新型復合材料工具箱箱體的研究和應用

吳陶，羅光強，陳文俊，宋軍

（中國地質科學院探礦工藝研究所，四川成都610081）

新型復合材料工具箱箱體的研究和應用

吳陶*，羅光強，陳文俊，宋軍

（中國地質科學院探礦工藝研究所，四川成都610081）

野外地質調查工作量大，條件惡劣，單獨的調查工具和儀器容易被遺漏，給地質調查工作增加不必要的麻煩。新型復合材料工具箱箱體由碳纖維材料經高溫、高壓法復合而成，具有輕便、快捷、防雨等功能，滿足野外地質調查各種儀器工具的攜帶需求，為野外地質調查工作提供了便捷靈活的新方法，是野外地質調查技術的升級換代。

復合材料；碳纖維；工具箱箱體；地質調查

1　概述

近年來，突發性地質災害的頻繁發生，給人們的生命財產造成的損失越來越大。為了能在第一時間獲取突發性地質災害現場狀況，提高對突發性地質災害的應急反應能力，減輕突發性災害造成的損失，保障人民的生命和財產安全，對地質災害應急調查工作的要求也越來越高，對應急調查配套工具的要求也越來越高。

目前已有的普通工具箱要么比較笨重、要么功能不齊全，直接作為便攜式地質調查工具箱的箱體不能滿足要求。研制一套便攜式復合材料工具箱箱體，用于地質災害調查很有必要。

碳纖維的出現是材料史上的一次革命，由于它具有高強度、高模量、耐高溫、抗疲勞、導電、質輕、易加工等多種優異性能，成為復合材料中最重要的增強材料，已經廣泛應用于建筑、航空航天以及汽車制造行業，正逐步征服和取代傳統的金屬、非金屬材料。碳纖維是含碳量高于90%的無機高分子纖維，微觀結構類似人造石墨，是亂層石墨結構，它的質量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性突出，不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。

新型碳纖維復合材料工具箱箱體，是新型便攜式工具箱的專用配套箱體，野外地質調查人員配備后，能購快速地在災害發生的第一時間抵達地質災害現場，工具箱功能齊全，實用性強，還可根據不同調查單位的需求進行配備，實現了快速、便捷、安全、簡易、科學化地開展地質災害應急調查。

2　工具箱箱體材料選擇

在綜合對比分析木材、塑料、PVC板、鈑金件、鋁合金、鐵皮、碳纖維等材料的基礎上，我們選擇碳纖維復合材料作為箱體的主體材料。碳纖維復合材料（CFRP）是以樹脂為基體，碳纖維為增強體的復合材料，碳纖維是由有機纖維或低分子烴氣體原料在惰性氣氛中經高溫（1500℃）碳化而成的纖維狀碳化合物，其碳含量在90%以上，既有碳材料的固有特性，又有纖維的柔軟可加工性。按照碳纖維原絲種類分類，碳纖維主要分為聚丙烯晴（PAN）原絲纖維、瀝青纖維、粘膠絲，由這3大原絲生成的碳纖維分別叫做PAN基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。工具箱選用日本東麗公司的PAN基碳纖維，模數為3K，抗拉強度4210MPa，抗拉模量230GPa，伸長率1.8%，線密度198g/km，密度1.78198g/cm3。聚丙烯晴原絲纖維制備碳纖維的過程分為以下6個階段：纖維紡絲，制備原絲、預氧化、碳化、石墨化、采用液相氧化法進行碳纖維表面處理、上漿處理卷取即可得到碳纖維，制備工藝如圖1所示。

3　工具箱箱體設計

工具箱由箱體、與箱體鉸連的箱蓋、內膛、把手、背帶等組合而成，箱體和箱蓋由碳纖維復合材料制成，內膛選擇高密度海綿設計加工而成，在結構上保證儀器放置的安全。

圖1　碳纖維布制備工藝流程

碳纖維復合材料工具箱箱體的設計參數為：箱體平面厚度2.0±0.05，箱體面密度2000kg/m2，樹脂含量42%，纖維含量1150g/m2，纖維體積含量≥65%，彈性模量195000N/mm2，抗拉強度2950N/mm2，伸長率≥1.70%。

