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        軌道交通用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)與阻燃性能研究

        2025-02-15 00:00:00鄧文超岳書靜張力張灝趙英男張競澤
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2025年3期
        關(guān)鍵詞:環(huán)氧樹脂碳纖維力學(xué)性能

        摘" 要:該研究通過熱壓罐工藝制備3種軌道交通用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,對其拉伸、層間剪切等力學(xué)性能和防火阻燃性能進(jìn)行測試,為材料的選擇與優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明3種復(fù)合材料的0°拉伸強(qiáng)度皆大于1 900 MPa,層間剪切強(qiáng)度大于70 MPa,關(guān)鍵力學(xué)性能優(yōu)異,且阻燃等級皆達(dá)到EN45545-2:2020 R1 HL3,可滿足軌道交通領(lǐng)域典型承力件和次承力件的力學(xué)性能及防火安全性的要求。

        關(guān)鍵詞:碳纖維;環(huán)氧樹脂;復(fù)合材料;力學(xué)性能;阻燃性能

        中圖分類號:TB332" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A" " " " " 文章編號:2095-2945(2025)03-0063-04

        Abstract: In this study, three kinds of carbon fiber reinforced epoxy resin composites for rail transit were prepared by autoclave process, and their mechanical properties such as tensile, interlayer shear and fire-retardant properties were tested, which provided scientific basis for the selection and optimization of materials. The results show that the 0°tensile strength of the three composites is greater than 1 900 MPa, the interlaminar shear strength is greater than 70 MPa, the key mechanical properties are excellent, and the flame-retardant grade of the three composites reaches EN45545-2:2020 R1 HL3, which can meet the mechanical properties and fire safety requirements of typical and sub-load bearing parts in the field of rail transit.

        Keywords: carbon fiber; epoxy resin; composite material; mechanical property; flame-retardant property

        近年來,軌道交通領(lǐng)域發(fā)展迅速,對輕質(zhì)高強(qiáng)材料的需求日益增加。碳纖維因其具有高強(qiáng)度、比重小、熱膨脹系數(shù)小等性能,被視為先進(jìn)復(fù)合材料的主要增強(qiáng)纖維之一[1-2]。環(huán)氧樹脂因其黏結(jié)性能好、易加工成型等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于各種技術(shù)領(lǐng)域[3-4]。碳纖維與環(huán)氧樹脂相結(jié)合,可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點,進(jìn)一步提升材料的整體性能,使其在軌道交通、航空航天等多個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。然而,隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展,對材料安全性和力學(xué)性能的要求也越來越高。特別是在軌道交通和航空航天等安全性至關(guān)重要的領(lǐng)域,材料的力學(xué)和阻燃性能成為評估其適用性的兩大核心指標(biāo)。力學(xué)性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的承載能力和使用壽命,而阻燃性能則直接關(guān)系到在火災(zāi)等極端情況下的安全性能。因此,深入提高碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)和阻燃性能,對于提高材料的整體性能和拓寬應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義[5-8]。

        本文通過對3種軌道交通用碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能和阻燃性能進(jìn)行測試,系統(tǒng)地評估這些材料在實際應(yīng)用中的潛在價值,為相關(guān)領(lǐng)域的科研人員和工程師提供參考和借鑒。

        1" 實驗過程

        1.1" 實驗原料

        A預(yù)浸料,市面采購,使用SYT49S碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂單向預(yù)浸料,單層厚度(0.17±0.02) mm;B預(yù)浸料,市面采購,使用東邦UTS50碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂單向預(yù)浸料,單層厚度(0.19±0.2) mm;C預(yù)浸料,市面采購,使用HF30F碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂單向預(yù)浸料,單層厚度(0.15±0.02) mm。

        1.2" 實驗儀器

        高溫?zé)釅汗蓿T城市魯貫通機(jī)械科技有限公司;高低溫電子萬能試驗機(jī),英斯特朗(上海)設(shè)備有限公司;熱輻射火焰蔓延測試儀,莫帝斯燃燒技術(shù)(中國)有限公司;錐形量熱儀,英國FTT;煙密度箱,英國FTT;傅里葉紅外氣體分析柜,英國FTT。

        1.3" 樣板制備

        預(yù)浸料鋪層后放至熱壓罐,鋪層數(shù)、樣板尺寸及測試標(biāo)準(zhǔn)見表1,室溫下抽真空至小于等于-0.095 MPa,熱壓罐加壓至6 bar,以2 ℃/min的升溫速率升至80 ℃,保溫1 h,再以2 ℃/min的升溫速率升至130 ℃,保溫2 h,以不大于3 ℃/min的降溫速率降至60 ℃以下并泄壓脫模。

        2" 結(jié)果與分析

        2.1" 力學(xué)性能

        通過電子萬能試驗機(jī)對3種復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行測試,結(jié)果如圖1所示,3種復(fù)合材料0°拉伸強(qiáng)度都達(dá)到1 900 MPa以上,其中B復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度最高為2 101 MPa,這與其纖維本身拉伸強(qiáng)度大于等于5 000 MPa有很大關(guān)系(A與C皆小于5 000 MPa),然而B拉伸模量僅為137 GPa,表明其復(fù)合材料剛度與另外2種相比較小。C復(fù)合材料90°拉伸強(qiáng)度最大為55.3 MPa,表明C復(fù)合材料樹脂基體的強(qiáng)度較高。

        碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度是衡量其抵抗壓縮載荷能力的重要參數(shù),3種阻燃預(yù)浸料的壓縮強(qiáng)度如圖2所示,B復(fù)合材料的0°壓縮強(qiáng)度仍然最高為1 456 MPa,90°壓縮強(qiáng)度最高為C,結(jié)合3種復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度表明,復(fù)合材料0°方向性能受纖維強(qiáng)度影響較大,90°方向性能主要受樹脂基體性能影響。

