摘 要 碳纖維復(fù)合材料制作的軌道交通車(chē)輛結(jié)構(gòu)件最大優(yōu)勢(shì)在于輕量化，整體具有較好的力學(xué)性能，且相對(duì)于鋁合金有更好的抗疲勞性。作為軌道交通車(chē)輛外部結(jié)構(gòu)件，車(chē)外環(huán)境很大程度上會(huì)影響產(chǎn)品使用壽命，針對(duì)該產(chǎn)品的使用環(huán)境，本文研究了一種適合軌道交通用碳纖維復(fù)合材料，對(duì)該材料的環(huán)保、阻燃、紫外輻射、濕熱老化、鹽霧老化等環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該碳纖維復(fù)合材料在復(fù)雜環(huán)境下仍具有良好的力學(xué)性能，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞 軌道交通；耐環(huán)境性；碳纖維復(fù)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(chē)輛輕量化要求越來(lái)越高，碳纖維復(fù)合材料由于自身高強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)、熱容量小以及比重小等優(yōu)勢(shì)在該領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多，但目前主要用于內(nèi)飾件或非主承載件，環(huán)境因素影響不大，因此有關(guān)外部環(huán)境對(duì)碳纖維復(fù)合材料的影響研究也相對(duì)較少。碳纖維復(fù)合材料由于具有良好的力學(xué)性能及環(huán)境適應(yīng)性，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛［1］，覆蓋了各個(gè)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(chē)輛行業(yè)的外觀(guān)承重件由于要面對(duì)復(fù)雜的外部環(huán)境，且具有高強(qiáng)度和高剛度要求，在過(guò)去的研究和實(shí)際應(yīng)用中一般采用金屬材料制作而成［2］。金屬材料作為結(jié)構(gòu)件雖然有著高強(qiáng)度、高剛度的優(yōu)勢(shì)，但由其制作的產(chǎn)品一般質(zhì)量較大，并且金屬材料長(zhǎng)期曝露在環(huán)境中容易被腐蝕。因此有關(guān)碳纖維復(fù)合材料作為車(chē)外部件的研究近年來(lái)也在增加，采用真空導(dǎo)入工藝制作出了以碳纖維復(fù)合材料為原材料的高速列車(chē)頭罩［3］，也有關(guān)于碳纖維復(fù)合材料機(jī)車(chē)走廊門(mén)的研究［4］。但對(duì)于碳纖維復(fù)合材料作為主承力件，有關(guān)環(huán)境對(duì)其影響的研究還有所欠缺。

近年來(lái)，節(jié)能減排成為軌道交通行業(yè)重要的研究課題，車(chē)輛減重作為節(jié)能減排最直接的方式也一直備受關(guān)注［5］。隨著軌道交通車(chē)輛輕量化要求越來(lái)越高，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。碳纖維復(fù)合材料本身具有的出色耐熱性、抗熱沖擊性以及優(yōu)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(yōu)勢(shì)，但軌道交通外部運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，使所選材料不但需要滿(mǎn)足輕量化要求，同時(shí)還需滿(mǎn)足使用環(huán)境條件。

根據(jù)軌道交通車(chē)輛要求，材料本身必須滿(mǎn)足環(huán)保、高阻燃等性能。以此為基礎(chǔ)，分析部件產(chǎn)品安裝位置，以及使用工況，對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)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(huán)境對(duì)碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，為軌道交通碳纖維復(fù)合材料研究提供指導(dǎo)。

作為軌道交通車(chē)體外部結(jié)構(gòu)件，由于車(chē)體運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，因此對(duì)材料使用要求較高。主要環(huán)境因素體現(xiàn)在紫外輻射、濕熱老化、鹽霧老化等，而這些外部環(huán)境因素會(huì)加速碳纖維復(fù)合材料的老化。本文主要是通過(guò)人工加速老化方式，對(duì)碳纖維復(fù)合材料老化后的性能進(jìn)行測(cè)試分析，從而研究外部環(huán)境對(duì)碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，為軌道交通碳纖維復(fù)合材料研究提供指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

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

2.2 制備方法

將預(yù)浸料通過(guò)人工鋪貼方式，按照±45°/90°/0°/0°/0°/ 0°/90°/±45°順序進(jìn)行疊放，在壓力為0.6 MPa、溫度180 ℃下，通過(guò)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(guò)數(shù)控加工成所需樣件尺寸。

2.3 試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)

按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行環(huán)保、阻燃、紫外輻射、濕熱老化、鹽霧老化等環(huán)境試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 環(huán)保試驗(yàn)

環(huán)保試驗(yàn)通常按TB /T 3139-2021《機(jī)車(chē)車(chē)輛非金屬材料及室內(nèi)空氣有害物質(zhì)限量》要求：GB/T 17657-2013 章節(jié)4.60進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)檢測(cè)樣件平均甲醛含量為 0.05 mg/m3，低于標(biāo)準(zhǔn)中的限量值，并且該實(shí)驗(yàn)中未檢測(cè)出TB /T 3139-2021標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的禁用物質(zhì)，因此滿(mǎn)足使用要求。

