轨道交通车辆用碳纤维复合材料的性能研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.1（下）-57-工 业 技 术碳纤维复合材料具有质量轻、比强度高、耐高温、抗冲击以及抗腐蚀等优良性能，受到交通行业、车辆生产制造企业的重视。与汽车设计中的原始材料相比，碳纤维复合材料的稳定性更强。根据有关部门的调研与市场综合分析，应用此类复合材料可以使交通行业的轻量化收益从 15%提升至40%1。为使碳纤维复合材料在交通领域内发挥更高的效能与价值，本文将从多个角度测试并分析其综合性能。1 试验材料与方法1.1 试验材料与设备选择为满足碳纤维复合材料在实际应用中的综合性能分析与测试需求，选择由当地新材料科技研发公司提供的碳纤维复合材料（试验中标注该材料制造的样本为 A）与玄武岩纤维材料（试验中标注该材料制造的样本为 B）作为本次试验的原料2，并对 2 种材料的属性进行分析。相关内容见表 1。表 1 A 组试样与 B 组试样的属性分析项目密度（gcm-3）面密度（gcm-2）拉伸强度（MPa）拉伸模量（GPa）B组试样属性1.7328175090A组试样属性1.51984095195掌握试样材料的基本属性后，使用由该公司提供的环氧树脂作为纤维材料试验样块制备过程中的基体材料。基体材料属性见表 2，所需仪器设备见表 3。参照表中内容完成性能测试中试验材料的准备与所需仪器设备的选型。表 2 环氧树脂基体材料属性材料型号密度（gcm-3）拉伸强度（MPa）弯曲强度（MPa）LT-50281.01.365856585表 3 碳纤维复合材料性能测试所需仪器设备仪器设备型号双螺杆挤出设备SA1600伺服节能注塑设备BIII-CWI-120V三维显微镜（超景深）VHX-6000扫描电子显微镜（台式）TM3000（SEM）单纤维强力仪LLY-06E红外光谱仪-傅里叶Nicolet-6700马弗炉（电阻炉/箱式）JK-SX2-4-10N电子万能试验机（微机控制设备）E43.105悬臂梁冲击试验设备E21.5511.2 试验样件制备在上述内容的基础上，使用准备的原材料进行试验中样件的制备工作3。在该过程中，鉴于本次试验需要的样件数量较少且成型的最终样件尺寸相对较小，在综合考虑生产效率与制造成本等因素后，决定使用手糊处理法生产试验样件4，以快速制备出数量较少且尺寸较小的样件。该方法具有生产效率高、制造成本低的特点。首先，根据试验要求准备好所需原材料，包括基础材料和添加剂。按照使用说明书进行配比和搅拌，确保混合物的质量和均匀性。其次，在特定的模具上均匀涂布混合物。涂布过程中要控制涂布厚度和均匀性，以保证最终样件质量和尺寸的一致性。再次，将涂布好的模具放置在试验环境中进行固化。根据材料特性，等待固化过程完成。最后，取下模具，得到最终的试验样件。对样件进行必要的检查和清洁，以确保样件的完整性和质量。在整个制备过程中，要遵守安全操作规程，保障人身安全并注意保护环境。通过手糊处理法可有效制备出满足试验要求的样件，并继续优化制备工艺，以提高样件质量和生产效率。该方法的手工工艺主要有 2 种，分别为干法制作与湿法制作。使用前者进行试验样件制作过程中，需要在获得材料成型毛坯时，采用其他方法进行毛坯进一步固化与成型处理。而使用后者进行试验样件制作过程中，预成型、浸渍等步骤几乎同时完成。综合两者手工工艺，后者在实际应用中效率更高5。其中手糊处理法的工艺流程如图 1 所示。为确保相关工作规范化，将手糊处理法中的湿法制作工艺分为 5 个主要步骤。具体工艺步骤如下。第一步，根据试验需要，选择样件制备过程中所需模具。完成模具的清洁处理后，需要在模具内侧涂抹脱模剂。目前，市场内应用最多的脱模剂为乙醇，因此本文试验将乙醇溶液作为模具的脱模试剂。