鐵路建設(shè)軌枕用高性能復(fù)合材料的制備與應(yīng)用研究

任澤

摘要：采用薄膜層疊模壓成型工藝制備鐵路建設(shè)軌枕用高性能碳纖維織物/聚碳酸酯復(fù)合材料，研究模壓溫度、模壓壓力和模壓時(shí)間對(duì)復(fù)合材料宏觀形貌、拉伸性能和沖擊性能的影響。結(jié)果表明，從碳纖維/聚碳酸脂復(fù)合材料的宏觀形貌上看，模壓溫度、模壓壓力和模壓時(shí)間分別應(yīng)該控制在245 ℃及以下、6 MPa及以下和10 min及以下;從碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料的力學(xué)性能上看，軌枕用高性能復(fù)合材料的最佳制備工藝：模壓溫度245℃、模壓壓力6 MPa、模壓時(shí)間10 min，復(fù)合材料的0°、45°拉伸強(qiáng)度分別為377、99 MPa，沖擊功為1.36 J。

關(guān)鍵詞：軌枕;復(fù)合材料;成型參數(shù);性能

中圖分類號(hào)：TQ320.662;TB332

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10015922（2022）06005504

Preparation and application of high performance composites for railway construction sleepers

REN Ze

（Xinjiang Railway Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Urumqi， 830011， China

）

Abstract：High performance carbon fiber fabric/polycarbonate composites for railway sleepers were prepared by film lamination molding process. The effects of molding temperature， molding pressure and molding time on the macro morphology， tensile properties and impact properties of the composites were studied. The results showed that from the macro morphology of carbon fiber/polycarbonate composites， the molding temperature should be controlled at 245 ℃ and below， the molding pressure should be controlled at 6 MPa and below， while the molding time should be controlled at 10 min and below. From the mechanical properties of carbon fiber/polycarbonate composites， the best preparation process of high-performance composites for sleepers was as follows： molding temperature 245 ℃， molding pressure 6 MPa， molding time 10 min， and 0 tensile strength and 45 tensile strength for the composite was 377 MPa and 99 MPa respectively， while the impact energy was 1.36 J.

Key words：sleeper; compound material; forming parameters; performance

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，貫穿中國(guó)全境的鐵路建設(shè)無(wú)論是在數(shù)量上還是在裝備水平上都處于世界前列。這不僅體現(xiàn)出了較高的鐵路裝備水平，也充分體現(xiàn)了相關(guān)配套材料的升級(jí)進(jìn)步[1]。以鐵路建設(shè)軌枕為例，由于軌枕不僅要支撐鋼軌，確保鋼軌的位置，又需要將鋼軌傳遞來(lái)的能量傳遞給道床，因此，軌枕不僅需要一定的強(qiáng)度，還需要具有足夠的彈性和柔韌性[2]。尤其是近年來(lái)鐵路運(yùn)輸速度不斷提高，給鐵路建設(shè)軌枕提出了更好的性能要求;碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料以其耐高溫、穩(wěn)定性好、剛度大且抗疲勞性能優(yōu)異等特點(diǎn)而成為現(xiàn)代化軌枕材質(zhì)的首選[3]。將聚碳酸酯與碳纖維復(fù)合制備而成的復(fù)合材料雖然具有較多的優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)用于軌枕的高性能復(fù)合材料開(kāi)發(fā)工藝還存在較多的尚未解決的技術(shù)難題[4]，如成型工藝及其工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料的宏觀形貌和力學(xué)性能的作用機(jī)理還不清楚[5-7]。本文采用薄膜層疊模壓成型工藝制備了鐵路建設(shè)軌枕用高性能碳纖維織物/聚碳酸酯復(fù)合材料，研究了模壓溫度、模壓壓力和模壓時(shí)間對(duì)復(fù)合材料宏觀形貌、拉伸性能和沖擊性能的影響，結(jié)果表明可為高性能軌枕用高性能碳纖維織物/聚碳酸酯復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1試驗(yàn)材料與方法