4　工具箱箱體加工

碳纖維復合材料工具箱箱體采用高溫、高壓、抽真空的方法一次成型，具體加工過程如下：

（1）碳纖維箱體模具設計、加工。包括碳纖維模具設計、內模預成型、內模成型、模具精密加工等工序；

（2）箱體編制加工。主要包括箱體碳纖維材料精密裁剪、疊層準備、粘合與第二疊層（斜紋交錯編織）、再次精密裁剪、精密加工等工序，然后根據模具的形狀，做成箱體的預成型產品，再將模具及箱體放入真空袋中；

（3）高溫高壓燒結。燒結之前，先抽真空，即把模具及編制在上面的預成型箱體密封好后放入真空罐中抽真空；然后將其放入熱壓罐中，關閉熱壓罐。第一階段，加熱到80℃，恒溫0.5h；第二階段，熱壓罐中施加壓力8MPa，升溫至140℃，恒溫4h；第三階段，熱壓罐降溫至室溫，釋放壓力至大氣壓，取出模具及產品，拆開真空袋，取出工具箱箱體毛坯。

（4）多次噴漆及表面處理。噴漆之前，先進行表面打磨，清除多余邊角，清除脫模劑。箱體品質控制、強度與剛性測試，然后進行3層底漆與涂裝，下一步貼標工序與打磨噴面漆，最后是烘干后水磨把光，裝配好既得工具箱箱體。

5　野外地質調查中的應用

新型碳纖維復合材料工具箱箱體可以廣泛應用于崩塌、滑坡、泥石流、不穩定斜坡、地面塌陷、地面沉降、地裂縫等野外地質災害調查，為野外地質調查工作帶來便捷。為檢驗試驗工具箱的現場應用效果，我們在名山觀音灘滑坡進行了地質調查的應用試驗。

四川省雅安市名山縣城東鄉平橋村二組觀音灘滑坡，地理坐標為東經103°06′54.33″，北緯30°06′06.78″。試驗區地處成都平原與盆周過渡地帶，俗稱名邛高地，以臺地、丘陵和淺丘、平壩為主，丘陵平緩起伏，邊緣為低山分布，觀音灘滑坡處于斜坡中下部，坡腳處民房集中。災害點屬砂泥巖地區，巖層節理裂隙較發育，層理產狀受構造影響變化較大。斜坡巖層產狀總體約為261°∠12°，為順向坡。觀音灘滑坡危險區范圍包括滑坡分布區、滑動可能覆蓋的區域、坡后斜坡變形區及影響范圍等，面積約2.23×104m2。觀音灘滑坡威脅對象為滑坡體前沿的農戶14戶38人、縣道名王路及砂石廠1個，威脅資產約632.5萬元。

我們采用YJW-1型便攜式地質災害應急調查工具箱體在名山觀音灘滑坡進行了為期7d的野外地質調查試驗，滑坡現場應用過程包括：前期室內準備工作；擬定現場試驗方案；試驗新型復合材料工具箱性能；資料總結歸納等。

現場試驗表明，新型碳纖維復合材料工具箱體有如下功能特點：

（1）攜帶方便、功能齊全、實用性強；

（2）結構簡單，體積小，重量輕；

（3）承壓性能好，適合野外作業；

（4）抗輻射和電磁波干擾，對儀器保護性好；

（5）防水、防潮，耐蝕性突出；

（6）耐熱、耐寒性能好，在極端氣候條件下都能正常使用。

6　結論

新型碳纖維復合材料工具箱體在野外地質調查中的應用是一種創新。通過野外地質調查應用表明，新型復合碳纖維材料工具箱體攜帶方便、操作簡單、功能配套、適用性強，滿足野外綜合應用要求，適用于快速展開野外地質調查，適用于指揮人員和技術人員快速從事地質災害調查工作，對地質調查技術的更新換代起到了強有力的推進作用。

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TF124.5

A

1004-5716（2016）10-0093-03

2016-08-11

2016-08-11

項目來源：國家公益項目“便攜式地質災害應急調查工具箱研究”（項目編號：201411082）資助。

吳陶（1964-），女（漢族），四川成都人，教授級高級工程師，現從事地質災害防治技術的相關儀器、材料、施工工藝、施工裝置的科研開發工作。