第二步，在前期准备的树脂材料中根据规范掺入固化剂，将掺入的材料与原料混合均匀后涂抹在模具中，进而通过一系列操作来完成固化过程。首先，确保模具表面平整，避免产生气泡或其他瑕疵。其次，涂抹完成后，要将模具置于适当的环境条件下进行固化，通常是在恒温室中控制温度和湿度。在固化过程中，根据需要采取加热或加压的方式来促进树脂的固化反应。加热可以提高反应速率，加压则能够提供更大的压力，使树脂充分填充模具的所有空隙。一旦树脂固化完成，就可以将模具中的固化体取出。最后，对固化后的产品进行必要的后处理，例如修整、清洁和涂饰等，以使其符合使用要求和审美需求。第三步，根据铺层的角度，将纤维布材料直接铺设在树脂层上，辅助刮刀等进行树脂层的挂涂。通过此种方式6，确保模具表面的树脂涂抹均匀并完全浸入纤维布。完成上述轨道交通车辆用碳纤维复合材料的性能研究赵英男（中车成型科技（青岛）有限公司，山东 青岛 266000）摘 要：为了探究轨道交通车辆用的碳纤维复合材料性能，本文制备了一组碳纤维试样和一组玄武岩-碳纤维复合材料试样，通过拉伸试验和压缩试验，分析2组材料的拉伸性能和压缩性能。结果表明，与单一碳纤维组成材料相比，碳纤维复合材料的拉伸性能和压缩性能均更优，更适用于轨道交通车辆，可提升轨道交通安全性。可见碳纤维复合材料能有效改进单一纤维材料，同时还能降低材料成本，具有广阔的应用前景。关键词：轨道交通；碳纤维；复合材料中图分类号：U465文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.1（下）-58-工 业 技 术操作后，排出模具中的气泡，避免相关因素对试验结果造成影响。第四步，当树脂材料完全浸入纤维布后，需要等待一段时间，以确保树脂材料完全渗透到纤维布中。该时间取决于使用的树脂类型和纤维布材料的性质。在涂抹树脂和铺设纤维布材料的过程中，需要重复进行上述操作，直到达到预设的层合板厚度和标准，此时可以停止操作并进行后续加工和修整。第五步，将完成上述处理的模具放置在室温条件下（持续放置 8h24h），使模具中的材料发生固化反应。该固化过程非常重要，可以确保树脂材料与纤维布材料之间能结合牢固且完全实现目标强度。模具中的材料会随时间的推移逐渐固化。在此期间，模具需要保持静置状态，并且需要注意试验环境的温度和湿度，以确保固化过程稳定性和质量。在等待固化反应的过程中，必须确保模具不受外界的振动或冲击，防止材料变形或破损。确保模具中材料反应完全后，即进行样件切割。采用线性切割的方式对样件进行切割处理，可以获得平整的切割边缘和符合要求的尺寸。根据需要，对切割后的样件进行进一步加工和处理，例如打磨、去毛刺涂饰等，以获得最终的成品。这些加工步骤的目的是提高样件的表面光滑度，并确保其符合设计要求和质量标准。1.3 试验方法为从多角度分析试验样件综合性能，本文设计了拉伸试验、压缩试验。在试验过程中，为降低或控制样件夹持位置对拉伸结果的影响，将样件的夹持位置两端粘贴一层薄铝合金，以加强对试验中 A 组样件、B 组样件的保护。通常情况下，薄铝合金加强片的有效粘接长度为 50mm。拉伸试验在电子万能试验机中实施7。在拉伸操作中，要确保样件与试验机设备的夹头中心线处于同一水平面上。同时，要在试验过程中避免夹头与试验样件之间发生滑移。在此基础上，操作电子万能试验机，使设备的拉伸加载速率稳定在 2mm/min。持续拉伸，直到样件发生断裂后完成试验，记录此过程中样件拉伸力对应的位移数据，并将其作为试验结果数据。为减少试验结果的误差8，对每个样件至少进行4 组试验。完成拉伸试验后，设计针对样件的压缩试验。在试验过程中，参照拉伸试验步骤进行样件切割，所有用于试验的 A组样件尺寸与 B 组样件尺寸均为 140mm6mm2mm，其中薄铝合金加强片的有效粘接长度为 63mm。