輕量化先進碳纖維材料的研究與應用

戶迎燦,夏元平,曹亞周,葛繼文,陳 旭

(中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東 青島 266000)

0 引言

隨著城市化進程的加速,軌道交通的建設已成為當今城市交通發展的重要方向。然而,傳統的軌道交通結構材料存在著密度大、自重重、疲勞壽命短等問題,這不僅增加了工程成本,而且也給城市環境和人民生命財產安全帶來了一定的隱患。因此,尋求一種輕量化、高強度、耐久性強的先進材料應用于軌道交通結構中,是當前軌道交通領域的研究熱點之一。輕量化先進碳纖維材料正是在這一背景下被廣泛研究和應用的。

1 輕量化先進碳纖維材料的定義和分類

輕量化先進碳纖維材料是一種高性能、輕質、高強度的復合材料。它由高強度碳纖維和熱固性樹脂等基材組成,采用復合加工工藝制造而成。碳纖維是一種以聚丙烯腈、聚酰胺或者天然纖維等高聚物為原料,經氧化、碳化等多道工藝制得的纖維狀碳材料,其密度為1.5～1.8 g/cm3,強度和剛度極高[1]。為了使碳纖維材料更輕、更堅固,多加入以下幾種材料:

(1)納米材料。將納米材料與碳纖維材料混合可以提高材料的強度和剛度,同時減輕材料的重量。例如,在碳纖維材料中加入氧化鋁納米顆粒,可以增強碳纖維的剛度和強度。

(2)高分子材料。高分子材料在碳纖維中的應用可以提高材料的耐磨性和抗沖擊性能。例如,在碳纖維中添加聚氨酯高分子材料可以提高碳纖維材料的耐磨性。

(3)陶瓷材料。將陶瓷纖維與碳纖維材料混合可以提高材料的耐腐蝕性和耐高溫性能。例如,在碳纖維材料中添加氧化鋁陶瓷纖維可以提高材料的耐高溫性能。

(4)金屬材料。金屬材料與碳纖維材料混合可以提高材料的強度和韌性。例如,在碳纖維材料中添加鈦合金可以提高碳纖維材料的韌性和強度[2]。

(5)碳納米管。將碳納米管與碳纖維材料混合可以提高材料的導電性和熱傳導性。同時,碳納米管的加入也可以提高材料的強度和剛度。

根據不同的制造工藝,輕量化先進碳纖維材料可以分為2類,即預浸料型和干紗型。預浸料型是指預先將碳纖維浸漬于樹脂中形成帶有固化劑的半成品,之后再進行成型和固化的過程。而干紗型則是將碳纖維紗線和樹脂分別引入成型模具,通過注塑等加工工藝,將紗線和樹脂復合在一起形成最終產品。除此之外,根據不同的材料性能和應用場景,輕量化先進碳纖維材料還可以分為多種類型[3]。例如高模量碳纖維材料具有較高的彈性模量和強度,適用于高要求的結構應用場景,而高強度碳纖維材料則具有較高的拉伸強度,適用于對結構強度要求較高的場景。

2 輕量化先進碳纖維材料基本特性

(1)輕量化。碳纖維是一種輕質高強的材料,密度為1.6～2.0 g/cm3,比鋼的密度輕約1/4,比鋁輕約1/3。使用碳纖維可以大幅減輕軌道交通車輛的重量,降低能耗,提高運行效率。也正是由于碳纖維材料是通過將有機聚合物碳化后得來的,其主要成分便是碳,而碳的結構雖然穩定,但是密度卻較低,因此,碳纖維材料的比重便較小。

(2)強度高。碳纖維材料是經過碳化的纖維材料制成的,這也讓碳纖維材料能夠同時具備碳材料的強抗拉力和纖維材料的柔軟性,因此碳纖維具有非常高的強度,其強度可以達到大約3 000 MPa,比鋁的強度高出5倍以上,比鋼的強度高出2倍以上。在軌道交通領域,使用碳纖維可以提高車輛的結構強度,增強車體抗振能力和耐久性[4]。

(3)耐腐蝕。碳纖維具有優異的耐腐蝕性能,不會受到水、酸、堿、鹽等化學物質的侵蝕。在軌道交通領域,車輛經常需要在惡劣的環境中運行,例如高濕度、高溫度、大氣污染等,使用碳纖維材料可以有效地延長車輛的使用壽命[5]。

(4)優異的疲勞性能。碳纖維具有優異的疲勞性能,可承受多次循環載荷并不斷恢復。在軌道交通領域,碳纖維材料可以用于制造經常需要承受循環載荷的車輛部件,例如車門、座椅等[6]。

(5)優異的導熱性能。碳纖維具有良好的導熱性能,能夠有效地分散車輛部件的熱量,降低溫度升高的風險。在軌道交通領域,碳纖維材料可以用于制造高速列車的制動器、電機等高溫部件。碳纖維具有優異的高溫性能,它的耐高溫性能可以達到400 ℃以上,比一般的金屬材料和復合材料更為優越,能夠承受高溫熱應力和高溫氧化。在軌道交通領域,碳纖維材料可以用于制造高速列車的制動器、電機等高溫部件。

