軌道交通車輛用碳纖維復合材料的性能研究

摘 要：為了探究軌道交通車輛用的碳纖維復合材料性能，本文制備了一組碳纖維試樣和一組玄武巖-碳纖維復合材料試樣，通過拉伸試驗和壓縮試驗，分析2組材料的拉伸性能和壓縮性能。結果表明，與單一碳纖維組成材料相比，碳纖維復合材料的拉伸性能和壓縮性能均更優，更適用于軌道交通車輛，可提升軌道交通安全性。可見碳纖維復合材料能有效改進單一纖維材料，同時還能降低材料成本，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：軌道交通；碳纖維；復合材料

中圖分類號：U 465" " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

碳纖維復合材料具有質量輕、比強度高、耐高溫、抗沖擊以及抗腐蝕等優良性能，受到交通行業、車輛生產制造企業的重視。與汽車設計中的原始材料相比，碳纖維復合材料的穩定性更強。根據有關部門的調研與市場綜合分析，應用此類復合材料可以使交通行業的輕量化收益從15%提升至40%[1]。為使碳纖維復合材料在交通領域內發揮更高的效能與價值，本文將從多個角度測試并分析其綜合性能。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與設備選擇

為滿足碳纖維復合材料在實際應用中的綜合性能分析與測試需求，選擇由當地新材料科技研發公司提供的碳纖維復合材料（試驗中標注該材料制造的樣本為A）與玄武巖纖維材料（試驗中標注該材料制造的樣本為B）作為本次試驗的原料[2]，并對2種材料的屬性進行分析。相關內容見表1。

掌握試樣材料的基本屬性后，使用由該公司提供的環氧樹脂作為纖維材料試驗樣塊制備過程中的基體材料。基體材料屬性見表2，所需儀器設備見表3。參照表中內容完成性能測試中試驗材料的準備與所需儀器設備的選型。

1.2 試驗樣件制備

在上述內容的基礎上，使用準備的原材料進行試驗中樣件的制備工作[3]。在該過程中，鑒于本次試驗需要的樣件數量較少且成型的最終樣件尺寸相對較小，在綜合考慮生產效率與制造成本等因素后，決定使用手糊處理法生產試驗樣件[4]，以快速制備出數量較少且尺寸較小的樣件。該方法具有生產效率高、制造成本低的特點。

首先，根據試驗要求準備好所需原材料，包括基礎材料和添加劑。按照使用說明書進行配比和攪拌，確保混合物的質量和均勻性。其次，在特定的模具上均勻涂布混合物。涂布過程中要控制涂布厚度和均勻性，以保證最終樣件質量和尺寸的一致性。再次，將涂布好的模具放置在試驗環境中進行固化。根據材料特性，等待固化過程完成。最后，取下模具，得到最終的試驗樣件。對樣件進行必要的檢查和清潔，以確保樣件的完整性和質量。

在整個制備過程中，要遵守安全操作規程，保障人身安全并注意保護環境。通過手糊處理法可有效制備出滿足試驗要求的樣件，并繼續優化制備工藝，以提高樣件質量和生產效率。

該方法的手工工藝主要有2種，分別為干法制作與濕法制作。使用前者進行試驗樣件制作過程中，需要在獲得材料成型毛坯時，采用其他方法進行毛坯進一步固化與成型處理。而使用后者進行試驗樣件制作過程中，預成型、浸漬等步驟幾乎同時完成。綜合兩者手工工藝，后者在實際應用中效率更高[5]。其中手糊處理法的工藝流程如圖1所示。

為確保相關工作規范化，將手糊處理法中的濕法制作工藝分為5個主要步驟。具體工藝步驟如下。

第一步，根據試驗需要，選擇樣件制備過程中所需模具。完成模具的清潔處理后，需要在模具內側涂抹脫模劑。目前，市場內應用最多的脫模劑為乙醇，因此本文試驗將乙醇溶液作為模具的脫模試劑。

第二步，在前期準備的樹脂材料中根據規范摻入固化劑，將摻入的材料與原料混合均勻后涂抹在模具中，進而通過一系列操作來完成固化過程。首先，確保模具表面平整，避免產生氣泡或其他瑕疵。其次，涂抹完成后，要將模具置于適當的環境條件下進行固化，通常是在恒溫室中控制溫度和濕度。在固化過程中，根據需要采取加熱或加壓的方式來促進樹脂的固化反應。加熱可以提高反應速率，加壓則能夠提供更大的壓力，使樹脂充分填充模具的所有空隙。一旦樹脂固化完成，就可以將模具中的固化體取出。最后，對固化后的產品進行必要的后處理，例如修整、清潔和涂飾等，以使其符合使用要求和審美需求。