进而在排除试验中其他因素影响的前提下，在万能试验机上进行相同步骤的压缩试验。2 试验结果讨论2.1 材料拉伸性能分析根据上述试验方法完成试验后，对轨道交通车辆用的碳纤维复合材料的拉伸性能进行分析。本文在试验过程中发现，当拉伸条件为 0时，2 种材料试样均出现了纵向劈裂现象，这是一种材料中常见的性能失效形式，同时 A 组试样的破坏更严重。出现该现象的主要原因是与 A 组试样相比，B 组试样具有更高的韧性。当拉伸条件为 90时，2 种复合材料试样的失效形式均表现为水平方向上的断裂，充分反映了复合材料的基本承载性能。为直观评价复合材料的拉伸性能，以 B 组试样为例，分别记录 0拉伸和 90拉伸条件下的B 组试样拉伸试验结果，见表 4、表 5。分析表 4、表 5 中的试验数据可得，在 90拉伸条件下，B 组试样最大载荷均在 1100.00N 以上，而在 0拉伸条件下，其最大载荷均超过 19000.00N。通过表 4、表 5 可知，在 90拉伸条件下，B 组试样的宽度分别为 25.11mm、25.09mm 和25.01mm；厚度分别为 2.02mm、2.01mm 和 2.02mm；最大载荷分别为 1180.25N、1180.25N 和 1109.52N。在 0拉伸条件下，B 组试样的宽度分别为 12.75mm、12.82mm 和 12.97mm；厚度分别为 2.00mm、2.06mm 和 2.03mm；最大载荷分别为19530.52N、21123.25N 和 19942.06N。在 90拉伸条件下，B组试样具有相对较低的最大载荷和纵向应变，表明该方向上的机械强度较低。而在 0拉伸条件下，B 组试样的最大载荷显著增加，纵向应变较大，同时也观察到了较小的横向应变。表明在该方向上，B 组试样具有较高的机械强度和变形能力。综合 2 种拉伸条件下的结果，可进一步推断出 B 组试样在纵向上具有较弱的抗拉性能，而在横向上具有较强的抗拉性能。2.2 材料压缩性能分析对 2 种复合材料进行压缩性能试验后，在 0和 90条件图 1 手糊处理法的工艺流程检验样件脱模固化后处理原材料手糊成型树脂胶液增强材料中国新技术新产品2024 NO.1（下）-59-工 业 技 术下试样的破坏形式相类似，通过对比 A 组试样和 B 组试样的断裂截面可得，2 组试样都与纤维方向存在 45夹角，出现这一现象的主要原因是试样受压缩过程中剪力的影响。表6 和表 7 分别为 B 组试样在 0压缩添加和 90压缩条件下的试验结果。分析表 6 和表 7 中记录的试验数据可得，与 0压缩条件下相比，90压缩条件下的最大荷载更大，均超过 4000.00N，而在 0压缩条件下，试件的最大载荷均在 1000.00N 以下。比较 2种压缩条件下的1000纵向应变和3000纵向应变试验数据可得，3000 纵向应变的绝对值明显大于 1000 纵向应变的绝对值。纵向应变的绝对值越大，则说明试样结构在该方向上产生的变化量越大，结构变形越明显；反之，纵向应变的绝对值越小，则说明试样结构在该方向上产生的变化量越小，结构变化越不明显。由此可以看出，3000 纵向应变对碳纤维复合材料的性能影响更明显。对上述 2 组试验结果进行综合分析可以看出，B 组试样的压缩强度明显小于拉伸强度，因此弯曲失效通常从压缩侧开始。比较 2 组试样的拉伸和压缩结果可以看出，B 组试样的拉伸性能和压缩性能更好，在相同的拉伸和压缩条件下，B 组试样不容易发生变形。应用到轨道交通车辆中时，为确保车辆结构性能和行车安全，应尽可能选用 B 组试样即玄武岩纤维复合材料。3 结语随着城市轨道交通的快速发展与轨道运输行业建设工作的持续推进，市场内轨道交通车辆数量越来越多。为满足行业发展要求，应在大力发展交通业的同时，控制好交通车辆运行排放。为满足低碳环境的建设与持续化发展要求，轻量化车辆成为城市轨道交通发展的核心趋势。