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核心技術(shù)

【專(zhuān)題綜述】軌道交通中碳纖維復合材料的創(chuàng )新應用：多軸向經(jīng)編織物與拉擠工藝

2024-02-19 135


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引言

當前軌道交通領(lǐng)域的碳纖維復合材料制造技術(shù)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(shù)。熱壓罐因其卓越性能而被廣泛應用于航空行業(yè)。手工鋪設方法難以達到復雜構件的大規模生產(chǎn)需求，且對環(huán)境的影響較大。OOA方法因技術(shù)限制，在制造高纖維含量的零件時(shí)遇到難題，限制了其應用范圍。拉擠技術(shù)作為一種能夠進(jìn)行持續生產(chǎn)的成型方法，因其纖維含量高、原材料使用效率高及生產(chǎn)效率高等優(yōu)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(guò)精確的層次設計來(lái)滿(mǎn)足不同的力學(xué)性能需求。將此類(lèi)多軸向編織物應用于拉擠過(guò)程，能有效補充拉擠產(chǎn)品在非軸向性能上的不足，從而拓寬復合材料的使用領(lǐng)域。

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多軸向經(jīng)編織物

多軸向經(jīng)編織物（簡(jiǎn)稱(chēng)MWK）是由經(jīng)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(guò)程中，編織用的紗線(xiàn)會(huì )穿越整個(gè)布料，沿厚度方向將所有預鋪的承載紗線(xiàn)緊密綁定。這些承載紗線(xiàn)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(xiàn)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(fēng)險，并且使得多軸向經(jīng)編織物具有良好的成型性和樹(shù)脂滲透性。與此相對的是，機織物通過(guò)緯紗和經(jīng)紗的交錯編織而成，如平紋織物通過(guò)緯紗與每根經(jīng)紗的上下交替形成穩定但成型性差的結構；斜紋織物通過(guò)一定規律的緯紗交替通過(guò)經(jīng)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(jīng)紗形成，雖然成型性和滲透性好，但穩定性較弱，且不對稱(chēng)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(xué)性能相對較弱。

相比之下，多軸向經(jīng)編織物在提供更優(yōu)越的力學(xué)性能方面具有顯著(zhù)優(yōu)勢，它們的層間（在厚度方向）通過(guò)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(xiàn)能夠充分伸直，從而最大化地發(fā)揮紗線(xiàn)性能，在縱橫方向上拉伸時(shí)保持織物尺寸的穩定。多軸向經(jīng)編織物由于編織紗的存在，使得樹(shù)脂在作為復合材料基底時(shí)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(jīng)編織物在拉伸、彎曲、剪切和沖擊等性能測試中均展現出優(yōu)良的表現。

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圖 碳纖維多軸向經(jīng)編織物

碳纖維多軸向經(jīng)編織物，通過(guò)編織線(xiàn)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(shí)纖維/織物的鋪放時(shí)間，由于編織線(xiàn)的存在，采用RTM，VARI 等液體成型工藝時(shí)，樹(shù)脂可以快速浸潤纖維，提升固化效率。碳纖維經(jīng)編織物以其獨特的編織方式，保持了碳纖維平直，滿(mǎn)足鋪層方向、比例和順序的要求，同時(shí)編織物整體性好、鋪層效率高，經(jīng)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(diǎn)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：



1. 抗拉強度高，力學(xué)性能好，多軸向經(jīng)編技術(shù)使得織物的紗線(xiàn)層能按照特定的方向

伸直取向，使增強紗線(xiàn)的力學(xué)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(jīng)編織物中由于引入了±45°方向的紗線(xiàn)，

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(jīng)編織物鋪設效率高，由于織物已經(jīng)將各種角度

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

4. 樹(shù)脂浸潤性好，多軸向經(jīng)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(shù)脂的均勻分布。

