基于以石墨烯為基礎(chǔ)的碳納米纖維層狀復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)在軌道交通車輛車體中的應(yīng)用可行性研究

林浩陽

摘要：對以石墨烯為基礎(chǔ)的碳納米纖維增強(qiáng)復(fù)合材料做實(shí)驗(yàn)研究，提出了碳纖維復(fù)合材料在軌道交通車輛車體的應(yīng)用的可行性。介紹了全球軌道交通車輛輕量化技術(shù)的必要性。對碳納米纖維層狀復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了增韌性實(shí)驗(yàn)和掃描電子顯微鏡法實(shí)驗(yàn)，對該復(fù)合材料的增韌效果及顯微鏡結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，證實(shí)了以石墨烯為基礎(chǔ)的碳納米纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在車體承載結(jié)構(gòu)應(yīng)用的可行性。對持續(xù)發(fā)展納米碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)及軌道交通車輛車體輕量化應(yīng)用提出了初步實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：軌道交通車輛；車體；輕量化；碳納米纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；石墨烯；斷裂韌性

The Application of Carbon Nanofiller Based Interleave for Toughening the Laminate Composites to Rail Transit Vehicle Carbody

Haoyang Lin

Authors Address Guangzhou Metro Design and Research Institute Co.，Ltd，510000，Guangzhou，China

Abstract According to the experiments of Graphene nanofiller based interleave for toughening the laminate composites，the possibility of application on carbon fiber reinforced composites to rail transit vehicle carbody is pointed out. The necessary of lightweight carbody is also introduced. The experiments result and analysis of fracture toughness test and scanning electron microscopy test for carbon nanofiller based interleave for toughening the laminate composites shows that Graphene based interleave composites is a potential material to be used on carbody structure. This experiment proves its initial and basic theory to develop Graphene carbon nanofiller on rail transit carbody.

Key words：rail transit vehicle；carbody；lightweight；carbon nanofiller fiber reinforced composites；Graphene；fracture toughness

隨著中國軌道交通車輛制造業(yè)的高速發(fā)展，軌道交通車輛制造技術(shù)亦不斷提升。技術(shù)的提高使軌道交通行業(yè)對車輛的安全性、舒適性、綠色環(huán)保、節(jié)能減排、載客能力及行駛速度等各方面提出了更高的要求。車體結(jié)構(gòu)作為車輛的重要部件，其剛度、強(qiáng)度、疲勞壽命及耐腐蝕性等參數(shù)直接影響車輛的安全性。據(jù)數(shù)據(jù)表明[1]，車體質(zhì)量占整車質(zhì)量的25%-35%，車體輕量化技術(shù)的提高是提高車輛舒適性、運(yùn)輸能力、運(yùn)行速度、節(jié)能減排的有效方法。

1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在軌道交通車輛的應(yīng)用

目前，軌道交通車輛車體材料主要采用鋁合金、不銹鋼和碳鋼。鋁合金車體應(yīng)力腐蝕性差，疲勞強(qiáng)度低；不銹鋼車體密封性差；碳鋼車體易腐蝕，材料較重，不符合輕量化要求。在傳統(tǒng)金屬材料應(yīng)用上，對于提高車體輕量化的技術(shù)相對困難。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為新型材料得到廣泛關(guān)注。碳纖維復(fù)合材料在中國軌道交通車輛的應(yīng)用不乏案例，其中在車輛前端車罩的應(yīng)用，取代了由玻璃鋼樹脂制成的傳統(tǒng)的機(jī)車前端車罩，質(zhì)量僅為傳統(tǒng)材料的2/3，降低了機(jī)車運(yùn)行的能耗。在車體上的運(yùn)用主要集中在上部結(jié)構(gòu)，取代由冷彎型鋼制成的傳統(tǒng)的車頂材料。由于車頂往往布置較多如空調(diào)、蓄電池等設(shè)備，剛度不足，振動大，容易損傷結(jié)構(gòu)。碳纖維材料較好的彌補(bǔ)了強(qiáng)度、剛度的要求。

隨著碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的技術(shù)與應(yīng)用不斷成熟，其中石墨烯作為一種新型納米碳材料也得到了大量的關(guān)注。有數(shù)據(jù)顯示，在環(huán)氧樹脂中增加1%重量比的石墨烯可增強(qiáng)22%應(yīng)力強(qiáng)度的和18%彈性模量。因此，石墨烯是一種優(yōu)良的制作碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的原料。本研究將對石墨烯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究其對纖維復(fù)合材料的增韌性，主要實(shí)驗(yàn)包括強(qiáng)度試驗(yàn)及其在掃描電子顯微鏡下的應(yīng)力斷裂面分析。

2 石墨烯碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的一型層間斷裂韌性實(shí)驗(yàn)

為了得到更好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)樣品的長度是決定碳纖維復(fù)合材料韌性的重要參數(shù)[2]。斷裂韌性的實(shí)驗(yàn)主要有三個不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鸭y張開型斷裂韌性、面內(nèi)剪切型斷裂韌性和面外剪切型斷裂韌性。本文將對其中的裂紋張開型斷裂韌性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其他兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)將在后續(xù)研究中進(jìn)行。

裂紋張開型斷裂韌性是利用拉應(yīng)力應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)樣品的一端進(jìn)行拉伸，從而產(chǎn)生裂紋。本文將主要研究三種不同實(shí)驗(yàn)樣品的I型斷裂韌性。