第三步，根據鋪層的角度，將纖維布材料直接鋪設在樹脂層上，輔助刮刀等進行樹脂層的掛涂。通過此種方式[6]，確保模具表面的樹脂涂抹均勻并完全浸入纖維布。完成上述操作后，排出模具中的氣泡，避免相關因素對試驗結果造成影響。

第四步，當樹脂材料完全浸入纖維布后，需要等待一段時間，以確保樹脂材料完全滲透到纖維布中。該時間取決于使用的樹脂類型和纖維布材料的性質。在涂抹樹脂和鋪設纖維布材料的過程中，需要重復進行上述操作，直到達到預設的層合板厚度和標準，此時可以停止操作并進行后續加工和修整。

第五步，將完成上述處理的模具放置在室溫條件下（持續放置8h～24h），使模具中的材料發生固化反應。該固化過程非常重要，可以確保樹脂材料與纖維布材料之間能結合牢固且完全實現目標強度。模具中的材料會隨時間的推移逐漸固化。在此期間，模具需要保持靜置狀態，并且需要注意試驗環境的溫度和濕度，以確保固化過程穩定性和質量。在等待固化反應的過程中，必須確保模具不受外界的振動或沖擊，防止材料變形或破損。確保模具中材料反應完全后，即進行樣件切割。采用線性切割的方式對樣件進行切割處理，可以獲得平整的切割邊緣和符合要求的尺寸。根據需要，對切割后的樣件進行進一步加工和處理，例如打磨、去毛刺涂飾等，以獲得最終的成品。這些加工步驟的目的是提高樣件的表面光滑度，并確保其符合設計要求和質量標準。

1.3 試驗方法

為從多角度分析試驗樣件綜合性能，本文設計了拉伸試驗、壓縮試驗。在試驗過程中，為降低或控制樣件夾持位置對拉伸結果的影響，將樣件的夾持位置兩端粘貼一層薄鋁合金，以加強對試驗中A組樣件、B組樣件的保護。通常情況下，薄鋁合金加強片的有效粘接長度為50mm。

拉伸試驗在電子萬能試驗機中實施[7]。在拉伸操作中，要確保樣件與試驗機設備的夾頭中心線處于同一水平面上。同時，要在試驗過程中避免夾頭與試驗樣件之間發生滑移。在此基礎上，操作電子萬能試驗機，使設備的拉伸加載速率穩定在2mm/min。持續拉伸，直到樣件發生斷裂后完成試驗，記錄此過程中樣件拉伸力對應的位移數據，并將其作為試驗結果數據。為減少試驗結果的誤差[8]，對每個樣件至少進行4組試驗。

完成拉伸試驗后，設計針對樣件的壓縮試驗。在試驗過程中，參照拉伸試驗步驟進行樣件切割，所有用于試驗的A組樣件尺寸與B組樣件尺寸均為140mm×6mm×2mm，其中薄鋁合金加強片的有效粘接長度為63mm。進而在排除試驗中其他因素影響的前提下，在萬能試驗機上進行相同步驟的壓縮試驗。

2 試驗結果討論

2.1 材料拉伸性能分析

根據上述試驗方法完成試驗后，對軌道交通車輛用的碳纖維復合材料的拉伸性能進行分析。本文在試驗過程中發現，當拉伸條件為0°時，2種材料試樣均出現了縱向劈裂現象，這是一種材料中常見的性能失效形式，同時A組試樣的破壞更嚴重。出現該現象的主要原因是與A組試樣相比，B組試樣具有更高的韌性。當拉伸條件為90°時，2種復合材料試樣的失效形式均表現為水平方向上的斷裂，充分反映了復合材料的基本承載性能。為直觀評價復合材料的拉伸性能，以B組試樣為例，分別記錄0°拉伸和90°拉伸條件下的B組試樣拉伸試驗結果，見表4、表5。

