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复合材料在新型轻质刚柔路面装备上的应用

作者:李健时间:2017-04-27 09:05:58 来源: 阅读次数:1297次 ]

摘要本文简介了碳纤维环氧树脂复合材料加强杆在轻质人造路面中起到承重和扩张的关键作用。详细阐述了
碳纤维环氧树脂复合材料加强杆的设计指标、总体方案、系统组成、技术参数、关键技术，对质量、可靠性及标准
化的控制，以及工艺方案、设备选型等一系列方案进行科学设定、比较和确定的整个设计、研制过程。研制结果表
明：碳纤维环氧树脂复合材料加强杆力学性能完全达到预定指标。
关键词碳纤维复合材料；轻质人造路面；工艺设计；研制
中图分类号 U416 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2014）113-0185-03
The Development of Carbon Fiber
Stiffener’s Applicationin Light
Artificial Pavement
LI JIAN
NanJing Huayi Graphite Fiber Products Company
Abstract The key roles of weight-bearing and
expanding of carbon fiber reinforced plastics (CFRP)
compositestiffener in the artificial pavement application
are addressed. Specification for design， overall planning，
systemcompositions， technical parameters and key arts of
CFRP stiffener are described in detail. The key points in
thewhole program such as quality control， reliability，
standardization as well as the scientific criterions for
processesoptimization and equipment selection are also
introduced. By following these guidelines， the developed
CFRP stiffenerscompletely achieved the goals of design.
Keywords C F R P ; t h e l i g h t a r t i f i c i a l
pavement;technology design;development
0 引言
当前，我国在现代工程装备器材上，仍面临器材少、局限
性大等问题，就其当车辆面临沙滩、沙泥滩、浅软地等地基时，
更是缺少有效克服对车辆阻滞障碍的器材。
根据国内外该种装备技术状况的实际与需求，分析现有路
面的优缺点，我们利用高强聚酯工业长丝、E 纶长丝和芳纶纤
维混合编织；碳纤维、玻璃纤维与环氧树脂复合等工艺方式，
研制出一种新型轻质刚柔复合路面装备。该装备中，首次采用
复合材料制作的路面支撑杆，在路面体内缓解和分散受重压力、
防止路面变形移位、车轮下沉打滑等核心问题上，起到了至关
重要的作用。充分满足了利用人工搬运、空投、舟艇和车辆等
运输方式，同时满足可人工铺设、机械化作业、轻便灵活的设
计要求。
1 复合材料支撑杆设计指标
1）铺设方式：人工铺设和机械化作业；
2）整体路面承载受重：履带式 25 吨级，轮式 10 吨级；
3）适应条件：沙滩、沙泥滩、浅软地等地基，0.6m 水深
内，地基承载力≮ 8.9N/cm 2 ；
4）单条路面支撑杆总重量：≤ 45kg ；
5）整套作业可机械铺设：≥ 180m ；（因为每条路面两头
均可纵向对接，所以铺设总长度可根据实际需要调整）；
