轻量化先进碳纤维材料的研究与应用

户迎灿,夏元平,曹亚周,葛继文,陈 旭

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266000)

0 引言

随着城市化进程的加速,轨道交通的建设已成为当今城市交通发展的重要方向。然而,传统的轨道交通结构材料存在着密度大、自重重、疲劳寿命短等问题,这不仅增加了工程成本,而且也给城市环境和人民生命财产安全带来了一定的隐患。因此,寻求一种轻量化、高强度、耐久性强的先进材料应用于轨道交通结构中,是当前轨道交通领域的研究热点之一。轻量化先进碳纤维材料正是在这一背景下被广泛研究和应用的。

1 轻量化先进碳纤维材料的定义和分类

轻量化先进碳纤维材料是一种高性能、轻质、高强度的复合材料。它由高强度碳纤维和热固性树脂等基材组成,采用复合加工工艺制造而成。碳纤维是一种以聚丙烯腈、聚酰胺或者天然纤维等高聚物为原料,经氧化、碳化等多道工艺制得的纤维状碳材料,其密度为1.5～1.8 g/cm3,强度和刚度极高[1]。为了使碳纤维材料更轻、更坚固,多加入以下几种材料:

(1)纳米材料。将纳米材料与碳纤维材料混合可以提高材料的强度和刚度,同时减轻材料的重量。例如,在碳纤维材料中加入氧化铝纳米颗粒,可以增强碳纤维的刚度和强度。

(2)高分子材料。高分子材料在碳纤维中的应用可以提高材料的耐磨性和抗冲击性能。例如,在碳纤维中添加聚氨酯高分子材料可以提高碳纤维材料的耐磨性。

(3)陶瓷材料。将陶瓷纤维与碳纤维材料混合可以提高材料的耐腐蚀性和耐高温性能。例如,在碳纤维材料中添加氧化铝陶瓷纤维可以提高材料的耐高温性能。

(4)金属材料。金属材料与碳纤维材料混合可以提高材料的强度和韧性。例如,在碳纤维材料中添加钛合金可以提高碳纤维材料的韧性和强度[2]。

(5)碳纳米管。将碳纳米管与碳纤维材料混合可以提高材料的导电性和热传导性。同时,碳纳米管的加入也可以提高材料的强度和刚度。

根据不同的制造工艺,轻量化先进碳纤维材料可以分为2类,即预浸料型和干纱型。预浸料型是指预先将碳纤维浸渍于树脂中形成带有固化剂的半成品,之后再进行成型和固化的过程。而干纱型则是将碳纤维纱线和树脂分别引入成型模具,通过注塑等加工工艺,将纱线和树脂复合在一起形成最终产品。除此之外,根据不同的材料性能和应用场景,轻量化先进碳纤维材料还可以分为多种类型[3]。例如高模量碳纤维材料具有较高的弹性模量和强度,适用于高要求的结构应用场景,而高强度碳纤维材料则具有较高的拉伸强度,适用于对结构强度要求较高的场景。

2 轻量化先进碳纤维材料基本特性

(1)轻量化。碳纤维是一种轻质高强的材料,密度为1.6～2.0 g/cm3,比钢的密度轻约1/4,比铝轻约1/3。使用碳纤维可以大幅减轻轨道交通车辆的重量,降低能耗,提高运行效率。也正是由于碳纤维材料是通过将有机聚合物碳化后得来的,其主要成分便是碳,而碳的结构虽然稳定,但是密度却较低,因此,碳纤维材料的比重便较小。

(2)强度高。碳纤维材料是经过碳化的纤维材料制成的,这也让碳纤维材料能够同时具备碳材料的强抗拉力和纤维材料的柔软性,因此碳纤维具有非常高的强度,其强度可以达到大约3 000 MPa,比铝的强度高出5倍以上,比钢的强度高出2倍以上。在轨道交通领域,使用碳纤维可以提高车辆的结构强度,增强车体抗振能力和耐久性[4]。

(3)耐腐蚀。碳纤维具有优异的耐腐蚀性能,不会受到水、酸、碱、盐等化学物质的侵蚀。在轨道交通领域,车辆经常需要在恶劣的环境中运行,例如高湿度、高温度、大气污染等,使用碳纤维材料可以有效地延长车辆的使用寿命[5]。

(4)优异的疲劳性能。碳纤维具有优异的疲劳性能,可承受多次循环载荷并不断恢复。在轨道交通领域,碳纤维材料可以用于制造经常需要承受循环载荷的车辆部件,例如车门、座椅等[6]。

(5)优异的导热性能。碳纤维具有良好的导热性能,能够有效地分散车辆部件的热量,降低温度升高的风险。在轨道交通领域,碳纤维材料可以用于制造高速列车的制动器、电机等高温部件。碳纤维具有优异的高温性能,它的耐高温性能可以达到400 ℃以上,比一般的金属材料和复合材料更为优越,能够承受高温热应力和高温氧化。在轨道交通领域,碳纤维材料可以用于制造高速列车的制动器、电机等高温部件。

