軌道交通車輛用高阻燃碳纖維復合材料環境適應性研究

摘 要 碳纖維復合材料制作的軌道交通車輛結構件最大優勢在于輕量化，整體具有較好的力學性能，且相對于鋁合金有更好的抗疲勞性。作為軌道交通車輛外部結構件，車外環境很大程度上會影響產品使用壽命，針對該產品的使用環境，本文研究了一種適合軌道交通用碳纖維復合材料，對該材料的環保、阻燃、紫外輻射、濕熱老化、鹽霧老化等環境試驗進行了研究，結果表明該碳纖維復合材料在復雜環境下仍具有良好的力學性能，滿足設計要求。

關鍵詞 軌道交通；耐環境性；碳纖維復合材料；高阻燃

High Flame Retardant Carbon Fiber Composites for Rail Transit Vehicles Environmental Adaptability

Wu Fan， Yao Zhao Ding， Li Zhou Li， Yin Li， Luo Le， Wang Gang， Qu Fa Jia

（Zhuzhou Electric Locomotive Widege Technology Co.， Ltd.，Zhuzhou 412000）

ABSTRACT The biggest advantage of the rail transit vehicle structural part made of carbon fiber composite material is that it is light weight， has better mechanical properties， and has better fatigue resistance compared with aluminum alloy. As the external structural member of rail transit vehicles，the external environment of the vehicle will greatly affect the service life of the product.This paper studies a kind of carbon fiber composite suitable for rail transit，the environmental tests of the material， such as environmental protection， flame retardance， ultraviolet radiation， heat and humidity aging， salt fog aging were studied.The results show that the carbon fiber composite still has good mechanical properties under complex environment to meet design requirements.

KEYWORDS rail vehicle industry;resistance to environment;carbon fiber composites;high flame retardant

1 引言

隨著軌道交通車輛輕量化要求越來越高，碳纖維復合材料由于自身高強度、低熱膨脹系數、熱容量小以及比重小等優勢在該領域的應用越來越多，但目前主要用于內飾件或非主承載件，環境因素影響不大，因此有關外部環境對碳纖維復合材料的影響研究也相對較少。碳纖維復合材料由于具有良好的力學性能及環境適應性，在航空航天領域應用極為廣泛［1］，覆蓋了各個研究方向，鹽霧老化、紫外輻射、濕熱老化、霉菌、臭氧等。

用于軌道交通車輛行業的外觀承重件由于要面對復雜的外部環境，且具有高強度和高剛度要求，在過去的研究和實際應用中一般采用金屬材料制作而成［2］。金屬材料作為結構件雖然有著高強度、高剛度的優勢，但由其制作的產品一般質量較大，并且金屬材料長期曝露在環境中容易被腐蝕。因此有關碳纖維復合材料作為車外部件的研究近年來也在增加，采用真空導入工藝制作出了以碳纖維復合材料為原材料的高速列車頭罩［3］，也有關于碳纖維復合材料機車走廊門的研究［4］。但對于碳纖維復合材料作為主承力件，有關環境對其影響的研究還有所欠缺。

近年來，節能減排成為軌道交通行業重要的研究課題，車輛減重作為節能減排最直接的方式也一直備受關注［5］。隨著軌道交通車輛輕量化要求越來越高，碳纖維復合材料的應用也越來越廣泛。碳纖維復合材料本身具有的出色耐熱性、抗熱沖擊性以及優秀的抗腐蝕性和輻射性能使其具備作為材料本身的潛在優勢，但軌道交通外部運行環境的復雜性，使所選材料不但需要滿足輕量化要求，同時還需滿足使用環境條件。

根據軌道交通車輛要求，材料本身必須滿足環保、高阻燃等性能。以此為基礎，分析部件產品安裝位置，以及使用工況，對碳纖維復合材料進行人工加速老化方式，研究紫外輻射［6-7］、濕熱老化［8-9］、鹽霧老化［10］等外部環境對碳纖維復合材料力學性能的影響，為軌道交通碳纖維復合材料研究提供指導。

