戶迎燦,夏元平,曹亞周,葛繼文,陳 旭

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東 青島 266000)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速,軌道交通的建設(shè)已成為當(dāng)今城市交通發(fā)展的重要方向。然而,傳統(tǒng)的軌道交通結(jié)構(gòu)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(huán)境和人民生命財產(chǎn)安全帶來了一定的隱患。因此,尋求一種輕量化、高強(qiáng)度、耐久性強(qiáng)的先進(jìn)材料應(yīng)用于軌道交通結(jié)構(gòu)中,是當(dāng)前軌道交通領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。輕量化先進(jìn)碳纖維材料正是在這一背景下被廣泛研究和應(yīng)用的。

1 輕量化先進(jìn)碳纖維材料的定義和分類

輕量化先進(jìn)碳纖維材料是一種高性能、輕質(zhì)、高強(qiáng)度的復(fù)合材料。它由高強(qiáng)度碳纖維和熱固性樹脂等基材組成,采用復(fù)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(jīng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)碳纖維的剛度和強(qiáng)度。

(2)高分子材料。高分子材料在碳纖維中的應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)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(dǎo)電性和熱傳導(dǎo)性。同時,碳納米管的加入也可以提高材料的強(qiáng)度和剛度。

根據(jù)不同的制造工藝,輕量化先進(jìn)碳纖維材料可以分為2類,即預(yù)浸料型和干紗型。預(yù)浸料型是指預(yù)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(jìn)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(fù)合在一起形成最終產(chǎn)品。除此之外,根據(jù)不同的材料性能和應(yīng)用場景,輕量化先進(jìn)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(qiáng)度,適用于高要求的結(jié)構(gòu)應(yīng)用場景,而高強(qiáng)度碳纖維材料則具有較高的拉伸強(qiáng)度,適用于對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高的場景。

2 輕量化先進(jìn)碳纖維材料基本特性

(1)輕量化。碳纖維是一種輕質(zhì)高強(qiáng)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(yùn)行效率。也正是由于碳纖維材料是通過將有機(jī)聚合物碳化后得來的,其主要成分便是碳,而碳的結(jié)構(gòu)雖然穩(wěn)定,但是密度卻較低,因此,碳纖維材料的比重便較小。

(2)強(qiáng)度高。碳纖維材料是經(jīng)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(qiáng)抗拉力和纖維材料的柔軟性,因此碳纖維具有非常高的強(qiáng)度,其強(qiáng)度可以達(dá)到大約3 000 MPa,比鋁的強(qiáng)度高出5倍以上,比鋼的強(qiáng)度高出2倍以上。在軌道交通領(lǐng)域,使用碳纖維可以提高車輛的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,增強(qiáng)車體抗振能力和耐久性[4]。

(3)耐腐蝕。碳纖維具有優(yōu)異的耐腐蝕性能,不會受到水、酸、堿、鹽等化學(xué)物質(zhì)的侵蝕。在軌道交通領(lǐng)域,車輛經(jīng)常需要在惡劣的環(huán)境中運(yùn)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(yōu)異的疲勞性能。碳纖維具有優(yōu)異的疲勞性能,可承受多次循環(huán)載荷并不斷恢復(fù)。在軌道交通領(lǐng)域,碳纖維材料可以用于制造經(jīng)常需要承受循環(huán)載荷的車輛部件,例如車門、座椅等[6]。

(5)優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。碳纖維具有良好的導(dǎo)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(fēng)險。在軌道交通領(lǐng)域,碳纖維材料可以用于制造高速列車的制動器、電機(jī)等高溫部件。碳纖維具有優(yōu)異的高溫性能,它的耐高溫性能可以達(dá)到400 ℃以上,比一般的金屬材料和復(fù)合材料更為優(yōu)越,能夠承受高溫?zé)釕?yīng)力和高溫氧化。在軌道交通領(lǐng)域,碳纖維材料可以用于制造高速列車的制動器、電機(jī)等高溫部件。

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

(7)電磁性能優(yōu)異。碳纖維材料具有良好的電磁性能。它的導(dǎo)電性能和介電性能都很好,可以應(yīng)用于電子、電磁等領(lǐng)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(hù)材料。

3 輕量化先進(jìn)碳纖維材料的工藝技術(shù)

3.1 纖維制備技術(shù)

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(shù)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(jié)構(gòu)和組織形態(tài),因此在聚合物紡絲、牽伸拉伸、炭化等步驟中,需要控制參數(shù)并進(jìn)行優(yōu)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(jī)物質(zhì)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(yù)成形絲。

(3)穩(wěn)定:在氧氣含量不高于2%的氣氛中,將預(yù)成形絲加熱至300～500 ℃,使其經(jīng)歷一段時間的“穩(wěn)定”過程,使其氧化和失去水分,形成一種具有特殊結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的“碳化物”。

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

3.2 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備技術(shù)

軌道交通用輕量化先進(jìn)碳纖維材料一般采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備技術(shù)。該技術(shù)是將碳纖維與基體樹脂復(fù)合而成,具有強(qiáng)度高、剛度大、重量輕、耐腐蝕等特點(diǎn)。常用的基體樹脂有環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚酰胺樹脂等。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備過程主要包括預(yù)處理、成型、固化等步驟。其中,預(yù)處理是提高碳纖維與基體樹脂之間粘結(jié)強(qiáng)度的關(guān)鍵,成型則決定了復(fù)合材料的成型形態(tài)和尺寸精度,固化則是為了提高復(fù)合材料的力學(xué)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(yù)先制備好的碳纖維布層疊加并壓實(shí)成型,再進(jìn)行固化。