3.2 阻燃試驗(yàn)

按EN 45545-2：2020 R7要求進(jìn)行制樣與測(cè)試。檢測(cè)結(jié)果如表1所示，材料整體滿(mǎn)足 EN 45545-2：2020 R7 HL2 要求。表 1為其平均值數(shù)據(jù)。

3.3 紫外老化試驗(yàn)

紫外老化實(shí)驗(yàn)按“GB/T 14522-2008”標(biāo)準(zhǔn)中“暴曬周期類(lèi)型8”進(jìn)行。將樣件經(jīng)過(guò)8 h干燥，4 h冷凝，再采用“GB/T 1447-2005”對(duì)其不同狀態(tài)下拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。圖1為其不同狀態(tài)下拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，隨著紫外老化時(shí)間的延長(zhǎng)，碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能反而有所提高，歸因于短期內(nèi)的高溫和紫外環(huán)境使得樹(shù)脂固化程度提高，固化程度越高，材料的力學(xué)性能越強(qiáng)。

3.4 濕熱老化試驗(yàn)

碳纖維復(fù)合材料濕熱老化按“GJB 150.9A-2009”軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第9部分：濕熱試驗(yàn)進(jìn)行。具體條件如表2所示。

圖2為耐濕熱后的拉伸強(qiáng)度與常規(guī)拉伸強(qiáng)度對(duì)比，隨著濕熱老化時(shí)間的延長(zhǎng)，碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能反而有所提高，說(shuō)明在進(jìn)行濕熱老化試驗(yàn)時(shí)，樹(shù)脂固化程度的提高強(qiáng)于濕熱破壞基體化學(xué)鍵削弱材料強(qiáng)度的作用。

3.4 鹽霧試驗(yàn)

軌道交通車(chē)輛行業(yè)鹽霧實(shí)驗(yàn)按“GJB 150.11A-2009”軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行。將試件交替進(jìn)行24 h鹽霧腐蝕和24 h干燥處理，經(jīng)過(guò)兩個(gè)循環(huán)（96 h）后，樣件表面無(wú)失光、軟化、氣泡、裂紋等缺陷，符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的環(huán)保、阻燃、紫外輻射、濕熱老化、鹽霧老化等環(huán)境試驗(yàn)來(lái)研究外部環(huán)境對(duì)碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，其結(jié)果表明各項(xiàng)試驗(yàn)均符合使用標(biāo)準(zhǔn)且濕熱老化和紫外老化后碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能都反而有所提高，說(shuō)明碳纖維復(fù)合材料作為軌道交通車(chē)體外部結(jié)構(gòu)件，不僅存在輕量化的優(yōu)勢(shì)，相較于金屬件其具有更好的耐環(huán)境性。本研究表明碳纖維復(fù)合材料具有作為車(chē)體外部結(jié)構(gòu)件的潛力和不可替代的優(yōu)勢(shì)。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］呂小軍，張琦，項(xiàng)民等. 環(huán)境因素對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響［J］. 中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)， 2007， 27（2）：4.

［2］郭澤闊，楊中平，閆雪燕. 城市軌道交通車(chē)輛車(chē)體材料的選型分析 ［J］. 西部交通科技， 2009（10）：6.

［3］王明猛，肖守訥，陽(yáng)光武，等. 碳纖維復(fù)合材料在高速列車(chē)頭罩上的應(yīng)用研究 ［J］. 電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛， 2015， 38（A01）：5.

［4］曹媛，袁順，胡臣錦. 碳纖維復(fù)合材料機(jī)車(chē)走廊門(mén)輕量化設(shè)計(jì)與研究 ［J］. 電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛， 2018， 41（3）：4.

［5］譚艷，姚召定，陳火天，等. 中速磁浮列車(chē)輕量化車(chē)體夾層復(fù)合材料研究 ［J］. 電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛， 2022（5）：045.

［6］蔣詩(shī)才，閆鴻琛，石峰暉，等. 紫外老化對(duì)快速固化碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料性能影響 ［J］. 復(fù)合材料科學(xué)與工程， 2022（1）.

［7］喬琨，朱波，高學(xué)平，等. 紫外老化對(duì)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料性能的影響 ［J］. 功能材料， 2012， 43（21）.

［8］劉建華，曹東，張曉云，等. 樹(shù)脂基復(fù)合材料T300/5405的吸濕性能及濕熱環(huán)境對(duì)力學(xué)性能的影響 ［J］. 航空材料學(xué)報(bào)， 2010， 30（4）：6.

［9］馮振宇，解江，遲琪琳，等. 濕熱環(huán)境對(duì)復(fù)合材料單向板拉伸性能的影響 ［J］. 高分子材料科學(xué)與工程， 2018， 34（11）：7.

［10］魯振宏，張罡，時(shí)卓，等. 鹽霧老化環(huán)境對(duì)碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響 ［J］. 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2020， 39（6）：64-68.

通訊作者：吳凡，男，本科，工程師。研究方向?yàn)閺?fù)合材料預(yù)浸料成型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail：490350873@qq.com