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        【專題綜述】軌道交通中碳纖維復合材料的創新應用:多軸向經編織物與拉擠工藝

        2024-02-19 45


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        引言

        當前軌道交通領域的碳纖維復合材料制造技術主要遵循了傳統的成型方法,包括使用熱壓罐、手工鋪設以及離心鑄造(OOA)等技術。熱壓罐因其卓越性能而被廣泛應用于航空行業。手工鋪設方法難以達到復雜構件的大規模生產需求,且對環境的影響較大。OOA方法因技術限制,在制造高纖維含量的零件時遇到難題,限制了其應用范圍。拉擠技術作為一種能夠進行持續生產的成型方法,因其纖維含量高、原材料使用效率高及生產效率高等優勢而受到重視。根據研究數據,采用多軸向編織增強的碳纖維材料展現出卓越性能,能夠通過精確的層次設計來滿足不同的力學性能需求。將此類多軸向編織物應用于拉擠過程,能有效補充拉擠產品在非軸向性能上的不足,從而拓寬復合材料的使用領域。

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        多軸向經編織物

        多軸向經編織物(簡稱MWK)是由經紗(0°)、緯紗(90°)和軸向紗(θ)構成,其中襯紗的角度變化范圍是-20°到+20°。在其編織過程中,編織用的紗線會穿越整個布料,沿厚度方向將所有預鋪的承載紗線緊密綁定。這些承載紗線通常選用具有高機械性能的纖維,例如玻璃纖維、碳纖維、Kevlar纖維和超高分子量聚乙烯纖維等,而編織用的紗線則多選用成本較低的高強度滌綸紗。編織紗的使用增強了織物的層間剪切強度和多向尺寸穩定性,減少了層裂的風險,并且使得多軸向經編織物具有良好的成型性和樹脂滲透性。與此相對的是,機織物通過緯紗和經紗的交錯編織而成,如平紋織物通過緯紗與每根經紗的上下交替形成穩定但成型性差的結構;斜紋織物通過一定規律的緯紗交替通過經紗,具有較好的成型性和滲透性但穩定性略遜;緞紋織物的緯紗穿越多根經紗形成,雖然成型性和滲透性好,但穩定性較弱,且不對稱性可能導致多層織物的應力集中。由于機織物的空間阻礙,其力學性能相對較弱。

        相比之下,多軸向經編織物在提供更優越的力學性能方面具有顯著優勢,它們的層間(在厚度方向)通過編織紗緊密結合,允許根據需求靈活設計,是目前理想的增強材料。這種織物的制造工藝確保了紗線能夠充分伸直,從而最大化地發揮紗線性能,在縱橫方向上拉伸時保持織物尺寸的穩定。多軸向經編織物由于編織紗的存在,使得樹脂在作為復合材料基底時能更快滲透,這有助于提高復合制品的性能。作為復合材料增強體,多軸向經編織物在拉伸、彎曲、剪切和沖擊等性能測試中均展現出優良的表現。

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        圖 碳纖維多軸向經編織物

        碳纖維多軸向經編織物,通過編織線將多層不同角度碳纖維捆綁在一起。多軸向織物可以減少在復合材料制造時纖維/織物的鋪放時間,由于編織線的存在,采用RTM,VARI 等液體成型工藝時,樹脂可以快速浸潤纖維,提升固化效率。碳纖維經編織物以其獨特的編織方式,保持了碳纖維平直,滿足鋪層方向、比例和順序的要求,同時編織物整體性好、鋪層效率高,經編方式使織物鋪貼性好,是理想的復合材料增強材料。多軸向織物的主要特點有以下幾個特點:



        1. 抗拉強度高,力學性能好,多軸向經編技術使得織物的紗線層能按照特定的方向

        伸直取向,使增強紗線的力學性能得到充分利用。

        2. 良好的尺寸穩定性和剪切性能,多軸向經編織物中由于引入了±45°方向的紗線,

        織物的剪切變形受到抑制。

        3. 鋪設性和預定型效果好,多軸向經編織物鋪設效率高,由于織物已經將各種角度

        的纖維“打包”好可以直接裁剪和鋪設,還可以進行預定型,工藝效率顯著提升。

        4. 樹脂浸潤性好,多軸向經編織物由于織物纖維中很容易形成通道,減小了浸潤滲

        透壓力、滲透性好、滲透速度快,有利于樹脂的均勻分布。

        圖片

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        拉擠工藝

        拉擠成型技術是一種用于生產高性能纖維復合材料的連續、效率高且成本效益好的工藝,特別適合于大規模生產。該技術優化了纖維的強化功能。在經典的拉擠過程中,纖維得以充分拉伸,以充分利用其軸向強度。此外,拉擠技術因其高自動化水平、較少的生產步驟以及較低的技術和環境影響,能夠生產出質量更為穩定的產品,相較于其他制造工藝來說,這是一個顯著優勢。根據國際上的發展趨勢,生產大型、具有復雜截面和厚壁的產品正成為拉擠技術發展的方向,并且在眾多領域中扮演著越來越重要的角色。
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        圖 連續纖維拉擠工藝流程