T700SC碳纖維（單絲根數(shù)12 000、密度1.79 g/cm、單絲直徑7 μm、抗拉強(qiáng)度4.89 GPa、斷后伸長(zhǎng)率2.1%、拉伸模量228 MPa）;樹(shù)脂基為聚碳酸脂（密度1 190 kg/m、抗拉強(qiáng)度66 MPa、拉伸模量2 517 MPa、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為154 ℃）。

采用薄膜層疊模壓成型工藝制備碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料，制備復(fù)合材料的過(guò)程中，需要預(yù)先將碳纖維和聚碳酸酯進(jìn)行裁剪，分別為16 0 mm長(zhǎng)（展寬20 mm）和200 mm×200 mm，然后將碳纖維進(jìn)行表面除漿處理（真空爐中進(jìn)行385 ℃/（2 h）的加熱）;接下來(lái)漿碳纖維編成平紋織物，并按照聚碳酸酯薄膜-碳纖維織物-聚碳酸酯薄膜的方式層疊，以便在平板硫化機(jī)上進(jìn)行熱壓成型[8]，成型參數(shù)如表1所示。

復(fù)合材料的宏觀形貌采用徠卡DM6M型顯微鏡進(jìn)行觀察圖;拉伸性能測(cè)試根據(jù)ASTM D3039標(biāo)準(zhǔn)在INSTRON 5566型萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行[9]，分別在碳纖維織物的0°和45°方向上取樣，取樣示意圖如圖1所示。拉伸速率為2 mm/min，結(jié)果為3組試樣的平均值;室溫沖擊性能測(cè)試的試樣加工成80 mm×80 mm，根據(jù)ASTM D7136標(biāo)準(zhǔn)在INSTRON 9250型落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行[10]。半球形沖頭直徑為12.7 mm，施加質(zhì)量為17.6 kg，接觸速度為1 m/s，結(jié)果為3組試樣的平均值。

2結(jié)果與分析

2.1宏觀形貌

2.1.1不同模壓溫度下復(fù)合材料的宏觀形貌

不同模壓溫度下復(fù)合材料的宏觀形貌，具體如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著模壓溫度從225 ℃上升至255 ℃，碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料的宏觀形貌都呈現(xiàn)出棋盤(pán)狀形態(tài)，碳纖維絲束較為緊湊，未出現(xiàn)明顯沖散的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)比分析可知，當(dāng)模壓溫度為255 ℃，碳纖維絲束的聚攏性相對(duì)其他溫度較差，局部還可見(jiàn)空隙的存在，這會(huì)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能帶來(lái)不利影響[11-13]。因此，碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料的模壓溫度應(yīng)該控制在245 ℃及以下。

2.1.2不同模壓壓力下復(fù)合材料的宏觀形貌

不同模壓壓力下復(fù)合材料的宏觀形貌，具體如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著模壓壓力從2 MPa上升至8 MPa，碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料的宏觀形貌也都呈現(xiàn)出棋盤(pán)狀形態(tài)，碳纖維絲束未出現(xiàn)明顯沖散的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)比分析可知，當(dāng)模壓壓力增加至8 MPa時(shí)，碳纖維絲束的聚攏性相對(duì)其他溫度較差，局部出現(xiàn)空隙。因此，碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料的模壓壓力應(yīng)該控制在6 MPa及以下。

2.1.3不同模壓時(shí)間下復(fù)合材料的宏觀形貌

不同模壓時(shí)間下復(fù)合材料的宏觀形貌，具體如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著模壓時(shí)間從7.5 min上升至11.5 min，碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料都呈現(xiàn)出棋盤(pán)狀形態(tài)，碳纖維絲束較為緊湊，未出現(xiàn)明顯沖散的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)比分析可知，當(dāng)模壓時(shí)間增加至11.5 min時(shí)，碳纖維絲束的聚攏性相對(duì)其他溫度較差，局部出現(xiàn)空隙。因此，碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料的模壓時(shí)間應(yīng)該控制在10 min及以下。