(6)低熱膨脹系數。碳纖維具有低熱膨脹系數,能夠保持良好的尺寸穩定性,不易變形。當物體受熱時,其自身的體積會增大,這種現象被稱為熱膨脹,而熱膨脹系數是指隨著溫度的升高,物體體積的變化與其在20 ℃環境下的體積的比值。一般金屬的熱膨脹系數為1/℃,而碳纖維材料的熱膨脹系數遠遠小于金屬的熱膨脹系數,當碳纖維材料處于20～70 ℃之間時,T300碳纖維的熱膨脹系數為-0.74×106/K,這使得碳纖維材料的出色性能被各行業所青睞。

(7)電磁性能優異。碳纖維材料具有良好的電磁性能。它的導電性能和介電性能都很好,可以應用于電子、電磁等領域。此外,碳纖維材料也具有較好的抗輻射性能,可用于制造輻射防護材料。

3 輕量化先進碳纖維材料的工藝技術

3.1 纖維制備技術

制備碳纖維的過程一般包括聚合物紡絲、牽伸拉伸、炭化、表面處理等步驟。其中,聚合物紡絲是制備碳纖維的核心技術之一。常用的聚合物有聚丙烯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚乙烯酮等。碳纖維的性能取決于纖維的微觀結構和組織形態,因此在聚合物紡絲、牽伸拉伸、炭化等步驟中,需要控制參數并進行優化,以獲得理想的碳纖維性能。具體流程如下:

(1)原材料處理:將聚丙烯等有機物質加入到溶劑中,形成聚合物原料。

(2)紡絲:將聚合物原料通過高壓或低壓噴出頭,形成直徑為10～20 μm的預成形絲。

(3)穩定:在氧氣含量不高于2%的氣氛中,將預成形絲加熱至300～500 ℃,使其經歷一段時間的“穩定”過程,使其氧化和失去水分,形成一種具有特殊結構和物理化學性質的“碳化物”。

(4)炭化:將穩定后的預成形絲放入高溫爐中進行炭化處理,通常溫度在1 000～2 000 ℃之間,使其逐步轉化為成品碳纖維[7]。

3.2 碳纖維增強復合材料制備技術

軌道交通用輕量化先進碳纖維材料一般采用碳纖維增強復合材料制備技術。該技術是將碳纖維與基體樹脂復合而成,具有強度高、剛度大、重量輕、耐腐蝕等特點。常用的基體樹脂有環氧樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚酰胺樹脂等。碳纖維增強復合材料的制備過程主要包括預處理、成型、固化等步驟。其中,預處理是提高碳纖維與基體樹脂之間粘結強度的關鍵,成型則決定了復合材料的成型形態和尺寸精度,固化則是為了提高復合材料的力學性能。具體涉及到的工藝包括以下5種:

(1)手層疊加工藝:將預先制備好的碳纖維布層疊加并壓實成型,再進行固化。

(2)自動化層疊加工藝:通過自動化機械手臂將碳纖維布進行疊加并壓實成型,可大幅提高生產效率。

(3)預浸料工藝:將碳纖維和樹脂混合并預先固化,制成預浸料,再將預浸料鋪在模具中進行固化成型。

(4)快速固化工藝:在模具中加熱壓縮碳纖維預浸料,使其快速固化成型。

(5)氣體壓縮工藝:利用高壓氣體將碳纖維和樹脂一起壓縮成型。

3.3 碳纖維增強復合材料加工技術

碳纖維增強復合材料具有高硬度、高脆性、易磨損、難加工等特點,因此需要采用專業的加工工藝。常用的碳纖維增強復合材料加工技術包括手工剪裁、數控剪裁、注塑成型、RTM成型、自動化纖維排布等。手工剪裁和數控剪裁是碳纖維增強復合材料加工中最基本的加工方式,注塑成型和RTM成型是專業化加工方式,可以在保證復合材料質量的同時提高生產效率,自動化纖維排布則是利用機器人實現[8]。

4 軌道交通領域中輕量化先進碳纖維材料的應用

4.1 地鐵隧道結構

地鐵隧道是軌道交通系統中必不可少的部分,而先進的碳纖維材料的應用可以顯著提高隧道的強度和耐久性。首先,在隧道支護結構方面。傳統的隧道支護結構主要采用鋼筋混凝土結構,但這種結構存在自重大、施工復雜等問題。而采用碳纖維材料制成的支護結構不僅可以減輕自重,還具有優異的耐久性、抗震性能和耐腐蝕性能。其次,隧道襯砌方面。傳統的隧道襯砌采用鋼筋混凝土或磚石結構,但這些材料存在自重大、施工困難、施工周期長等缺點。而碳纖維增強復合材料具有輕量化、抗震、耐久和易于施工的特點,被廣泛用于隧道襯砌的加固和加強。最后,隧道防火材料方面。傳統的防火材料主要采用鋼筋混凝土、鋼板等材料,但這些材料在火災中會產生大量的有害氣體,不利于人員疏散和滅火。而碳纖維材料具有較高的防火性能,可以有效減緩火勢,同時不會產生有害氣體,因此被廣泛應用于地鐵隧道的防火材料[9]。