(6)低热膨胀系数。碳纤维具有低热膨胀系数,能够保持良好的尺寸稳定性,不易变形。当物体受热时,其自身的体积会增大,这种现象被称为热膨胀,而热膨胀系数是指随着温度的升高,物体体积的变化与其在20 ℃环境下的体积的比值。一般金属的热膨胀系数为1/℃,而碳纤维材料的热膨胀系数远远小于金属的热膨胀系数,当碳纤维材料处于20～70 ℃之间时,T300碳纤维的热膨胀系数为-0.74×106/K,这使得碳纤维材料的出色性能被各行业所青睐。

(7)电磁性能优异。碳纤维材料具有良好的电磁性能。它的导电性能和介电性能都很好,可以应用于电子、电磁等领域。此外,碳纤维材料也具有较好的抗辐射性能,可用于制造辐射防护材料。

3 轻量化先进碳纤维材料的工艺技术

3.1 纤维制备技术

制备碳纤维的过程一般包括聚合物纺丝、牵伸拉伸、炭化、表面处理等步骤。其中,聚合物纺丝是制备碳纤维的核心技术之一。常用的聚合物有聚丙烯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚乙烯酮等。碳纤维的性能取决于纤维的微观结构和组织形态,因此在聚合物纺丝、牵伸拉伸、炭化等步骤中,需要控制参数并进行优化,以获得理想的碳纤维性能。具体流程如下:

(1)原材料处理:将聚丙烯等有机物质加入到溶剂中,形成聚合物原料。

(2)纺丝:将聚合物原料通过高压或低压喷出头,形成直径为10～20 μm的预成形丝。

(3)稳定:在氧气含量不高于2%的气氛中,将预成形丝加热至300～500 ℃,使其经历一段时间的“稳定”过程,使其氧化和失去水分,形成一种具有特殊结构和物理化学性质的“碳化物”。

(4)炭化:将稳定后的预成形丝放入高温炉中进行炭化处理,通常温度在1 000～2 000 ℃之间,使其逐步转化为成品碳纤维[7]。

3.2 碳纤维增强复合材料制备技术

轨道交通用轻量化先进碳纤维材料一般采用碳纤维增强复合材料制备技术。该技术是将碳纤维与基体树脂复合而成,具有强度高、刚度大、重量轻、耐腐蚀等特点。常用的基体树脂有环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰胺树脂等。碳纤维增强复合材料的制备过程主要包括预处理、成型、固化等步骤。其中,预处理是提高碳纤维与基体树脂之间粘结强度的关键,成型则决定了复合材料的成型形态和尺寸精度,固化则是为了提高复合材料的力学性能。具体涉及到的工艺包括以下5种:

(1)手层叠加工艺:将预先制备好的碳纤维布层叠加并压实成型,再进行固化。

(2)自动化层叠加工艺:通过自动化机械手臂将碳纤维布进行叠加并压实成型,可大幅提高生产效率。

(3)预浸料工艺:将碳纤维和树脂混合并预先固化,制成预浸料,再将预浸料铺在模具中进行固化成型。

(4)快速固化工艺:在模具中加热压缩碳纤维预浸料,使其快速固化成型。

(5)气体压缩工艺:利用高压气体将碳纤维和树脂一起压缩成型。

3.3 碳纤维增强复合材料加工技术

碳纤维增强复合材料具有高硬度、高脆性、易磨损、难加工等特点,因此需要采用专业的加工工艺。常用的碳纤维增强复合材料加工技术包括手工剪裁、数控剪裁、注塑成型、RTM成型、自动化纤维排布等。手工剪裁和数控剪裁是碳纤维增强复合材料加工中最基本的加工方式,注塑成型和RTM成型是专业化加工方式,可以在保证复合材料质量的同时提高生产效率,自动化纤维排布则是利用机器人实现[8]。

4 轨道交通领域中轻量化先进碳纤维材料的应用

4.1 地铁隧道结构

地铁隧道是轨道交通系统中必不可少的部分,而先进的碳纤维材料的应用可以显著提高隧道的强度和耐久性。首先,在隧道支护结构方面。传统的隧道支护结构主要采用钢筋混凝土结构,但这种结构存在自重大、施工复杂等问题。而采用碳纤维材料制成的支护结构不仅可以减轻自重,还具有优异的耐久性、抗震性能和耐腐蚀性能。其次,隧道衬砌方面。传统的隧道衬砌采用钢筋混凝土或砖石结构,但这些材料存在自重大、施工困难、施工周期长等缺点。而碳纤维增强复合材料具有轻量化、抗震、耐久和易于施工的特点,被广泛用于隧道衬砌的加固和加强。最后,隧道防火材料方面。传统的防火材料主要采用钢筋混凝土、钢板等材料,但这些材料在火灾中会产生大量的有害气体,不利于人员疏散和灭火。而碳纤维材料具有较高的防火性能,可以有效减缓火势,同时不会产生有害气体,因此被广泛应用于地铁隧道的防火材料[9]。