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

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

(4)快速固化工藝:在模具中加熱壓縮碳纖維預(yù)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(qiáng)復(fù)合材料加工技術(shù)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高硬度、高脆性、易磨損、難加工等特點(diǎn),因此需要采用專業(yè)的加工工藝。常用的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工技術(shù)包括手工剪裁、數(shù)控剪裁、注塑成型、RTM成型、自動化纖維排布等。手工剪裁和數(shù)控剪裁是碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(yè)化加工方式,可以在保證復(fù)合材料質(zhì)量的同時提高生產(chǎn)效率,自動化纖維排布則是利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)[8]。

4 軌道交通領(lǐng)域中輕量化先進(jìn)碳纖維材料的應(yīng)用

4.1 地鐵隧道結(jié)構(gòu)

地鐵隧道是軌道交通系統(tǒng)中必不可少的部分,而先進(jìn)的碳纖維材料的應(yīng)用可以顯著提高隧道的強(qiáng)度和耐久性。首先,在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)方面。傳統(tǒng)的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),但這種結(jié)構(gòu)存在自重大、施工復(fù)雜等問題。而采用碳纖維材料制成的支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅可以減輕自重,還具有優(yōu)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(tǒng)的隧道襯砌采用鋼筋混凝土或磚石結(jié)構(gòu),但這些材料存在自重大、施工困難、施工周期長等缺點(diǎn)。而碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有輕量化、抗震、耐久和易于施工的特點(diǎn),被廣泛用于隧道襯砌的加固和加強(qiáng)。最后,隧道防火材料方面。傳統(tǒng)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(zāi)中會產(chǎn)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(chǎn)生有害氣體,因此被廣泛應(yīng)用于地鐵隧道的防火材料[9]。

4.2 橋梁結(jié)構(gòu)

橋梁結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用輕量化先進(jìn)碳纖維材料,在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性同時,還可以減少結(jié)構(gòu)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(shù)可以有效增強(qiáng)橋梁梁體的承載能力和剛度,延長橋梁壽命。相比傳統(tǒng)的加固方法,如鋼板加固、預(yù)應(yīng)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(yōu)點(diǎn)。其次,橋梁支座。輕量化先進(jìn)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(qiáng)度、高剛度、耐腐蝕等特點(diǎn),可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(jìn)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(tǒng)的鋼纜,可以減輕橋梁重量,提高結(jié)構(gòu)剛度,降低風(fēng)荷載等級要求,提高橋梁抗風(fēng)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(tǒng)的重要組成部分,其安全性、穩(wěn)定性和舒適性對乘客的乘坐體驗(yàn)至關(guān)重要。輕量化先進(jìn)碳纖維材料在軌道交通車身中的應(yīng)用,可以有效提高車身的強(qiáng)度和剛度,降低車重,從而提高能效和降低運(yùn)營成本。首先,碳纖維可以用于制造車身外殼,因?yàn)樗哂懈邚?qiáng)度、高剛度和優(yōu)異的抗腐蝕性能。采用碳纖維復(fù)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(yùn)營成本。同時,碳纖維復(fù)合材料還可以提高車身的抗風(fēng)壓和抗震性能,從而提高車身的安全性和穩(wěn)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(yōu)異的拉伸強(qiáng)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(wěn)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(jié)構(gòu)

(1)軌道交通信號設(shè)備支架。信號設(shè)備是軌道交通的重要組成部分,需要支撐設(shè)備的架子具有足夠的強(qiáng)度和剛度。使用輕量化先進(jìn)碳纖維材料可以減輕支架自身重量,降低設(shè)備對支架的負(fù)荷,提高信號設(shè)備的穩(wěn)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載能力要求高。使用輕量化先進(jìn)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(jié)構(gòu)的影響[11]。

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

(4)軌道交通車站墻體。車站墻體需要承受自然環(huán)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(jìn)碳纖維材料可以提高車站墻體的強(qiáng)度和穩(wěn)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(jìn)碳纖維材料在軌道交通行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用呈現(xiàn)良好的發(fā)展前景。在軌道交通車身設(shè)計中,采用輕量化設(shè)計思路,將結(jié)構(gòu)最優(yōu)化,材料最有效利用,以達(dá)到車輛質(zhì)量輕量化的目的。同時,采用新型的制造工藝,如3D打印、機(jī)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(shù)的不斷發(fā)展,智能化軌道交通車輛逐漸成為發(fā)展的趨勢。在智能化車輛中,先進(jìn)碳纖維材料的應(yīng)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(jié)語

總的來說,輕量化先進(jìn)碳纖維材料是一種新型的節(jié)能材料,由于材料強(qiáng)度大、質(zhì)量輕,在諸多行業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。而在軌道交通地鐵隧道結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、軌道交通車身等領(lǐng)域中應(yīng)用輕量化先進(jìn)碳纖維材料,相較于傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)自身重量,提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(zhì)量和安全的同時,進(jìn)一步延長使用壽命,對于推動我國軌道交通事業(yè)高水平發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。