为满足车辆的轻量化生产制造需求，本文通过拉伸试验、压缩试验，对轨道交通车辆用的碳纤维复合材料综合性能进行了测试和分析，明确了此类复合材料投产使用后的优势与缺陷，可为碳纤维复合材料的推广应用提供进一步支持与技术指导。参考文献1 孙兴祥，叶国方，童方强，等.液体橡胶增韧改性中温固化环氧树脂研究及其碳纤维复合材料制备 J.高科技纤维与应用，2023，48（4）：51-59.2 叶秋婷，钱鑫，张雪辉，等.基于碳纤维调控的聚合物基复合材料导热性能研究进展 J.合成纤维工业，2022，45（5）：61-68.3 王昕敏.轨道交通车辆转向架零部件应用碳纤维复合材料替代金属材料研究 J.合成材料老化与应用，2022，51（4）：115-117.4 王静，娄娅娅，王春梅.铁基金属-有机框架材料/活性碳纤维复合材料的制备及其对染料的脱色 J.纺织学报，2022，43（8）：126-131.5 侯红玲，郝海凌，吕瑞虎，等.基于响应面法碳纤维复合材料激光切割工艺参数优化及性能试验 J.激光与光电子学进展，2022，59（13）：307-314.6 谢顺利，雷红红，张春丽，等.表面改性对碳纤维及其复合材料性能影响的研究进展 J.表面技术，2022，51（11）：186-195.7 孙胜然，吴东乐，罗嘉倩，等.基于 Digimat RVE 的碳纤维增强聚丙烯复合材料性能分析 J.中国造纸学报，2021，36（1）：44-51.8 李戈辉.碳纤维复合材料铺层优化研究及在磁悬浮车体中的应用 D.成都：西南交通大学，2021.表 6 90压缩条件下的 B 组试样压缩试验结果指标试样宽度（mm）试样厚度（mm）最大载荷（N）1000对应载荷（N）1000纵向应变（10-6）3000对应载荷（N）3000纵向应变（10-6）B-075.872.024653.54572.00-1042.001382.00-3074.00B-085.952.034425.36623.00-1063.001492.00-3052.00B-096.002.054325.36586.00-1024.001376.00-3067.0表 7 0压缩条件下的 B 组试样压缩试验结果指标试样宽度（mm）试样厚度（mm）最大载荷（N）1000对应载荷（N）1000纵向应变（10-6）3000对应载荷（N）3000纵向应变（10-6）B-015.831.98843.2574.00-1062.00234.00-3024.00B-025.962.00964.2538.00-1031.00202.00-3072.00B-035.881.98917.2548.00-1065.00264.00-3162.00表 4 90拉伸条件下的 B 组试样拉伸试验结果指标试样宽度（mm）试样厚度（mm）最大载荷（N）500对应载荷（N）500纵向应变（10-6）1500对应载荷（N）1500纵向应变（10-6）B-0125.112.021180.25603.00-512.001053.00-1573.00B-0225.092.011180.25665.00-536.001124.00-1582.00B-0325.012.021109.52520.00-501.00975.00-1512.00表 5 0拉伸条件下的 B 组试样拉伸试验结果指标试样宽度（mm）试样厚度（mm）最大载荷（N）1000纵向应变（10-6）1000横向应变（10-6）1000对应载荷（N）B-0412.752.0019530.52-1023.00-204.001405.00B-0512.822.0621123.25-1027.00-218.001204.00B-0612.972.0319942.06-1029.00-251.001336.00