軌道交通用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)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(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，對(duì)其拉伸、層間剪切等力學(xué)性能和防火阻燃性能進(jìn)行測(cè)試，為材料的選擇與優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明3種復(fù)合材料的0°拉伸強(qiáng)度皆大于1 900 MPa，層間剪切強(qiáng)度大于70 MPa，關(guān)鍵力學(xué)性能優(yōu)異，且阻燃等級(jí)皆達(dá)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(xué)性能及防火安全性的要求。

關(guān)鍵詞：碳纖維；環(huán)氧樹脂；復(fù)合材料；力學(xué)性能；阻燃性能

中圖分類號(hào)：TB332" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)材料的需求日益增加。碳纖維因其具有高強(qiáng)度、比重小、熱膨脹系數(shù)小等性能，被視為先進(jìn)復(fù)合材料的主要增強(qiáng)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(diǎn)，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(diǎn)，進(jìn)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(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。然而，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，對(duì)材料安全性和力學(xué)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(xué)和阻燃性能成為評(píng)估其適用性的兩大核心指標(biāo)。力學(xué)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(fù)合材料的力學(xué)和阻燃性能，對(duì)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(duì)3種軌道交通用碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能和阻燃性能進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)地評(píng)估這些材料在實(shí)際應(yīng)用中的潛在價(jià)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(shí)驗(yàn)過程

1.1" 實(shí)驗(yàn)原料

A預(yù)浸料，市面采購，使用SYT49S碳纖維增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)環(huán)氧樹脂單向預(yù)浸料，單層厚度（0.15±0.02） mm。

1.2" 實(shí)驗(yàn)儀器

高溫?zé)釅汗?，諸城市魯貫通機(jī)械科技有限公司；高低溫電子萬能試驗(yàn)機(jī)，英斯特朗（上海）設(shè)備有限公司；熱輻射火焰蔓延測(cè)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)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(xué)性能

通過電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)3種復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1所示，3種復(fù)合材料0°拉伸強(qiáng)度都達(dá)到1 900 MPa以上，其中B復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度最高為2 101 MPa，這與其纖維本身拉伸強(qiáng)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?jī)H為137 GPa，表明其復(fù)合材料剛度與另外2種相比較小。C復(fù)合材料90°拉伸強(qiáng)度最大為55.3 MPa，表明C復(fù)合材料樹脂基體的強(qiáng)度較高。

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)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(qiáng)度如圖2所示，B復(fù)合材料的0°壓縮強(qiáng)度仍然最高為1 456 MPa，90°壓縮強(qiáng)度最高為C，結(jié)合3種復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度表明，復(fù)合材料0°方向性能受纖維強(qiáng)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(fù)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(qiáng)度主要取決于層間界面的結(jié)合，面內(nèi)剪切強(qiáng)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(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度和面內(nèi)剪切強(qiáng)度相當(dāng)，層間剪切強(qiáng)度都超過70 MPa，面內(nèi)剪切強(qiáng)度都在50 MPa以上，在阻燃碳纖維復(fù)合材料中處于較高水平，應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品中，可充分發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能。

2.2" 阻燃性能

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)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(biāo)準(zhǔn)，其具體指標(biāo)要求見表2。

2.2.1" 火焰蔓延

臨界熱輻射值是評(píng)估材料防火性能的一個(gè)重要指標(biāo)，衡量的是火焰在蔓延過程中，當(dāng)熱輻射能量達(dá)到某一特定值時(shí)，火焰將不再繼續(xù)蔓延或熄滅的臨界狀態(tài)。當(dāng)材料的臨界熱輻射值較高時(shí)，意味著該材料在受到較強(qiáng)的熱輻射作用時(shí)仍能保持穩(wěn)定，不易被引燃或蔓延。3種阻燃復(fù)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(shí)間內(nèi)材料燃燒所釋放的熱量，單位為kW/m2。表達(dá)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(xué)中的一個(gè)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(dǎo)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(píng)估材料火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)。使用錐形量熱儀對(duì)材料的熱釋放速率進(jìn)行測(cè)試，可以在模擬火災(zāi)條件下，對(duì)材料的燃燒性能進(jìn)行精確測(cè)量，并得出熱釋放速率等關(guān)鍵參數(shù)。3種復(fù)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(cè)量透過煙霧的光強(qiáng)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(biāo)之一。煙密度越大的材料，在火災(zāi)時(shí)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(cè)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(cè)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(fù)合材料的煙毒性是指復(fù)合材料在燃燒或熱解過程中釋放的煙霧對(duì)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(duì)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(fù)合材料煙毒性均達(dá)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(qiáng)環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，對(duì)其力學(xué)性能和防火阻燃性能進(jìn)行了測(cè)試，得出如下結(jié)論。

1）3種阻燃復(fù)合材料的0°拉伸強(qiáng)度皆大于1 900 MPa，90°拉伸強(qiáng)度大于30 MPa；0°壓縮強(qiáng)度大于1 000 MPa，90°壓縮強(qiáng)度大于140 MPa；層間剪切強(qiáng)度大于70 MPa，面內(nèi)剪切強(qiáng)度大于50 MPa，力學(xué)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(duì)力學(xué)性能的要求。

2）3種阻燃復(fù)合材料的防火等級(jí)皆達(dá)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。

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