吳陶，羅光強(qiáng)，陳文俊，宋軍

（中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都610081）

新型復(fù)合材料工具箱箱體的研究和應(yīng)用

吳陶*，羅光強(qiáng)，陳文俊，宋軍

（中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都610081）

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

復(fù)合材料；碳纖維；工具箱箱體；地質(zhì)調(diào)查

1　概述

近年來，突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的頻繁發(fā)生，給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成的損失越來越大。為了能在第一時間獲取突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場狀況，提高對突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急反應(yīng)能力，減輕突發(fā)性災(zāi)害造成的損失，保障人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，對地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查工作的要求也越來越高，對應(yīng)急調(diào)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(zhì)調(diào)查工具箱的箱體不能滿足要求。研制一套便攜式復(fù)合材料工具箱箱體，用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查很有必要。

碳纖維的出現(xiàn)是材料史上的一次革命，由于它具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗疲勞、導(dǎo)電、質(zhì)輕、易加工等多種優(yōu)異性能，成為復(fù)合材料中最重要的增強(qiáng)材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑、航空航天以及汽車制造行業(yè)，正逐步征服和取代傳統(tǒng)的金屬、非金屬材料。碳纖維是含碳量高于90%的無機(jī)高分子纖維，微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)，它的質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，在有機(jī)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?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。

新型碳纖維復(fù)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(zhì)調(diào)查人員配備后，能購快速地在災(zāi)害發(fā)生的第一時間抵達(dá)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場，工具箱功能齊全，實(shí)用性強(qiáng)，還可根據(jù)不同調(diào)查單位的需求進(jìn)行配備，實(shí)現(xiàn)了快速、便捷、安全、簡易、科學(xué)化地開展地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)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(chǔ)上，我們選擇碳纖維復(fù)合材料作為箱體的主體材料。碳纖維復(fù)合材料（CFRP）是以樹脂為基體，碳纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，碳纖維是由有機(jī)纖維或低分子烴氣體原料在惰性氣氛中經(jīng)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(shù)為3K，抗拉強(qiáng)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(yù)氧化、碳化、石墨化、采用液相氧化法進(jìn)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(shè)計(jì)

工具箱由箱體、與箱體鉸連的箱蓋、內(nèi)膛、把手、背帶等組合而成，箱體和箱蓋由碳纖維復(fù)合材料制成，內(nèi)膛選擇高密度海綿設(shè)計(jì)加工而成，在結(jié)構(gòu)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(fù)合材料工具箱箱體的設(shè)計(jì)參數(shù)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(qiáng)度2950N/mm2，伸長率≥1.70%。

4　工具箱箱體加工

碳纖維復(fù)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(shè)計(jì)、加工。包括碳纖維模具設(shè)計(jì)、內(nèi)模預(yù)成型、內(nèi)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(zhǔn)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(jù)模具的形狀，做成箱體的預(yù)成型產(chǎn)品，再將模具及箱體放入真空袋中；

（3）高溫高壓燒結(jié)。燒結(jié)之前，先抽真空，即把模具及編制在上面的預(yù)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(guān)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(chǎn)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(jìn)行表面打磨，清除多余邊角，清除脫模劑。箱體品質(zhì)控制、強(qiáng)度與剛性測試，然后進(jìn)行3層底漆與涂裝，下一步貼標(biāo)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(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

新型碳纖維復(fù)合材料工具箱箱體可以廣泛應(yīng)用于崩塌、滑坡、泥石流、不穩(wěn)定斜坡、地面塌陷、地面沉降、地裂縫等野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，為野外地質(zhì)調(diào)查工作帶來便捷。為檢驗(yàn)試驗(yàn)工具箱的現(xiàn)場應(yīng)用效果，我們在名山觀音灘滑坡進(jìn)行了地質(zhì)調(diào)查的應(yīng)用試驗(yàn)。

四川省雅安市名山縣城東鄉(xiāng)平橋村二組觀音灘滑坡，地理坐標(biāo)為東經(jīng)103°06′54.33″，北緯30°06′06.78″。試驗(yàn)區(qū)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(zāi)害點(diǎn)屬砂泥巖地區(qū)，巖層節(jié)理裂隙較發(fā)育，層理產(chǎn)狀受構(gòu)造影響變化較大。斜坡巖層產(chǎn)狀總體約為261°∠12°，為順向坡。觀音灘滑坡危險區(qū)范圍包括滑坡分布區(qū)、滑動可能覆蓋的區(qū)域、坡后斜坡變形區(qū)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(nóng)戶14戶38人、縣道名王路及砂石廠1個，威脅資產(chǎn)約632.5萬元。

我們采用YJW-1型便攜式地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查工具箱體在名山觀音灘滑坡進(jìn)行了為期7d的野外地質(zhì)調(diào)查試驗(yàn)，滑坡現(xiàn)場應(yīng)用過程包括：前期室內(nèi)準(zhǔn)備工作；擬定現(xiàn)場試驗(yàn)方案；試驗(yàn)新型復(fù)合材料工具箱性能；資料總結(jié)歸納等。

現(xiàn)場試驗(yàn)表明，新型碳纖維復(fù)合材料工具箱體有如下功能特點(diǎn)：

（1）攜帶方便、功能齊全、實(shí)用性強(qiáng)；

（2）結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕；

（3）承壓性能好，適合野外作業(yè)；

（4）抗輻射和電磁波干擾，對儀器保護(hù)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(jié)論

新型碳纖維復(fù)合材料工具箱體在野外地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用是一種創(chuàng)新。通過野外地質(zhì)調(diào)查應(yīng)用表明，新型復(fù)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(qiáng)，滿足野外綜合應(yīng)用要求，適用于快速展開野外地質(zhì)調(diào)查，適用于指揮人員和技術(shù)人員快速從事地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作，對地質(zhì)調(diào)查技術(shù)的更新?lián)Q代起到了強(qiáng)有力的推進(jìn)作用。

［1］徐丹，曲海英.工程地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)及防治措施［J］.黑龍江科技信息，2015，5（18）：18-21.

［2］奚曉青，楊新寶.地質(zhì)災(zāi)害國內(nèi)外研宄現(xiàn)狀淺析［J］.中國水運(yùn)（學(xué)術(shù)版），2007，22（9）：98-100.

［3］吳振宇，馬彥山.無人機(jī)遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用［J］.寧夏工程技術(shù)，2012，11（2）：133-P136.

［4］趙稼祥.東麗公司碳纖維及其復(fù)合材料的進(jìn)展［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2000，2（6）：53-56.

［5］李越.基于Android的地質(zhì)災(zāi)害野外調(diào)查信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［D］.云南：云南大學(xué)，2015.

［6］張偉.論GPS手持機(jī)在滑坡調(diào)查中的應(yīng)用［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2010，2（204）：125-127.

［7］王剛，裴向軍，楊珂.碳纖維增強(qiáng)型灌漿材料實(shí)驗(yàn)研究［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2013，24（3）：109-112.

TF124.5

A

1004-5716（2016）10-0093-03

2016-08-11

2016-08-11

項(xiàng)目來源：國家公益項(xiàng)目“便攜式地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查工具箱研究”（項(xiàng)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(xiàn)從事地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)的相關(guān)儀器、材料、施工工藝、施工裝置的科研開發(fā)工作。