第一種樣本采用重量比為15：5的聚醚砜和石墨烯的環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料，第二種復(fù)合材料采用與第一種材料同樣重量的聚醚砜，不含碳材料的環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料，第三種樣本采用等量的環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料，作為對照樣本。實(shí)驗(yàn)采用雙懸臂梁試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對三種樣本進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行增韌性計(jì)算。實(shí)驗(yàn)后，利用掃描電子顯微鏡法對斷裂面進(jìn)行掃描研究，利用斷裂面對樣本增韌性進(jìn)行直觀分析。

根據(jù)ASTM-5528-01標(biāo)準(zhǔn)[3]，假定I型斷裂韌性的計(jì)算是線性彈性行為，這種假設(shè)是合理的，因?yàn)榕c實(shí)驗(yàn)樣本的厚度相比，非線性變形的尺寸相對較小。此外，根據(jù)提供的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)是通過緩慢穩(wěn)定的延伸而產(chǎn)生裂紋。層間斷裂韌性的計(jì)算方法有三種：一是修正梁理論，二是柔度標(biāo)定方法，三是修正柔度標(biāo)定方法。這三種方法的計(jì)算誤差均不超過3.1%，可用于斷裂韌性的計(jì)算。為了進(jìn)一步討論，ASTM建議采用修正梁計(jì)算方法。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)圖3和圖4數(shù)據(jù)顯示，未增加石墨烯及聚醚砜的環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料的斷裂韌性平均值為0.494KJ/m2，數(shù)據(jù)在0.5 KJ/m2上下波動，穩(wěn)定性較好。此數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)對照樣本，與其余兩種復(fù)合材料進(jìn)行增韌性對比。含有聚醚砜的環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料的斷裂韌性平均值為0.61 KJ/m2，數(shù)據(jù)波動較大，此數(shù)據(jù)列為第二樣本，相比對照樣本，增加23.5%的韌性。含有石墨烯及聚醚砜的環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料的斷裂韌性平均值為0.93 KJ/m2，對比對照樣本及第二樣本分別提高88%和52.4%的斷裂韌性，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性良好，最低值達(dá)0.89 KJ/m2。

（a、b）對照樣本（c、d）聚醚砜環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料

（e、f）石墨烯及聚醚砜環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料

圖5（a、b）顯示了控制樣本的斷裂表面的掃描電子顯微鏡圖像，該樣本的碳纖維和環(huán)氧樹脂之間能很好的脫膠，而且其粘合性很差。圖5（c、d）顯示了由于粗糙表面和連續(xù)的聚醚砜物相導(dǎo)致的較大的基體變形。聚醚砜通過夾層與環(huán)氧樹脂粘合并發(fā)生物相分離。一般來說，聚醚砜填料會產(chǎn)生若干個球狀微粒，并被環(huán)氧樹脂環(huán)繞包圍。然而，在這種情況下，由于聚醚砜產(chǎn)生了泡沫結(jié)構(gòu)，及其體積含量高于環(huán)氧樹脂，這導(dǎo)致了反相分離，使環(huán)氧樹脂變成球狀微粒并分布在聚醚砜的多孔結(jié)構(gòu)中。圖5（e、f）中，樣本斷裂產(chǎn)生較粗糙的斷面。該粗糙斷面和石墨烯的隨機(jī)取向性導(dǎo)致較大的基體變形和裂紋偏轉(zhuǎn)。這些微小組織提高了I型斷裂韌性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及后續(xù)應(yīng)用思考

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，以石墨烯作為增韌性材料應(yīng)用在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是可行的。石墨烯的增加，提高了88%的增韌效果。從顯微鏡下觀察的斷裂表面顯示，在微觀角度下，石墨烯增加了材料的內(nèi)部粗糙程度，簡單地理解，即提高了材料分子間的摩擦力，從而提高材料整體的斷裂韌性。

本次實(shí)驗(yàn)尚未對樣品進(jìn)行II型及III型斷裂韌性實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)僅能對石墨烯碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行I型斷裂韌性的分析。后續(xù)的研究中，將對II、III型斷裂韌性進(jìn)行進(jìn)一步研究分析。

目前，中國在碳纖維復(fù)合材料及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展距離世界先進(jìn)水平存在一定差距。國內(nèi)應(yīng)加大相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，更新技術(shù)水平。在軌道交通車輛的應(yīng)用方面，應(yīng)加大對相關(guān)材料的實(shí)驗(yàn)研究，通過實(shí)踐，研究出在車輛輕量化的技術(shù)上有所突破的材料選用。

5 結(jié)語

本次論文及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，目的是為了介紹及推廣軌道交通車輛輕量化的需求。傳統(tǒng)材料的采用對車輛輕量化的需求力不從心之際，隨著新技術(shù)、新材料的日新月異，碳纖維復(fù)合材料的試驗(yàn)及未來成功的研制將為軌道交通車輛帶來又一次的重大變革。

參考文獻(xiàn)

[1] 周偉旭，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在軌道交通車輛車體中的應(yīng)用于思考[J]. 城市軌道交通研究 2018.12.003

[2] Arai，M.，et al.，2008，‘Mode I and mode II interlaminar fracture toughness of CFRP laminates toughened by carbon nanofiber interlayer. Composites Science and Technology，2008. 68（2）：p. 516-525

[3] Astm，D.，5528–01.Standard Test Method for Mode I Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Composites.

（作者單位：廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院）