鐵路建設軌枕用高性能復合材料的制備與應用研究

任澤

摘要：采用薄膜層疊模壓成型工藝制備鐵路建設軌枕用高性能碳纖維織物/聚碳酸酯復合材料，研究模壓溫度、模壓壓力和模壓時間對復合材料宏觀形貌、拉伸性能和沖擊性能的影響。結果表明，從碳纖維/聚碳酸脂復合材料的宏觀形貌上看，模壓溫度、模壓壓力和模壓時間分別應該控制在245 ℃及以下、6 MPa及以下和10 min及以下;從碳纖維/聚碳酸酯復合材料的力學性能上看，軌枕用高性能復合材料的最佳制備工藝：模壓溫度245℃、模壓壓力6 MPa、模壓時間10 min，復合材料的0°、45°拉伸強度分別為377、99 MPa，沖擊功為1.36 J。

關鍵詞：軌枕;復合材料;成型參數;性能

中圖分類號：TQ320.662;TB332

文獻標識碼：A文章編號：10015922（2022）06005504

Preparation and application of high performance composites for railway construction sleepers

REN Ze

（Xinjiang Railway Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Urumqi， 830011， China

）

Abstract：High performance carbon fiber fabric/polycarbonate composites for railway sleepers were prepared by film lamination molding process. The effects of molding temperature， molding pressure and molding time on the macro morphology， tensile properties and impact properties of the composites were studied. The results showed that from the macro morphology of carbon fiber/polycarbonate composites， the molding temperature should be controlled at 245 ℃ and below， the molding pressure should be controlled at 6 MPa and below， while the molding time should be controlled at 10 min and below. From the mechanical properties of carbon fiber/polycarbonate composites， the best preparation process of high-performance composites for sleepers was as follows： molding temperature 245 ℃， molding pressure 6 MPa， molding time 10 min， and 0 tensile strength and 45 tensile strength for the composite was 377 MPa and 99 MPa respectively， while the impact energy was 1.36 J.

Key words：sleeper; compound material; forming parameters; performance

隨著中國經濟的快速發展和科學技術的不斷進步，貫穿中國全境的鐵路建設無論是在數量上還是在裝備水平上都處于世界前列。這不僅體現出了較高的鐵路裝備水平，也充分體現了相關配套材料的升級進步[1]。以鐵路建設軌枕為例，由于軌枕不僅要支撐鋼軌，確保鋼軌的位置，又需要將鋼軌傳遞來的能量傳遞給道床，因此，軌枕不僅需要一定的強度，還需要具有足夠的彈性和柔韌性[2]。尤其是近年來鐵路運輸速度不斷提高，給鐵路建設軌枕提出了更好的性能要求;碳纖維/聚碳酸酯復合材料以其耐高溫、穩定性好、剛度大且抗疲勞性能優異等特點而成為現代化軌枕材質的首選[3]。將聚碳酸酯與碳纖維復合制備而成的復合材料雖然具有較多的優點，但應用于軌枕的高性能復合材料開發工藝還存在較多的尚未解決的技術難題[4]，如成型工藝及其工藝參數對復合材料的宏觀形貌和力學性能的作用機理還不清楚[5-7]。本文采用薄膜層疊模壓成型工藝制備了鐵路建設軌枕用高性能碳纖維織物/聚碳酸酯復合材料，研究了模壓溫度、模壓壓力和模壓時間對復合材料宏觀形貌、拉伸性能和沖擊性能的影響，結果表明可為高性能軌枕用高性能碳纖維織物/聚碳酸酯復合材料的開發與應用提供參考。

1試驗材料與方法

T700SC碳纖維（單絲根數12 000、密度1.79 g/cm、單絲直徑7 μm、抗拉強度4.89 GPa、斷后伸長率2.1%、拉伸模量228 MPa）;樹脂基為聚碳酸脂（密度1 190 kg/m、抗拉強度66 MPa、拉伸模量2 517 MPa、玻璃化轉變溫度為154 ℃）。

采用薄膜層疊模壓成型工藝制備碳纖維/聚碳酸酯復合材料，制備復合材料的過程中，需要預先將碳纖維和聚碳酸酯進行裁剪，分別為16 0 mm長（展寬20 mm）和200 mm×200 mm，然后將碳纖維進行表面除漿處理（真空爐中進行385 ℃/（2 h）的加熱）;接下來漿碳纖維編成平紋織物，并按照聚碳酸酯薄膜-碳纖維織物-聚碳酸酯薄膜的方式層疊，以便在平板硫化機上進行熱壓成型[8]，成型參數如表1所示。

