切割邊緣和符合要求的尺寸。根據(jù)需要，對切割后的樣件進(jìn)行進(jìn)一步加工和處理，例如打磨、去毛刺涂飾等，以獲得最終的成品。這些加工步驟的目的是提高樣件的表面光滑度，并確保其符合設(shè)計(jì)要求和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 試驗(yàn)方法

為從多角度分析試驗(yàn)樣件綜合性能，本文設(shè)計(jì)了拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，為降低或控制樣件夾持位置對拉伸結(jié)果的影響，將樣件的夾持位置兩端粘貼一層薄鋁合金，以加強(qiáng)對試驗(yàn)中A組樣件、B組樣件的保護(hù)。通常情況下，薄鋁合金加強(qiáng)片的有效粘接長度為50mm。

拉伸試驗(yàn)在電子萬能試驗(yàn)機(jī)中實(shí)施[7]。在拉伸操作中，要確保樣件與試驗(yàn)機(jī)設(shè)備的夾頭中心線處于同一水平面上。同時(shí)，要在試驗(yàn)過程中避免夾頭與試驗(yàn)樣件之間發(fā)生滑移。在此基礎(chǔ)上，操作電子萬能試驗(yàn)機(jī)，使設(shè)備的拉伸加載速率穩(wěn)定在2mm/min。持續(xù)拉伸，直到樣件發(fā)生斷裂后完成試驗(yàn)，記錄此過程中樣件拉伸力對應(yīng)的位移數(shù)據(jù)，并將其作為試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。為減少試驗(yàn)結(jié)果的誤差[8]，對每個(gè)樣件至少進(jìn)行4組試驗(yàn)。

完成拉伸試驗(yàn)后，設(shè)計(jì)針對樣件的壓縮試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，參照拉伸試驗(yàn)步驟進(jìn)行樣件切割，所有用于試驗(yàn)的A組樣件尺寸與B組樣件尺寸均為140mm×6mm×2mm，其中薄鋁合金加強(qiáng)片的有效粘接長度為63mm。進(jìn)而在排除試驗(yàn)中其他因素影響的前提下，在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行相同步驟的壓縮試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 材料拉伸性能分析

根據(jù)上述試驗(yàn)方法完成試驗(yàn)后，對軌道交通車輛用的碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行分析。本文在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拉伸條件為0°時(shí)，2種材料試樣均出現(xiàn)了縱向劈裂現(xiàn)象，這是一種材料中常見的性能失效形式，同時(shí)A組試樣的破壞更嚴(yán)重。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是與A組試樣相比，B組試樣具有更高的韌性。當(dāng)拉伸條件為90°時(shí)，2種復(fù)合材料試樣的失效形式均表現(xiàn)為水平方向上的斷裂，充分反映了復(fù)合材料的基本承載性能。為直觀評價(jià)復(fù)合材料的拉伸性能，以B組試樣為例，分別記錄0°拉伸和90°拉伸條件下的B組試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果，見表4、表5。

分析表4、表5中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，在90°拉伸條件下，B組試樣最大載荷均在1100.00N以上，而在0°拉伸條件下，其最大載荷均超過19000.00N。通過表4、表5可知，在90°拉伸條件下，B組試樣的寬度分別為25.11mm、25.09mm和25.01mm；厚度分別為2.02mm、2.01mm和2.02mm；最大載荷分別為1180.25N、1180.25N和1109.52N。在0°拉伸條件下，B組試樣的寬度分別為12.75mm、12.82mm和12.97mm；厚度分別為2.00mm、2.06mm和2.03mm；最大載荷分別為19530.52N、21123.25N和19942.06N。在90°拉伸條件下，B組試樣具有相對較低的最大載荷和縱向應(yīng)變，表明該方向上的機(jī)械強(qiáng)度較低。而在0°拉伸條件下，B組試樣的最大載荷顯著增加，縱向應(yīng)變較大，同時(shí)也觀察到了較小的橫向應(yīng)變。表明在該方向上，B組試樣具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和變形能力。綜合2種拉伸條件下的結(jié)果，可進(jìn)一步推斷出B組試樣在縱向上具有較弱的抗拉性能，而在橫向上具有較強(qiáng)的抗拉性能。

2.2 材料壓縮性能分析

對2種復(fù)合材料進(jìn)行壓縮性能試驗(yàn)后，在0°和90°條件下試樣的破壞形式相類似，通過對比A組試樣和B組試樣的斷裂截面可得，2組試樣都與纖維方向存在45°夾角，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是試樣受壓縮過程中剪力的影響。表6和表7分別為B組試樣在0°壓縮添加和90°壓縮條件下的試驗(yàn)結(jié)果。

分析表6和表7中記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，與0°壓縮條件下相比，90°壓縮條件下的最大荷載更大，均超過4000.00N，而在0°壓縮條件下，試件的最大載荷均在1000.00N以下。比較2種壓縮條件下的1000縱向應(yīng)變和3000縱向應(yīng)變試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，3000縱向應(yīng)變的絕對值明顯大于1000縱向應(yīng)變的絕對值?？v向應(yīng)變的絕對值越大，則說明試樣結(jié)構(gòu)在該方向上產(chǎn)生的變化量越大，結(jié)構(gòu)變形越明顯；反之，縱向應(yīng)變的絕對值越小，則說明試樣結(jié)構(gòu)在該方向上產(chǎn)生的變化量越小，結(jié)構(gòu)變化越不明顯。由此可以看出，3000縱向應(yīng)變對碳纖維復(fù)合材料的性能影響更明顯。

對上述2組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析可以看出，B組試樣的壓縮強(qiáng)度明顯小于拉伸強(qiáng)度，因此彎曲失效通常從壓縮側(cè)開始。比較2組試樣的拉伸和壓縮結(jié)果可以看出，B組試樣的拉伸性能和壓縮性能更好，在相同的拉伸和壓縮條件下，B組試樣不容易發(fā)生變形。應(yīng)用到軌道交通車輛中時(shí)，為確保車輛結(jié)構(gòu)性能和行車安全，應(yīng)盡可能選用B組試樣即玄武巖纖維復(fù)合材料。

3 結(jié)語

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展與軌道運(yùn)輸行業(yè)建設(shè)工作的持續(xù)推進(jìn)，市場內(nèi)軌道交通車輛數(shù)量越來越多。為滿足行業(yè)發(fā)展要求，應(yīng)在大力發(fā)展交通業(yè)的同時(shí)，控制好交通車輛運(yùn)行排放。為滿足低碳環(huán)境的建設(shè)與持續(xù)化發(fā)展要求，輕量化車輛成為城市軌道交通發(fā)展的核心趨勢。為滿足車輛的輕量化生產(chǎn)制造需求，本文通過拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)，對軌道交通車輛用的碳纖維復(fù)合材料綜合性能進(jìn)行了測試和分析，明確了此類復(fù)合材料投產(chǎn)使用后的優(yōu)勢與缺陷，可為碳纖維復(fù)合材料的推廣應(yīng)用提供進(jìn)一步支持與技術(shù)指導(dǎo)。

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