基于以石墨烯为基础的碳纳米纤维层状复合材料实验在轨道交通车辆车体中的应用可行性研究

林浩阳

摘要：对以石墨烯为基础的碳纳米纤维增强复合材料做实验研究，提出了碳纤维复合材料在轨道交通车辆车体的应用的可行性。介绍了全球轨道交通车辆轻量化技术的必要性。对碳纳米纤维层状复合材料实验进行了增韧性实验和扫描电子显微镜法实验，对该复合材料的增韧效果及显微镜结果进行数据分析，证实了以石墨烯为基础的碳纳米纤维增强复合材料在车体承载结构应用的可行性。对持续发展纳米碳纤维增强复合材料技术及轨道交通车辆车体轻量化应用提出了初步实验依据。

关键词：轨道交通车辆；车体；轻量化；碳纳米纤维增强复合材料；石墨烯；断裂韧性

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

隨着中国轨道交通车辆制造业的高速发展，轨道交通车辆制造技术亦不断提升。技术的提高使轨道交通行业对车辆的安全性、舒适性、绿色环保、节能减排、载客能力及行驶速度等各方面提出了更高的要求。车体结构作为车辆的重要部件，其刚度、强度、疲劳寿命及耐腐蚀性等参数直接影响车辆的安全性。据数据表明[1]，车体质量占整车质量的25%-35%，车体轻量化技术的提高是提高车辆舒适性、运输能力、运行速度、节能减排的有效方法。

1 碳纤维增强复合材料在轨道交通车辆的应用

目前，轨道交通车辆车体材料主要采用铝合金、不锈钢和碳钢。铝合金车体应力腐蚀性差，疲劳强度低；不锈钢车体密封性差；碳钢车体易腐蚀，材料较重，不符合轻量化要求。在传统金属材料应用上，对于提高车体轻量化的技术相对困难。碳纤维增强复合材料作为新型材料得到广泛关注。碳纤维复合材料在中国轨道交通车辆的应用不乏案例，其中在车辆前端车罩的应用，取代了由玻璃钢树脂制成的传统的机车前端车罩，质量仅为传统材料的2/3，降低了机车运行的能耗。在车体上的运用主要集中在上部结构，取代由冷弯型钢制成的传统的车顶材料。由于车顶往往布置较多如空调、蓄电池等设备，刚度不足，振动大，容易损伤结构。碳纤维材料较好的弥补了强度、刚度的要求。

随着碳纤维增强复合材料的技术与应用不断成熟，其中石墨烯作为一种新型纳米碳材料也得到了大量的关注。有数据显示，在环氧树脂中增加1%重量比的石墨烯可增强22%应力强度的和18%弹性模量。因此，石墨烯是一种优良的制作碳纤维增强复合材料的原料。本研究将对石墨烯进行实验，研究其对纤维复合材料的增韧性，主要实验包括强度试验及其在扫描电子显微镜下的应力断裂面分析。

2 石墨烯碳纤维增强复合材料的一型层间断裂韧性实验

为了得到更好的实验数据，实验样品的长度是决定碳纤维复合材料韧性的重要参数[2]。断裂韧性的实验主要有三个不同的实验模型，包括裂纹张开型断裂韧性、面内剪切型断裂韧性和面外剪切型断裂韧性。本文将对其中的裂纹张开型断裂韧性进行实验。其他两项实验将在后续研究中进行。

裂纹张开型断裂韧性是利用拉应力应用在实验样品的一端进行拉伸，从而产生裂纹。本文将主要研究三种不同实验样品的I型断裂韧性。

第一种样本采用重量比为15：5的聚醚砜和石墨烯的环氧树脂碳纤维复合材料，第二种复合材料采用与第一种材料同样重量的聚醚砜，不含碳材料的环氧树脂碳纤维复合材料，第三种样本采用等量的环氧树脂碳纤维复合材料，作为对照样本。实验采用双悬臂梁试验标准对三种样本进行多次重复实验，并进行增韧性计算。实验后，利用扫描电子显微镜法对断裂面进行扫描研究，利用断裂面对样本增韧性进行直观分析。