4.2 桥梁结构

桥梁结构方面应用轻量化先进碳纤维材料,在保证结构强度和稳定性同时,还可以减少结构自重,延长使用寿命。首先,桥梁梁体加固。碳纤维布贴加固技术可以有效增强桥梁梁体的承载能力和刚度,延长桥梁寿命。相比传统的加固方法,如钢板加固、预应力加固等,碳纤维布贴加固不仅可以减轻桥梁自身重量,同时还具有施工简单、无需停车、无振动、无噪声等优点。其次,桥梁支座。轻量化先进碳纤维材料可以用于桥梁支座的制造[10]。碳纤维材料具有高强度、高刚度、耐腐蚀等特点,可以代替传统的钢、铜、铅等材料作为支座材料。采用碳纤维支座的桥梁不仅可以减少重量,提高承载能力,而且还能减小振动,延长使用寿命。最后,桥梁悬索索道。轻量化先进碳纤维材料可以用于桥梁悬索索道的制造。采用碳纤维材料替代传统的钢缆,可以减轻桥梁重量,提高结构刚度,降低风荷载等级要求,提高桥梁抗风能力,延长使用寿命。

4.3 轨道交通车身

轨道交通车身是轨道交通系统的重要组成部分,其安全性、稳定性和舒适性对乘客的乘坐体验至关重要。轻量化先进碳纤维材料在轨道交通车身中的应用,可以有效提高车身的强度和刚度,降低车重,从而提高能效和降低运营成本。首先,碳纤维可以用于制造车身外壳,因为它具有高强度、高刚度和优异的抗腐蚀性能。采用碳纤维复合材料制造车身外壳,可以减轻车身重量,从而减少能耗和运营成本。同时,碳纤维复合材料还可以提高车身的抗风压和抗震性能,从而提高车身的安全性和稳定性。其次,碳纤维还可以用于车身底盘和车架的制造。碳纤维具有优异的拉伸强度和弯曲刚度,因此可以用于制造车身底盘和车架,提高车身的刚度和稳定性。此外,碳纤维还具有较好的耐疲劳性能,可以有效延长车身的使用寿命。最后,碳纤维还可以用于车门和座椅等零部件的制造。使用碳纤维材料制造车门和座椅等零部件,可以减轻车身重量,提高车身的能效,并且具有较好的耐用性能和美观性能。

4.4 其他结构

(1)轨道交通信号设备支架。信号设备是轨道交通的重要组成部分,需要支撑设备的架子具有足够的强度和刚度。使用轻量化先进碳纤维材料可以减轻支架自身重量,降低设备对支架的负荷,提高信号设备的稳定性和可靠性。

(2)轨道交通引道桥。引道桥是连接地面与车站站台之间的桥梁,其结构稳定性和承载能力要求高。使用轻量化先进碳纤维材料可以降低引道桥自身重量,提高其承载能力和抗震性能,同时也可以减少对车站结构的影响[11]。

(3)轨道交通站台顶棚。站台顶棚是保护站台和乘客免受自然环境影响的重要构件。使用轻量化先进碳纤维材料可以减轻顶棚自身重量,提高其抗风和抗震性能,同时也可以减少对车站结构的影响。

(4)轨道交通车站墙体。车站墙体需要承受自然环境和人员活动带来的荷载和冲击,而且需要具备较高的防火和防盗性能。使用轻量化先进碳纤维材料可以提高车站墙体的强度和稳定性,减轻自身重量,同时也可以减少对地基的影响。

通过上述可以看出,轻量化先进碳纤维材料在轨道交通行业领域应用呈现良好的发展前景。在轨道交通车身设计中,采用轻量化设计思路,将结构最优化,材料最有效利用,以达到车辆质量轻量化的目的。同时,采用新型的制造工艺,如3D打印、机器人组装等,提高了车辆的制造效率,降低了成本。随着智能化技术的不断发展,智能化轨道交通车辆逐渐成为发展的趋势。在智能化车辆中,先进碳纤维材料的应用可以提高车辆的自动化水平、降低能耗、提高安全性能。

5 结语

总的来说,轻量化先进碳纤维材料是一种新型的节能材料,由于材料强度大、质量轻,在诸多行业领域中得到了广泛应用。而在轨道交通地铁隧道结构、桥梁结构、轨道交通车身等领域中应用轻量化先进碳纤维材料,相较于传统的材料而言,加了纳米材料、高分子材料、陶瓷材料、金属材料、碳纳米管等的新型材料,能够极大地减轻结构自身重量,提高结构稳定性和承载能力,降低对车站或地基的影响,在保证轨道交通质量和安全的同时,进一步延长使用寿命,对于推动我国轨道交通事业高水平发展具有深远的意义。