圖片

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拉擠工藝

拉擠成型技術(shù)是一種用于生產(chǎn)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(chǎn)。該技術(shù)優(yōu)化了纖維的強化功能。在經(jīng)典的拉擠過(guò)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(shù)因其高自動(dòng)化水平、較少的生產(chǎn)步驟以及較低的技術(shù)和環(huán)境影響，能夠生產(chǎn)出質(zhì)量更為穩定的產(chǎn)品，相較于其他制造工藝來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)勢。根據國際上的發(fā)展趨勢，生產(chǎn)大型、具有復雜截面和厚壁的產(chǎn)品正成為拉擠技術(shù)發(fā)展的方向，并且在眾多領(lǐng)域中扮演著(zhù)越來(lái)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(shù)是一個(gè)快速且連續的生產(chǎn)方法。在這個(gè)過(guò)程中，如圖所示的步驟、，增強性纖維（常見(jiàn)的如玻璃纖維）先是被展開(kāi)并通過(guò)紗架引入。接著(zhù)，這些纖維進(jìn)入到一個(gè)浸漬池中，其中它們被浸透樹(shù)脂。浸漬后的纖維隨即被引入到帶有加熱功能的模具中進(jìn)行加熱和固化。制件固化后，通過(guò)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(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節包括纖維的浸漬、固化以及拉出過(guò)程。對于具有復雜截面的產(chǎn)品，還需在進(jìn)模之前通過(guò)預成型裝置對纖維束進(jìn)行預形處理。纖維的浸漬方式主要有兩種：一種是經(jīng)過(guò)開(kāi)放式的浸漬槽進(jìn)行浸漬，纖維在穿過(guò)含有樹(shù)脂的槽時(shí)得到充分浸潤；另一種方式是將樹(shù)脂通過(guò)注射設備直接注入模具中以浸潤增強材料，這稱(chēng)為閉模注膠。拉擠工藝的優(yōu)點(diǎn)在于能夠實(shí)現高效的連續生產(chǎn)，與熱壓罐或模壓工藝相比，它具有更高的生產(chǎn)效率和更低的成本。

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多軸向經(jīng)編織物與拉擠工藝結合在軌道交通中的應用

近年來(lái)，我國軌道交通行業(yè)發(fā)展迅速，不僅在國內高速動(dòng)車(chē)組，同時(shí)實(shí)現了向多國出口我國高速鐵路與交通技術(shù)方案及整體車(chē)輛。隨著(zhù)我國高鐵技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對車(chē)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(yōu)勢，是軌道交通車(chē)輛車(chē)體輕量化的理想材料，目前碳纖維復合材料在軌道交通車(chē)輛上的應用開(kāi)始從內飾、車(chē)內設備等非承力零部件向車(chē)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(chē)車(chē)體等大型構件和結構發(fā)展，碳纖維復合材料用量占比正逐年增大。
中車(chē)青島四方機車(chē)車(chē)輛股份有限公司 2018 年發(fā)布了 CETROVO 新一代碳纖維地鐵（時(shí)速 80km/h）車(chē)輛，其車(chē)身采用全碳纖維復合材料制造，其中拉擠部件有車(chē)體肩部梁和底架側邊梁，如圖中所示，兩個(gè)拉擠制件的增強材料包含碳纖維紗線(xiàn)、單向經(jīng)編織物以及纖維氈等。
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圖 CFRP 車(chē)體的主要結構和碳纖維拉擠縱向梁示意圖及實(shí)物圖截面

連續單向纖維拉擠生產(chǎn)效率高，成本低，零件長(cháng)度只受生產(chǎn)空間限制，但結構復雜的大厚度制件采用紗線(xiàn)拉擠放卷紗架所占空間大，此外，連續纖維拉擠制件的力學(xué)性能方向性強，只要適用于主要承受軸向載荷的產(chǎn)品，如果產(chǎn)品承受其他方向載荷，連續纖維拉擠產(chǎn)品則顯得力不從心。碳纖維紗線(xiàn)拉擠樣板的制備將采用類(lèi)似的拉擠工藝，不同點(diǎn)是將浸漬槽由開(kāi)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(jīng)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(xiàn)拉擠平板測試樣件都按照 ISO 或 ASTM 標準進(jìn)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(gè)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(fā)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(fā)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(fā)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(tài)

測試結果顯示 HFC20-25K 紗線(xiàn)形變性能的 0°方向力學(xué)性能優(yōu)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(xiàn)拉擠在 90 度方向沒(méi)有連續纖維來(lái)承載，主要靠樹(shù)脂來(lái)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(xiàn)拉擠樣板的0°方向，主要是由于四軸向經(jīng)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(zhù)增加，主要是由于四軸向經(jīng)編織物在 90 度方向和±45°方向的纖維，顯著(zhù)提升了 90°方向性能。

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小結

隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步和環(huán)境保護意識的增強，碳纖維復合材料在軌道交通領(lǐng)域的應用將進(jìn)一步擴展。未來(lái)，我們可以預見(jiàn)到更加輕質(zhì)、高效、環(huán)保的碳纖維材料的開(kāi)發(fā)，這將大幅提升軌道交通工具的能效比和性能。多軸向經(jīng)編織物和拉擠技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和創(chuàng )新，將使碳纖維復合材料的生產(chǎn)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(zhù)對材料回收和再利用技術(shù)的研究深入，碳纖維復合材料的可持續性將得到顯著(zhù)提升，為軌道交通行業(yè)的可持續發(fā)展做出重要貢獻。





參考文獻：

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

此文由中國復合材料工業(yè)協(xié)會(huì )搜集整理編譯，部分數據來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )資料。文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請注明出處。


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