2.2力學(xué)性能

2.2.1模壓溫度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

模壓溫度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，隨著模壓溫度從225 ℃上升至255 ℃，復(fù)合材料的0? 拉伸強(qiáng)度和45 拉伸強(qiáng)度都表現(xiàn)為先增加后減小;在模壓溫度為245 ℃時(shí)取得最大值，此時(shí)0°、45°拉伸強(qiáng)度分別為377、99 MPa。通過(guò)對(duì)比分析相同模壓溫度下0°拉伸強(qiáng)度和45°拉伸強(qiáng)度可知，0°拉伸強(qiáng)度要明顯高于45°拉伸強(qiáng)度。從沖擊性能上看，隨著模壓溫度從225 ℃上升至255 ℃，復(fù)合材料的沖擊功表現(xiàn)為先增加后減小;在模壓溫度為245 ℃時(shí)取得最大值，1.36 J。總之，在其他模壓工藝參數(shù)不變的條件下，模壓溫度為245 ℃時(shí)復(fù)合材料具有最佳的力學(xué)性能，這主要與此時(shí)復(fù)合材料的成形性較好有關(guān)[14-16];而其他工藝下松散的結(jié)構(gòu)和空隙會(huì)在一定程度上影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。

2.2.2模壓壓力對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

模壓壓力對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果如表3所示。

由表3可見(jiàn)，隨著模壓壓力從2 MPa上升至8 MPa，復(fù)合材料的0°、45°拉伸強(qiáng)度都表現(xiàn)為先增加后減小;在模壓壓力為6 MPa時(shí)取得最大值，此時(shí)0°、45°拉伸強(qiáng)度分別為377、99 MPa。通過(guò)對(duì)比分析相同模壓溫度下0°、45？拉伸強(qiáng)度可知，0°拉伸強(qiáng)度要明顯高于45°拉伸強(qiáng)度。從沖擊性能上看，隨著模壓壓力從2 MPa上升至8 MPa，復(fù)合材料的沖擊功表現(xiàn)為先增加后減小;在模壓壓力為6 MPa時(shí)取得最大值1.36 J?？傊谄渌汗に噮?shù)不變的條件下，模壓溫度為6 MPa時(shí)復(fù)合材料具有最佳的力學(xué)性能。

2.2.3模壓時(shí)間對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

模壓時(shí)間對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果如表4所示。

由表4可見(jiàn)，隨著模壓時(shí)間從7 min上升至11.5 min，復(fù)合材料的0°拉伸強(qiáng)度和45°拉伸強(qiáng)度都表現(xiàn)為先增加后減小;在模壓時(shí)間為10 min時(shí)取得最大值，此時(shí)0°、45°拉伸強(qiáng)度分別為377、99 MPa。通過(guò)對(duì)比分析相同模壓溫度下0°拉伸強(qiáng)度和45°拉伸強(qiáng)度可知，0°拉伸強(qiáng)度要明顯高于45°拉伸強(qiáng)度。從沖擊性能上看，隨著模壓時(shí)間從7 min上升至11.5 min，復(fù)合材料的沖擊功表現(xiàn)為先增加后減小;在模壓時(shí)間為10 min時(shí)取得最大值1.36 J。[JP]總之，在其他模壓工藝參數(shù)不變的條件下，模壓時(shí)間為10 min時(shí)復(fù)合材料具有最佳的力學(xué)性能。

3結(jié)語(yǔ)

（1）從碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料的宏觀形貌上看，模壓溫度應(yīng)該控制在245 ℃及以下，模壓壓力應(yīng)該控制在6 MPa及以下，模壓時(shí)間應(yīng)該控制在10 min及以下;

（2）從碳纖維/聚碳酸酯復(fù)合材料的力學(xué)性能上看，隨著模壓溫度從225 ℃上升至255 ℃，復(fù)合材料的0°拉伸強(qiáng)度和45°拉伸強(qiáng)度都表現(xiàn)為先增加后減小;在模壓溫度為245 ℃時(shí)取得最大值，此時(shí)0°、45°拉伸強(qiáng)度分別為377、99 MPa;隨著模壓壓力從2 MPa上升至8 MPa，復(fù)合材料的0°、45°拉伸強(qiáng)度都表現(xiàn)為先增加后減小，在模壓壓力為6 MPa時(shí)取得最大值;隨著模壓時(shí)間從7 min上升至11.5 min，復(fù)合材料的0°、45°拉伸強(qiáng)度都表現(xiàn)為先增加后減小，在模壓時(shí)間為10 min時(shí)取得最大值。

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