        傳統的浸膠拉擠技術是一個快速且連續的生產方法。在這個過程中,如圖所示的步驟、,增強性纖維(常見的如玻璃纖維)先是被展開并通過紗架引入。接著,這些纖維進入到一個浸漬池中,其中它們被浸透樹脂。浸漬后的纖維隨即被引入到帶有加熱功能的模具中進行加熱和固化。制件固化后,通過拉出裝置從模具中拉出,并按照需要裁切到特定尺寸。拉擠過程中的關鍵環節包括纖維的浸漬、固化以及拉出過程。對于具有復雜截面的產品,還需在進模之前通過預成型裝置對纖維束進行預形處理。纖維的浸漬方式主要有兩種:一種是經過開放式的浸漬槽進行浸漬,纖維在穿過含有樹脂的槽時得到充分浸潤;另一種方式是將樹脂通過注射設備直接注入模具中以浸潤增強材料,這稱為閉模注膠。拉擠工藝的優點在于能夠實現高效的連續生產,與熱壓罐或模壓工藝相比,它具有更高的生產效率和更低的成本。

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        多軸向經編織物與拉擠工藝結合在軌道交通中的應用

        近年來,我國軌道交通行業發展迅速,不僅在國內高速動車組,同時實現了向多國出口我國高速鐵路與交通技術方案及整體車輛。隨著我國高鐵技術的進一步發展,對車輛結構與輕量化要求逐年提高。與鋁合金等金屬材料相比,碳纖維復合材料具有明顯的比強度和比剛度優勢,是軌道交通車輛車體輕量化的理想材料,目前碳纖維復合材料在軌道交通車輛上的應用開始從內飾、車內設備等非承力零部件向車體、設備艙等承力件延伸和擴展,從裙板、導流罩等小型零部件向頂蓋、司機室、整車車體等大型構件和結構發展,碳纖維復合材料用量占比正逐年增大。
        中車青島四方機車車輛股份有限公司 2018 年發布了 CETROVO 新一代碳纖維地鐵(時速 80km/h)車輛,其車身采用全碳纖維復合材料制造,其中拉擠部件有車體肩部梁和底架側邊梁,如圖中所示,兩個拉擠制件的增強材料包含碳纖維紗線、單向經編織物以及纖維氈等。
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        圖 CFRP 車體的主要結構和碳纖維拉擠縱向梁示意圖及實物圖截面

        連續單向纖維拉擠生產效率高,成本低,零件長度只受生產空間限制,但結構復雜的大厚度制件采用紗線拉擠放卷紗架所占空間大,此外,連續纖維拉擠制件的力學性能方向性強,只要適用于主要承受軸向載荷的產品,如果產品承受其他方向載荷,連續纖維拉擠產品則顯得力不從心。碳纖維紗線拉擠樣板的制備將采用類似的拉擠工藝,不同點是將浸漬槽由開放浸漬槽改為閉模注膠工藝,其余工序相同。
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        圖 多軸向經編織物拉擠設備示意圖

        樣品測試

        碳纖維織物拉擠平板和碳纖維紗線拉擠平板測試樣件都按照 ISO 或 ASTM 標準進行制備和測試,樣件在給定的加載速率下,從 0 N 增量加載至極限載荷,圖是拉擠平板樣件測試前和測試后樣件的部分照片,測試前樣件完好,測試后出現了不同的破壞形式,碳纖維織物拉擠平板樣件測試前后照片,在 0°拉伸測試后的照片顯示了 5個樣品中間區域都出現了破壞。0°拉伸測試樣條的破壞模式為中間區域纖維分層和部分纖維斷裂。在 0°壓縮的測試中,樣條的失效模式是中間發生屈曲,出現了部分纖維斷裂。在 90°的拉伸和壓縮測試中,其拉伸和壓縮測試后的破壞模式與 0°相似,即樣件最終都發生了纖維斷裂,并伴有分層現象。在 V 型剪口測試中,分層主要發生在 45°方向其破壞形式主要表現為分層和少部分的纖維斷裂。
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        圖 碳纖維多軸向織物拉擠樣件測試前后狀態

        測試結果顯示 HFC20-25K 紗線形變性能的 0°方向力學性能優異,為 1956Mpa,90°方向性能強度和模量非常低,強度僅為 37.1Mpa,遠低于 LPTN800 織物的 90°方向強度和模量,主要是因為單向紗線拉擠在 90 度方向沒有連續纖維來承載,主要靠樹脂來承載,故90°方向的單向纖維拉擠性能低。LPTN800 拉擠樣板 0°方向的性能低于紗線拉擠樣板的0°方向,主要是由于四軸向經編織物碳纖維在 0 度方向的占比大幅減少使得 0 度方向性能下降,在 90°方拉伸和壓縮性能顯著增加,主要是由于四軸向經編織物在 90 度方向和±45°方向的纖維,顯著提升了 90°方向性能。

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        小結

        隨著技術的進步和環境保護意識的增強,碳纖維復合材料在軌道交通領域的應用將進一步擴展。未來,我們可以預見到更加輕質、高效、環保的碳纖維材料的開發,這將大幅提升軌道交通工具的能效比和性能。多軸向經編織物和拉擠技術的進一步優化和創新,將使碳纖維復合材料的生產更加高效,降低成本,使其在軌道交通中的應用更加廣泛。此外,隨著對材料回收和再利用技術的研究深入,碳纖維復合材料的可持續性將得到顯著提升,為軌道交通行業的可持續發展做出重要貢獻。





        參考文獻:

        [1]湯娟.多軸向經編織物(NCF)拉擠技術及其在軌道交通車輛上的應用研究[D].江蘇大學,2022.

        此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯,部分數據來源于網絡資料。文章不用于商業目的,僅供行業人士交流,引用請注明出處。


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