4.2 橋梁結構

橋梁結構方面應用輕量化先進碳纖維材料,在保證結構強度和穩定性同時,還可以減少結構自重,延長使用壽命。首先,橋梁梁體加固。碳纖維布貼加固技術可以有效增強橋梁梁體的承載能力和剛度,延長橋梁壽命。相比傳統的加固方法,如鋼板加固、預應力加固等,碳纖維布貼加固不僅可以減輕橋梁自身重量,同時還具有施工簡單、無需停車、無振動、無噪聲等優點。其次,橋梁支座。輕量化先進碳纖維材料可以用于橋梁支座的制造[10]。碳纖維材料具有高強度、高剛度、耐腐蝕等特點,可以代替傳統的鋼、銅、鉛等材料作為支座材料。采用碳纖維支座的橋梁不僅可以減少重量,提高承載能力,而且還能減小振動,延長使用壽命。最后,橋梁懸索索道。輕量化先進碳纖維材料可以用于橋梁懸索索道的制造。采用碳纖維材料替代傳統的鋼纜,可以減輕橋梁重量,提高結構剛度,降低風荷載等級要求,提高橋梁抗風能力,延長使用壽命。

4.3 軌道交通車身

軌道交通車身是軌道交通系統的重要組成部分,其安全性、穩定性和舒適性對乘客的乘坐體驗至關重要。輕量化先進碳纖維材料在軌道交通車身中的應用,可以有效提高車身的強度和剛度,降低車重,從而提高能效和降低運營成本。首先,碳纖維可以用于制造車身外殼,因為它具有高強度、高剛度和優異的抗腐蝕性能。采用碳纖維復合材料制造車身外殼,可以減輕車身重量,從而減少能耗和運營成本。同時,碳纖維復合材料還可以提高車身的抗風壓和抗震性能,從而提高車身的安全性和穩定性。其次,碳纖維還可以用于車身底盤和車架的制造。碳纖維具有優異的拉伸強度和彎曲剛度,因此可以用于制造車身底盤和車架,提高車身的剛度和穩定性。此外,碳纖維還具有較好的耐疲勞性能,可以有效延長車身的使用壽命。最后,碳纖維還可以用于車門和座椅等零部件的制造。使用碳纖維材料制造車門和座椅等零部件,可以減輕車身重量,提高車身的能效,并且具有較好的耐用性能和美觀性能。

4.4 其他結構

(1)軌道交通信號設備支架。信號設備是軌道交通的重要組成部分,需要支撐設備的架子具有足夠的強度和剛度。使用輕量化先進碳纖維材料可以減輕支架自身重量,降低設備對支架的負荷,提高信號設備的穩定性和可靠性。

(2)軌道交通引道橋。引道橋是連接地面與車站站臺之間的橋梁,其結構穩定性和承載能力要求高。使用輕量化先進碳纖維材料可以降低引道橋自身重量,提高其承載能力和抗震性能,同時也可以減少對車站結構的影響[11]。

(3)軌道交通站臺頂棚。站臺頂棚是保護站臺和乘客免受自然環境影響的重要構件。使用輕量化先進碳纖維材料可以減輕頂棚自身重量,提高其抗風和抗震性能,同時也可以減少對車站結構的影響。

(4)軌道交通車站墻體。車站墻體需要承受自然環境和人員活動帶來的荷載和沖擊,而且需要具備較高的防火和防盜性能。使用輕量化先進碳纖維材料可以提高車站墻體的強度和穩定性,減輕自身重量,同時也可以減少對地基的影響。

通過上述可以看出,輕量化先進碳纖維材料在軌道交通行業領域應用呈現良好的發展前景。在軌道交通車身設計中,采用輕量化設計思路,將結構最優化,材料最有效利用,以達到車輛質量輕量化的目的。同時,采用新型的制造工藝,如3D打印、機器人組裝等,提高了車輛的制造效率,降低了成本。隨著智能化技術的不斷發展,智能化軌道交通車輛逐漸成為發展的趨勢。在智能化車輛中,先進碳纖維材料的應用可以提高車輛的自動化水平、降低能耗、提高安全性能。

5 結語

總的來說,輕量化先進碳纖維材料是一種新型的節能材料,由于材料強度大、質量輕,在諸多行業領域中得到了廣泛應用。而在軌道交通地鐵隧道結構、橋梁結構、軌道交通車身等領域中應用輕量化先進碳纖維材料,相較于傳統的材料而言,加了納米材料、高分子材料、陶瓷材料、金屬材料、碳納米管等的新型材料,能夠極大地減輕結構自身重量,提高結構穩定性和承載能力,降低對車站或地基的影響,在保證軌道交通質量和安全的同時,進一步延長使用壽命,對于推動我國軌道交通事業高水平發展具有深遠的意義。