復合材料的宏觀形貌采用徠卡DM6M型顯微鏡進行觀察圖;拉伸性能測試根據ASTM D3039標準在INSTRON 5566型萬能拉伸試驗機上進行[9]，分別在碳纖維織物的0°和45°方向上取樣，取樣示意圖如圖1所示。拉伸速率為2 mm/min，結果為3組試樣的平均值;室溫沖擊性能測試的試樣加工成80 mm×80 mm，根據ASTM D7136標準在INSTRON 9250型落錘式沖擊試驗機上進行[10]。半球形沖頭直徑為12.7 mm，施加質量為17.6 kg，接觸速度為1 m/s，結果為3組試樣的平均值。

2結果與分析

2.1宏觀形貌

2.1.1不同模壓溫度下復合材料的宏觀形貌

不同模壓溫度下復合材料的宏觀形貌，具體如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著模壓溫度從225 ℃上升至255 ℃，碳纖維/聚碳酸酯復合材料的宏觀形貌都呈現出棋盤狀形態，碳纖維絲束較為緊湊，未出現明顯沖散的現象。通過對比分析可知，當模壓溫度為255 ℃，碳纖維絲束的聚攏性相對其他溫度較差，局部還可見空隙的存在，這會對復合材料的力學性能帶來不利影響[11-13]。因此，碳纖維/聚碳酸酯復合材料的模壓溫度應該控制在245 ℃及以下。

2.1.2不同模壓壓力下復合材料的宏觀形貌

不同模壓壓力下復合材料的宏觀形貌，具體如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著模壓壓力從2 MPa上升至8 MPa，碳纖維/聚碳酸酯復合材料的宏觀形貌也都呈現出棋盤狀形態，碳纖維絲束未出現明顯沖散的現象。通過對比分析可知，當模壓壓力增加至8 MPa時，碳纖維絲束的聚攏性相對其他溫度較差，局部出現空隙。因此，碳纖維/聚碳酸酯復合材料的模壓壓力應該控制在6 MPa及以下。

2.1.3不同模壓時間下復合材料的宏觀形貌

不同模壓時間下復合材料的宏觀形貌，具體如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著模壓時間從7.5 min上升至11.5 min，碳纖維/聚碳酸酯復合材料都呈現出棋盤狀形態，碳纖維絲束較為緊湊，未出現明顯沖散的現象。通過對比分析可知，當模壓時間增加至11.5 min時，碳纖維絲束的聚攏性相對其他溫度較差，局部出現空隙。因此，碳纖維/聚碳酸酯復合材料的模壓時間應該控制在10 min及以下。

2.2力學性能

2.2.1模壓溫度對復合材料力學性能的影響

模壓溫度對復合材料力學性能的影響，結果如表2所示。

由表2可知，隨著模壓溫度從225 ℃上升至255 ℃，復合材料的0? 拉伸強度和45 拉伸強度都表現為先增加后減小;在模壓溫度為245 ℃時取得最大值，此時0°、45°拉伸強度分別為377、99 MPa。通過對比分析相同模壓溫度下0°拉伸強度和45°拉伸強度可知，0°拉伸強度要明顯高于45°拉伸強度。從沖擊性能上看，隨著模壓溫度從225 ℃上升至255 ℃，復合材料的沖擊功表現為先增加后減小;在模壓溫度為245 ℃時取得最大值，1.36 J。總之，在其他模壓工藝參數不變的條件下，模壓溫度為245 ℃時復合材料具有最佳的力學性能，這主要與此時復合材料的成形性較好有關[14-16];而其他工藝下松散的結構和空隙會在一定程度上影響復合材料的力學性能。

2.2.2模壓壓力對復合材料力學性能的影響

模壓壓力對復合材料力學性能的影響，結果如表3所示。

由表3可見，隨著模壓壓力從2 MPa上升至8 MPa，復合材料的0°、45°拉伸強度都表現為先增加后減小;在模壓壓力為6 MPa時取得最大值，此時0°、45°拉伸強度分別為377、99 MPa。通過對比分析相同模壓溫度下0°、45？拉伸強度可知，0°拉伸強度要明顯高于45°拉伸強度。從沖擊性能上看，隨著模壓壓力從2 MPa上升至8 MPa，復合材料的沖擊功表現為先增加后減小;在模壓壓力為6 MPa時取得最大值1.36 J。總之，在其他模壓工藝參數不變的條件下，模壓溫度為6 MPa時復合材料具有最佳的力學性能。

2.2.3模壓時間對復合材料力學性能的影響

模壓時間對復合材料力學性能的影響，結果如表4所示。

由表4可見，隨著模壓時間從7 min上升至11.5 min，復合材料的0°拉伸強度和45°拉伸強度都表現為先增加后減小;在模壓時間為10 min時取得最大值，此時0°、45°拉伸強度分別為377、99 MPa。通過對比分析相同模壓溫度下0°拉伸強度和45°拉伸強度可知，0°拉伸強度要明顯高于45°拉伸強度。從沖擊性能上看，隨著模壓時間從7 min上升至11.5 min，復合材料的沖擊功表現為先增加后減小;在模壓時間為10 min時取得最大值1.36 J。[JP]總之，在其他模壓工藝參數不變的條件下，模壓時間為10 min時復合材料具有最佳的力學性能。