分析表4、表5中的試驗數據可得，在90°拉伸條件下，B組試樣最大載荷均在1100.00N以上，而在0°拉伸條件下，其最大載荷均超過19000.00N。通過表4、表5可知，在90°拉伸條件下，B組試樣的寬度分別為25.11mm、25.09mm和25.01mm；厚度分別為2.02mm、2.01mm和2.02mm；最大載荷分別為1180.25N、1180.25N和1109.52N。在0°拉伸條件下，B組試樣的寬度分別為12.75mm、12.82mm和12.97mm；厚度分別為2.00mm、2.06mm和2.03mm；最大載荷分別為19530.52N、21123.25N和19942.06N。在90°拉伸條件下，B組試樣具有相對較低的最大載荷和縱向應變，表明該方向上的機械強度較低。而在0°拉伸條件下，B組試樣的最大載荷顯著增加，縱向應變較大，同時也觀察到了較小的橫向應變。表明在該方向上，B組試樣具有較高的機械強度和變形能力。綜合2種拉伸條件下的結果，可進一步推斷出B組試樣在縱向上具有較弱的抗拉性能，而在橫向上具有較強的抗拉性能。

2.2 材料壓縮性能分析

對2種復合材料進行壓縮性能試驗后，在0°和90°條件下試樣的破壞形式相類似，通過對比A組試樣和B組試樣的斷裂截面可得，2組試樣都與纖維方向存在45°夾角，出現這一現象的主要原因是試樣受壓縮過程中剪力的影響。表6和表7分別為B組試樣在0°壓縮添加和90°壓縮條件下的試驗結果。

分析表6和表7中記錄的試驗數據可得，與0°壓縮條件下相比，90°壓縮條件下的最大荷載更大，均超過4000.00N，而在0°壓縮條件下，試件的最大載荷均在1000.00N以下。比較2種壓縮條件下的1000縱向應變和3000縱向應變試驗數據可得，3000縱向應變的絕對值明顯大于1000縱向應變的絕對值。縱向應變的絕對值越大，則說明試樣結構在該方向上產生的變化量越大，結構變形越明顯；反之，縱向應變的絕對值越小，則說明試樣結構在該方向上產生的變化量越小，結構變化越不明顯。由此可以看出，3000縱向應變對碳纖維復合材料的性能影響更明顯。

對上述2組試驗結果進行綜合分析可以看出，B組試樣的壓縮強度明顯小于拉伸強度，因此彎曲失效通常從壓縮側開始。比較2組試樣的拉伸和壓縮結果可以看出，B組試樣的拉伸性能和壓縮性能更好，在相同的拉伸和壓縮條件下，B組試樣不容易發生變形。應用到軌道交通車輛中時，為確保車輛結構性能和行車安全，應盡可能選用B組試樣即玄武巖纖維復合材料。

3 結語

隨著城市軌道交通的快速發展與軌道運輸行業建設工作的持續推進，市場內軌道交通車輛數量越來越多。為滿足行業發展要求，應在大力發展交通業的同時，控制好交通車輛運行排放。為滿足低碳環境的建設與持續化發展要求，輕量化車輛成為城市軌道交通發展的核心趨勢。為滿足車輛的輕量化生產制造需求，本文通過拉伸試驗、壓縮試驗，對軌道交通車輛用的碳纖維復合材料綜合性能進行了測試和分析，明確了此類復合材料投產使用后的優勢與缺陷，可為碳纖維復合材料的推廣應用提供進一步支持與技術指導。

參考文獻

[1]孫興祥，葉國方，童方強，等.液體橡膠增韌改性中溫固化環氧樹脂研究及其碳纖維復合材料制備[J].高科技纖維與應用，2023，48（4）：51-59.

[2]葉秋婷，錢鑫，張雪輝，等.基于碳纖維調控的聚合物基復合材料導熱性能研究進展[J].合成纖維工業，2022，45（5）：61-68.

[3]王昕敏.軌道交通車輛轉向架零部件應用碳纖維復合材料替代金屬材料研究[J].合成材料老化與應用，2022，51（4）：115-117.

[4]王靜，婁婭婭，王春梅.鐵基金屬-有機框架材料/活性碳纖維復合材料的制備及其對染料的脫色[J].紡織學報，2022，43（8）：126-131.

[5]侯紅玲，郝海凌，呂瑞虎，等.基于響應面法碳纖維復合材料激光切割工藝參數優化及性能試驗[J].激光與光電子學進展，2022，59（13）：307-314.

[6]謝順利，雷紅紅，張春麗，等.表面改性對碳纖維及其復合材料性能影響的研究進展[J].表面技術，2022，51（11）：186-195.

[7]孫勝然，吳東樂，羅嘉倩，等.基于Digimat RVE的碳纖維增強聚丙烯復合材料性能分析[J].中國造紙學報，2021，36（1）：44-51.

[8]李戈輝.碳纖維復合材料鋪層優化研究及在磁懸浮車體中的應用[D].成都：西南交通大學，2021.