軌道交通用碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料力學與阻燃性能研究

摘" 要：該研究通過熱壓罐工藝制備3種軌道交通用碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料，對其拉伸、層間剪切等力學性能和防火阻燃性能進行測試，為材料的選擇與優(yōu)化提供科學依據(jù)。結(jié)果表明3種復合材料的0°拉伸強度皆大于1 900 MPa，層間剪切強度大于70 MPa，關(guān)鍵力學性能優(yōu)異，且阻燃等級皆達到EN45545-2：2020 R1 HL3，可滿足軌道交通領(lǐng)域典型承力件和次承力件的力學性能及防火安全性的要求。

關(guān)鍵詞：碳纖維；環(huán)氧樹脂；復合材料；力學性能；阻燃性能

中圖分類號：TB332" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0063-04

Abstract： In this study， three kinds of carbon fiber reinforced epoxy resin composites for rail transit were prepared by autoclave process， and their mechanical properties such as tensile， interlayer shear and fire-retardant properties were tested， which provided scientific basis for the selection and optimization of materials. The results show that the 0°tensile strength of the three composites is greater than 1 900 MPa， the interlaminar shear strength is greater than 70 MPa， the key mechanical properties are excellent， and the flame-retardant grade of the three composites reaches EN45545-2：2020 R1 HL3， which can meet the mechanical properties and fire safety requirements of typical and sub-load bearing parts in the field of rail transit.

Keywords： carbon fiber; epoxy resin; composite material; mechanical property; flame-retardant property

近年來，軌道交通領(lǐng)域發(fā)展迅速，對輕質(zhì)高強材料的需求日益增加。碳纖維因其具有高強度、比重小、熱膨脹系數(shù)小等性能，被視為先進復合材料的主要增強纖維之一[1-2]。環(huán)氧樹脂因其黏結(jié)性能好、易加工成型等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種技術(shù)領(lǐng)域[3-4]。碳纖維與環(huán)氧樹脂相結(jié)合，可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點，進一步提升材料的整體性能，使其在軌道交通、航空航天等多個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。然而，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴展，對材料安全性和力學性能的要求也越來越高。特別是在軌道交通和航空航天等安全性至關(guān)重要的領(lǐng)域，材料的力學和阻燃性能成為評估其適用性的兩大核心指標。力學性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的承載能力和使用壽命，而阻燃性能則直接關(guān)系到在火災(zāi)等極端情況下的安全性能。因此，深入提高碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料的力學和阻燃性能，對于提高材料的整體性能和拓寬應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義[5-8]。

本文通過對3種軌道交通用碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料的力學性能和阻燃性能進行測試，系統(tǒng)地評估這些材料在實際應(yīng)用中的潛在價值，為相關(guān)領(lǐng)域的科研人員和工程師提供參考和借鑒。

1" 實驗過程

1.1" 實驗原料

A預(yù)浸料，市面采購，使用SYT49S碳纖維增強環(huán)氧樹脂單向預(yù)浸料，單層厚度（0.17±0.02） mm；B預(yù)浸料，市面采購，使用東邦UTS50碳纖維增強環(huán)氧樹脂單向預(yù)浸料，單層厚度（0.19±0.2） mm；C預(yù)浸料，市面采購，使用HF30F碳纖維增強環(huán)氧樹脂單向預(yù)浸料，單層厚度（0.15±0.02） mm。

1.2" 實驗儀器

高溫熱壓罐，諸城市魯貫通機械科技有限公司；高低溫電子萬能試驗機，英斯特朗（上海）設(shè)備有限公司；熱輻射火焰蔓延測試儀，莫帝斯燃燒技術(shù)（中國）有限公司；錐形量熱儀，英國FTT；煙密度箱，英國FTT；傅里葉紅外氣體分析柜，英國FTT。

1.3" 樣板制備

預(yù)浸料鋪層后放至熱壓罐，鋪層數(shù)、樣板尺寸及測試標準見表1，室溫下抽真空至小于等于-0.095 MPa，熱壓罐加壓至6 bar，以2 ℃/min的升溫速率升至80 ℃，保溫1 h，再以2 ℃/min的升溫速率升至130 ℃，保溫2 h，以不大于3 ℃/min的降溫速率降至60 ℃以下并泄壓脫模。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 力學性能

通過電子萬能試驗機對3種復合材料的拉伸性能進行測試，結(jié)果如圖1所示，3種復合材料0°拉伸強度都達到1 900 MPa以上，其中B復合材料拉伸強度最高為2 101 MPa，這與其纖維本身拉伸強度大于等于5 000 MPa有很大關(guān)系（A與C皆小于5 000 MPa），然而B拉伸模量僅為137 GPa，表明其復合材料剛度與另外2種相比較小。C復合材料90°拉伸強度最大為55.3 MPa，表明C復合材料樹脂基體的強度較高。

碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的壓縮強度是衡量其抵抗壓縮載荷能力的重要參數(shù)，3種阻燃預(yù)浸料的壓縮強度如圖2所示，B復合材料的0°壓縮強度仍然最高為1 456 MPa，90°壓縮強度最高為C，結(jié)合3種復合材料拉伸強度表明，復合材料0°方向性能受纖維強度影響較大，90°方向性能主要受樹脂基體性能影響。