作為軌道交通車體外部結構件，由于車體運行環境復雜，因此對材料使用要求較高。主要環境因素體現在紫外輻射、濕熱老化、鹽霧老化等，而這些外部環境因素會加速碳纖維復合材料的老化。本文主要是通過人工加速老化方式，對碳纖維復合材料老化后的性能進行測試分析，從而研究外部環境對碳纖維復合材料力學性能的影響，為軌道交通碳纖維復合材料研究提供指導。

2 試驗

2.1 原材料

本文采用由T700碳纖維單向絲與環氧樹脂制成的預浸料為原材料，單向預浸料固化后單層厚度為0.18 mm。

2.2 制備方法

將預浸料通過人工鋪貼方式，按照±45°/90°/0°/0°/0°/ 0°/90°/±45°順序進行疊放，在壓力為0.6 MPa、溫度180 ℃下，通過熱壓罐成型工藝方式制作成1.8 mm厚的板材。再將板材通過數控加工成所需樣件尺寸。

2.3 試驗測試項點

按標準進行環保、阻燃、紫外輻射、濕熱老化、鹽霧老化等環境試驗。

3 試驗結果與討論

3.1 環保試驗

環保試驗通常按TB /T 3139-2021《機車車輛非金屬材料及室內空氣有害物質限量》要求：GB/T 17657-2013 章節4.60進行測試。通過檢測樣件平均甲醛含量為 0.05 mg/m3，低于標準中的限量值，并且該實驗中未檢測出TB /T 3139-2021標準中規定的禁用物質，因此滿足使用要求。

3.2 阻燃試驗

按EN 45545-2：2020 R7要求進行制樣與測試。檢測結果如表1所示，材料整體滿足 EN 45545-2：2020 R7 HL2 要求。表 1為其平均值數據。

3.3 紫外老化試驗

紫外老化實驗按“GB/T 14522-2008”標準中“暴曬周期類型8”進行。將樣件經過8 h干燥，4 h冷凝，再采用“GB/T 1447-2005”對其不同狀態下拉伸強度進行測試。圖1為其不同狀態下拉伸實驗結果對比，隨著紫外老化時間的延長，碳纖維復合材料的拉伸性能反而有所提高，歸因于短期內的高溫和紫外環境使得樹脂固化程度提高，固化程度越高，材料的力學性能越強。

3.4 濕熱老化試驗

碳纖維復合材料濕熱老化按“GJB 150.9A-2009”軍用裝備實驗室環境試驗方法 第9部分：濕熱試驗進行。具體條件如表2所示。

圖2為耐濕熱后的拉伸強度與常規拉伸強度對比，隨著濕熱老化時間的延長，碳纖維復合材料的拉伸性能反而有所提高，說明在進行濕熱老化試驗時，樹脂固化程度的提高強于濕熱破壞基體化學鍵削弱材料強度的作用。

3.4 鹽霧試驗

軌道交通車輛行業鹽霧實驗按“GJB 150.11A-2009”軍用裝備實驗室環境試驗方法鹽霧試驗進行。將試件交替進行24 h鹽霧腐蝕和24 h干燥處理，經過兩個循環（96 h）后，樣件表面無失光、軟化、氣泡、裂紋等缺陷，符合檢驗標準要求，如圖3所示。

4 結語

通過對碳纖維復合材料的環保、阻燃、紫外輻射、濕熱老化、鹽霧老化等環境試驗來研究外部環境對碳纖維復合材料力學性能的影響，其結果表明各項試驗均符合使用標準且濕熱老化和紫外老化后碳纖維復合材料的拉伸性能都反而有所提高，說明碳纖維復合材料作為軌道交通車體外部結構件，不僅存在輕量化的優勢，相較于金屬件其具有更好的耐環境性。本研究表明碳纖維復合材料具有作為車體外部結構件的潛力和不可替代的優勢。

參 考 文 獻

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通訊作者：吳凡，男，本科，工程師。研究方向為復合材料預浸料成型及結構設計。E-mail：490350873@qq.com