3結語

（1）從碳纖維/聚碳酸酯復合材料的宏觀形貌上看，模壓溫度應該控制在245 ℃及以下，模壓壓力應該控制在6 MPa及以下，模壓時間應該控制在10 min及以下;

（2）從碳纖維/聚碳酸酯復合材料的力學性能上看，隨著模壓溫度從225 ℃上升至255 ℃，復合材料的0°拉伸強度和45°拉伸強度都表現為先增加后減小;在模壓溫度為245 ℃時取得最大值，此時0°、45°拉伸強度分別為377、99 MPa;隨著模壓壓力從2 MPa上升至8 MPa，復合材料的0°、45°拉伸強度都表現為先增加后減小，在模壓壓力為6 MPa時取得最大值;隨著模壓時間從7 min上升至11.5 min，復合材料的0°、45°拉伸強度都表現為先增加后減小，在模壓時間為10 min時取得最大值。

【參考文獻】

[1]李新捷，王創，尤瑞林，等. 再生塑料復合軌枕的研究現狀與發展方向[J].鐵道建筑. 2021， 61（11）： 17-23.

[2]申文軍.鐵路廢舊軌枕護坡骨架力學特性及穩定性分析[J].鐵道建筑，2021，61（7）：99-102.

[3]DHOTE J X， COMER A J ， STANLEY W F， et al. Investigation into compressive properties of liquid shim for aerospace bolted joints[J]. Composite Structures， 2014， 109：224-230.

[4]鄭孝霞， 錢春香.加固用連續纖維增強熱塑性樹脂基復合材料預制片材的研究綜述[J]. 高科技纖維與應用. 2003， 28（5）：36-40.

[5]SHAO Y， OKUBO K， FUJII T， et al. Effect of matrix properties on the fatigue damage initiation and its growth in plain woven carbon fabric vinylester composites[J]. Composites Science & Technology， 2014， 104： 125-135.

[6]張衡，嚴飆，龔友坤，等. 碳纖維機織物增強熱塑性樹脂復合材料熱沖壓疊層模型[J].復合材料學報. 2017，34（12）：2 741-2 746.

[7]NAZEMIDASHTARJANDI S， MOUSAVI S A， BASTANI D. Preparation and characterization of polycarbonate/thermoplastic polyurethane blend membranes for wastewater filtration[J]. Journal of Water Process Engineering， 2017， 16：170-182.

[8]LU L， XING D， XIE Y， et al. Electrical conductivity investigation of a nonwoven fabric composed of carbon fibers and polypropylene/polyethylene core/sheath bicomponent fibers[J]. Materials & Design， 2016， 112：383-391.

[9]CHEN K， LI L， ZHANG J. Design of a Separated Solar Interfacial Evaporation System for Simultaneous Water and Salt Collection[J]. ACS Appl Mater Interfaces， 2021， 13： 59 518-59 526.

[10]章亞東，段躍新，左璐，等. 經編織物法制備連續纖維增強熱塑性復合材料的微觀形貌和浸潤過程分析[J]. 復合材料學報， 2004， 6：63-69.

[11]范望喜， 陶冶， 喬雅麗，等. 石墨烯復合UHMWPE纖維增強UHMWPE層壓板的制備及性能[J].合成樹脂及塑料， 2021，38（5）：17-21.

[12]葉鑫， 安魯陵， 岳烜德，等. 填隙補償對碳纖維/環氧樹脂復合材料-鋁合金裝配結構力學性能的影響[J]. 復合材料學報， 2020，37（9）：2 183-2 199.

[13]陳楊，何繼敏，常義，等. 連續纖維增強復合材料模內混合注射成型研究進展[J]. 工程塑料應用， 2021，49（9）：145-149.

[14]JEONG H， PARK J， KIM S， et al. Preparation and characterization of thermoplastic polyurethanes using partially acetylated kraft lignin[J]. Fibers and Polymers， 2013， 14（7）： 1 0821 093.

[15]ZHAI Y N， LI X Q， WANG L， et al. Threedimensional layerbylayer stress analysis of singlelap， countersunk composite joints with varying joining interface conditions[J]. Composite Structures， 2018， 202： 1 0211 031.

[16][JP3]VALDES-PARADA F J， OCHOA-TAPIA J A， ALVAREZRAMIREZ J. [JP]Validity of the permeability carmankozeny equation： A volume averaging approach[J]. Physica A Statistical Mechanics & Its Applications， 2009， 388（6）： 789798.