碳纖維復合材料的層間剪切和面內(nèi)剪切分別代表了材料在層間方向和平面內(nèi)的剪切性能，層間剪切強度主要取決于層間界面的結(jié)合，面內(nèi)剪切強度主要取決于纖維和樹脂基體的界面性能，如圖3所示，3種復合材料的層間剪切強度和面內(nèi)剪切強度相當，層間剪切強度都超過70 MPa，面內(nèi)剪切強度都在50 MPa以上，在阻燃碳纖維復合材料中處于較高水平，應(yīng)用于實際產(chǎn)品中，可充分發(fā)揮碳纖維復合材料的優(yōu)異性能。

2.2" 阻燃性能

碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料在軌道交通領(lǐng)域的最高阻燃性能要求需滿足EN45545-2：2020 R1 HL3的標準，其具體指標要求見表2。

2.2.1" 火焰蔓延

臨界熱輻射值是評估材料防火性能的一個重要指標，衡量的是火焰在蔓延過程中，當熱輻射能量達到某一特定值時，火焰將不再繼續(xù)蔓延或熄滅的臨界狀態(tài)。當材料的臨界熱輻射值較高時，意味著該材料在受到較強的熱輻射作用時仍能保持穩(wěn)定，不易被引燃或蔓延。3種阻燃復合材料的臨界熱輻射值結(jié)果如圖4所示，皆符合EN45545-2：2020 R1 HL3的要求。

2.2.2" 熱釋放速率

熱釋放速率是指單位時間內(nèi)材料燃燒所釋放的熱量，單位為kW/m2。表達了火源釋放熱量的快慢和大小，也就是火源釋放熱量的能力，是火災(zāi)科學中的一個重要參數(shù)。熱釋放速率越大，燃燒反饋給材料表面的熱量就越多，導致材料熱解速度加快，揮發(fā)性可燃物生成量增多，從而加速了火焰的傳播。因此，熱釋放速率是評估材料火災(zāi)危險性的重要指標。使用錐形量熱儀對材料的熱釋放速率進行測試，可以在模擬火災(zāi)條件下，對材料的燃燒性能進行精確測量，并得出熱釋放速率等關(guān)鍵參數(shù)。3種復合材料的最大平均熱釋放速率結(jié)果如圖5所示，皆符合EN45545-2：2020 R1 HL3的要求。

2.2.3" 煙密度

煙密度是表征材料燃燒過程中產(chǎn)生煙霧多少的物理量，通過測量透過煙霧的光強度衰減量來量化，煙密度是衡量材料火災(zāi)安全性的重要指標之一。煙密度越大的材料，在火災(zāi)時產(chǎn)生的煙霧越多，越不利于滅火和人員的疏散。采用單煙箱光密度測定材料在燃燒過程中產(chǎn)生的煙霧密度，輻照度為50 kW/m2無焰，測試結(jié)果如圖6所示，均符合EN45545-2：2020 R1 HL3的要求。

2.2.4" 煙毒性

復合材料的煙毒性是指復合材料在燃燒或熱解過程中釋放的煙霧對人體健康產(chǎn)生的危害程度。這種煙霧通常包含有毒氣體、顆粒物和其他有害物質(zhì)，可能對人體呼吸系統(tǒng)、眼睛、皮膚等造成刺激和傷害。本文所選3種復合材料煙毒性均達到EN45545-2：2020 R1 HL3的要求，其結(jié)果如圖7所示。

3" 結(jié)論

本文選用3種軌道交通用碳纖維增強環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，對其力學性能和防火阻燃性能進行了測試，得出如下結(jié)論。

1）3種阻燃復合材料的0°拉伸強度皆大于1 900 MPa，90°拉伸強度大于30 MPa；0°壓縮強度大于1 000 MPa，90°壓縮強度大于140 MPa；層間剪切強度大于70 MPa，面內(nèi)剪切強度大于50 MPa，力學性能優(yōu)異，可滿足軌道交通典型承力結(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)對力學性能的要求。

2）3種阻燃復合材料的防火等級皆達到EN45545-2：2020 R1 HL3的要求，其中火焰蔓延、熱釋放速率、煙密度和煙毒性皆符合軌道交通領(lǐng)域防火安全性的要求。

參考文獻：

[1] 周宇，欒貽浩，臧千，等.610B無鹵阻燃環(huán)氧樹脂及碳纖維復合材料性能[J].復合材料科學與工程，2020（1）：60-66.

[2] 謝文博.耐高溫阻燃環(huán)氧樹脂碳纖維復合材料性能研究[J].復合材料科學與工程，2024（9）：43-47.

[3] 王偉，左小彪，李杰，等.阻燃增韌環(huán)氧樹脂及其復合材料性能研究[J].宇航材料工藝，2011，41（1）：42-45.

[4] 戚磊.無鹵阻燃性環(huán)氧樹脂在軌道交通的應(yīng)用前景分析[J].中小企業(yè)管理與科技，2017（12）：191-193.

[5] 畢一凡，程寶發(fā)，徐沖.環(huán)氧樹脂基碳纖維復合材料的性能研究[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2023，35（1）：13-15，31.

[6] 陳飛回.淺談高性能阻燃碳纖維復合材料的研究[J].中外交流，2021，28（4）：91.

[7] 杜宇，張寶艷，李栓.無鹵阻燃環(huán)氧樹脂及其碳纖維織物復合材料性能研究[C]//第二十一屆全國復合材料學術(shù)會議論文集，2020：1-5.

[8] 劉翔，周恒，郭穎，等.船舶用阻燃樹脂基體復合材料研究進展[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2023，38（4）：50-60.