        碳纖維復(fù)合材料的層間剪切和面內(nèi)剪切分別代表了材料在層間方向和平面內(nèi)的剪切性能,層間剪切強(qiáng)度主要取決于層間界面的結(jié)合,面內(nèi)剪切強(qiáng)度主要取決于纖維和樹脂基體的界面性能,如圖3所示,3種復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度和面內(nèi)剪切強(qiáng)度相當(dāng),層間剪切強(qiáng)度都超過70 MPa,面內(nèi)剪切強(qiáng)度都在50 MPa以上,在阻燃碳纖維復(fù)合材料中處于較高水平,應(yīng)用于實際產(chǎn)品中,可充分發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能。

        2.2" 阻燃性能

        碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的最高阻燃性能要求需滿足EN45545-2:2020 R1 HL3的標(biāo)準(zhǔn),其具體指標(biāo)要求見表2。

        2.2.1" 火焰蔓延

        臨界熱輻射值是評估材料防火性能的一個重要指標(biāo),衡量的是火焰在蔓延過程中,當(dāng)熱輻射能量達(dá)到某一特定值時,火焰將不再繼續(xù)蔓延或熄滅的臨界狀態(tài)。當(dāng)材料的臨界熱輻射值較高時,意味著該材料在受到較強(qiáng)的熱輻射作用時仍能保持穩(wěn)定,不易被引燃或蔓延。3種阻燃復(fù)合材料的臨界熱輻射值結(jié)果如圖4所示,皆符合EN45545-2:2020 R1 HL3的要求。

        2.2.2" 熱釋放速率

        熱釋放速率是指單位時間內(nèi)材料燃燒所釋放的熱量,單位為kW/m2。表達(dá)了火源釋放熱量的快慢和大小,也就是火源釋放熱量的能力,是火災(zāi)科學(xué)中的一個重要參數(shù)。熱釋放速率越大,燃燒反饋給材料表面的熱量就越多,導(dǎo)致材料熱解速度加快,揮發(fā)性可燃物生成量增多,從而加速了火焰的傳播。因此,熱釋放速率是評估材料火災(zāi)危險性的重要指標(biāo)。使用錐形量熱儀對材料的熱釋放速率進(jìn)行測試,可以在模擬火災(zāi)條件下,對材料的燃燒性能進(jìn)行精確測量,并得出熱釋放速率等關(guān)鍵參數(shù)。3種復(fù)合材料的最大平均熱釋放速率結(jié)果如圖5所示,皆符合EN45545-2:2020 R1 HL3的要求。

        2.2.3" 煙密度

        煙密度是表征材料燃燒過程中產(chǎn)生煙霧多少的物理量,通過測量透過煙霧的光強(qiáng)度衰減量來量化,煙密度是衡量材料火災(zāi)安全性的重要指標(biāo)之一。煙密度越大的材料,在火災(zāi)時產(chǎn)生的煙霧越多,越不利于滅火和人員的疏散。采用單煙箱光密度測定材料在燃燒過程中產(chǎn)生的煙霧密度,輻照度為50 kW/m2無焰,測試結(jié)果如圖6所示,均符合EN45545-2:2020 R1 HL3的要求。

        2.2.4" 煙毒性

        復(fù)合材料的煙毒性是指復(fù)合材料在燃燒或熱解過程中釋放的煙霧對人體健康產(chǎn)生的危害程度。這種煙霧通常包含有毒氣體、顆粒物和其他有害物質(zhì),可能對人體呼吸系統(tǒng)、眼睛、皮膚等造成刺激和傷害。本文所選3種復(fù)合材料煙毒性均達(dá)到EN45545-2:2020 R1 HL3的要求,其結(jié)果如圖7所示。

        3" 結(jié)論

        本文選用3種軌道交通用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂預(yù)浸料,對其力學(xué)性能和防火阻燃性能進(jìn)行了測試,得出如下結(jié)論。

        1)3種阻燃復(fù)合材料的0°拉伸強(qiáng)度皆大于1 900 MPa,90°拉伸強(qiáng)度大于30 MPa;0°壓縮強(qiáng)度大于1 000 MPa,90°壓縮強(qiáng)度大于140 MPa;層間剪切強(qiáng)度大于70 MPa,面內(nèi)剪切強(qiáng)度大于50 MPa,力學(xué)性能優(yōu)異,可滿足軌道交通典型承力結(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能的要求。

        2)3種阻燃復(fù)合材料的防火等級皆達(dá)到EN45545-2:2020 R1 HL3的要求,其中火焰蔓延、熱釋放速率、煙密度和煙毒性皆符合軌道交通領(lǐng)域防火安全性的要求。

        參考文獻(xiàn):

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        [3] 王偉,左小彪,李杰,等.阻燃增韌環(huán)氧樹脂及其復(fù)合材料性能研究[J].宇航材料工藝,2011,41(1):42-45.

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        [6] 陳飛回.淺談高性能阻燃碳纖維復(fù)合材料的研究[J].中外交流,2021,28(4):91.

        [7] 杜宇,張寶艷,李栓.無鹵阻燃環(huán)氧樹脂及其碳纖維織物復(fù)合材料性能研究[C]//第二十一屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會議論文集,2020:1-5.

        [8] 劉翔,周恒,郭穎,等.船舶用阻燃樹脂基體復(fù)合材料研究進(jìn)展[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2023,38(4):50-60.

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