根据ASTM-5528-01标准[3]，假定I型断裂韧性的计算是线性弹性行为，这种假设是合理的，因为与实验样本的厚度相比，非线性变形的尺寸相对较小。此外，根据提供的标准，实验是通过缓慢稳定的延伸而产生裂纹。层间断裂韧性的计算方法有三种：一是修正梁理论，二是柔度标定方法，三是修正柔度标定方法。这三种方法的计算误差均不超过3.1%，可用于断裂韧性的计算。为了进一步讨论，ASTM建议采用修正梁计算方法。

3 实验结果及分析

根据图3和图4数据显示，未增加石墨烯及聚醚砜的环氧树脂碳纤维复合材料的断裂韧性平均值为0.494KJ/m2，数据在0.5 KJ/m2上下波动，稳定性较好。此数据作为基础对照样本，與其余两种复合材料进行增韧性对比。含有聚醚砜的环氧树脂碳纤维复合材料的断裂韧性平均值为0.61 KJ/m2，数据波动较大，此数据列为第二样本，相比对照样本，增加23.5%的韧性。含有石墨烯及聚醚砜的环氧树脂碳纤维复合材料的断裂韧性平均值为0.93 KJ/m2，对比对照样本及第二样本分别提高88%和52.4%的断裂韧性，数据稳定性良好，最低值达0.89 KJ/m2。

（a、b）对照样本（c、d）聚醚砜环氧树脂碳纤维复合材料

（e、f）石墨烯及聚醚砜环氧树脂碳纤维复合材料

图5（a、b）显示了控制样本的断裂表面的扫描电子显微镜图像，该样本的碳纤维和环氧树脂之间能很好的脱胶，而且其粘合性很差。图5（c、d）显示了由于粗糙表面和连续的聚醚砜物相导致的较大的基体变形。聚醚砜通过夹层与环氧树脂粘合并发生物相分离。一般来说，聚醚砜填料会产生若干个球状微粒，并被环氧树脂环绕包围。然而，在这种情况下，由于聚醚砜产生了泡沫结构，及其体积含量高于环氧树脂，这导致了反相分离，使环氧树脂变成球状微粒并分布在聚醚砜的多孔结构中。图5（e、f）中，样本断裂产生较粗糙的断面。该粗糙断面和石墨烯的随机取向性导致较大的基体变形和裂纹偏转。这些微小组织提高了I型断裂韧性。

4 实验结论及后续应用思考

实验数据表明，以石墨烯作为增韧性材料应用在碳纤维增强复合材料是可行的。石墨烯的增加，提高了88%的增韧效果。从显微镜下观察的断裂表面显示，在微观角度下，石墨烯增加了材料的内部粗糙程度，简单地理解，即提高了材料分子间的摩擦力，从而提高材料整体的断裂韧性。

本次实验尚未对样品进行II型及III型断裂韧性实验，此实验仅能对石墨烯碳纤维复合材料进行I型断裂韧性的分析。后续的研究中，将对II、III型断裂韧性进行进一步研究分析。

目前，中国在碳纤维复合材料及相关产业的发展距离世界先进水平存在一定差距。国内应加大相关技术、产业的发展，更新技术水平。在轨道交通车辆的应用方面，应加大对相关材料的实验研究，通过实践，研究出在车辆轻量化的技术上有所突破的材料选用。

5 结语

本次论文及实验结果，目的是为了介绍及推广轨道交通车辆轻量化的需求。传统材料的采用对车辆轻量化的需求力不从心之际，随着新技术、新材料的日新月异，碳纤维复合材料的试验及未来成功的研制将为轨道交通车辆带来又一次的重大变革。

参考文献

[1] 周伟旭，碳纤维增强树脂基复合材料在轨道交通车辆车体中的应用于思考[J]. 城市轨道交通研究 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.

（作者单位：广州地铁设计研究院）