6）支撑杆长度：≥ 4m ；
7）支撑杆适应温度：-20℃ ~60 ℃ ；
8）支撑杆破坏弯曲半径 R ：350mm ；
9）支撑杆抗弯强度：≥ 1000Mpa ；
10）支撑杆耐腐蚀能力：耐酸、碱和耐海水。
2 轻质刚柔路面设计方案
碳纤维、硼纤维、凯夫拉纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维
是当今公认的 5 大增强纤维，就其综合性能而言，在制造纤维
增强复合材料中，碳纤维位于 5 大增强纤维之首，是近几十年
来发展成熟；且在多项高科技领域里广泛运用的一种新材料。
碳纤维复合材料同时拥有着：强度和模量高；耐疲劳性能强；
质量轻等其他材料无法替代的特性，尤其做为结构材料，复合
材料的优良特性能更得以充分体，现被世界许多国家广泛使用
在第四代战机、隐形战舰、航天飞机、火箭和大型客机。环氧
树脂是具耐腐蚀和力学性能都比较突出的热固性塑料材料。通
常以碳纤维纱和环氧树脂为基体制成复合材料。用这种方式制
成的轻质刚柔路面支撑杆具有：抗弯强度、刚性高和质轻等特
点，使路面体既能承载受重，防止变形移位和车轮下沉打滑，
又满足了人工搬运、空投、舟艇和车辆等运输方式。同时具备
人工铺设、机械化作业、轻便灵活的设计要求，还可以与其他
复合材料混合使用，使整个由支撑杆撑起的路面体具有良好的
缓冲、减震、抗履刺咬噬等破坏的能力。参照以往多次在实验
室模拟和现场试验数据，拟定了：三层叠加结构支撑杆和单根
矩形截面支撑杆两种结构进行性能测试与对比。
方案 1 ：多层叠加结构支撑杆
支撑杆根据承载需要，承载结构可以由 2 层或 2 层以上具
备韧性与刚层材料复合而成。本结构选用复合材料刚性层的宽
度为 26mm，厚度为 4mm，刚性层数为 3 层；韧性层复合材料厚
度为 5mm，柔性层数为单数。
方案 2 ：矩形截面支撑杆结构
矩形截面支撑杆是用单向连续碳纤维，以环氧树脂为基体，
经过环氧树脂浸渍后，再经过挤拉设备，在设定的模具温度和
运行速度下固化成型。矩形支撑杆截面采用：28（宽）×14（厚）
mm，柔韧层材料包覆在支撑杆外层。
包覆在支撑杆外的韧性层，可使用连续玻璃纤维毡增强聚
丙烯，或性能类似的热塑性工程塑料 [6]，可以克服履刺的咬
噬破坏。
刚性材料层，主要起支撑、承重的作用。即为碳纤维复合
材料支撑杆片。可以设想，在松软沙滩和泥泞环境路基条件下，延伸率约为 1.5%，单一截面结构极易造成形变破坏，利用多层
叠加结构，通过层间的滑动，可以有效降低叠加结构的层间剪
切力，从而相对的提高其变形能力，使路面具有更稳定的整体
抗沉降性。支撑杆外由塑胶材料包覆，除了可以克服履刺的咬
噬破坏外，在路面体缝制过程中，可使支撑杆在混合编织的路
面内腔里顺畅通过，提高生产效率与质量。
三两种支撑杆性能对比：
方案比较（见表 1），表中数据是上述各方案制成不同截面
的支撑杆，在跨距为 220mm 极端受力条件下，通过力学性能测
试取得的。经过在沙滩和沙泥松软实地通载试验考核，多层叠
加结构支撑杆既能通过轮式车辆也能通过履带式车辆，而矩形
加支撑杆变能力较差，通载轮式车辆时迅速且连锁发生折断破
坏。因此，我们采纳方案 1。
指标
对比
弯曲破
坏负荷
kg
弯曲
破坏
半径
mm
弯曲
破坏
延长
率 %
支
撑
性
抗履
刺破
坏
通载试验结果
方案 1 104 276 2.92
较
好
好
支撑杆损坏较少，
通载顺利
方案 2 748 866 1.86 好较好
在通载一定台次后，
发生破坏性连锁断裂
表 1 两种支撑杆性能比较
3 主要技术参数设定的说明
按照单片支撑杆重量 <2480g，结合表一测试数据，支撑杆
截面积设定约为 3.0cm 2 ；截面为多边形单根加强杆和多层叠加
结构方案方案。
载重 10 吨轮式制式车辆的车轮半径为 500mm，减去车辆底
盘附件距离地面最大高度，可通行的最大深度为 300mm。
在路面体内起着支撑、承载作用的复合材料支撑杆，其破
坏形式主要是由弯曲形变破坏，我们通过求取和比较弯曲半径
来设定多层叠加结构支撑杆厚度，实验结果显示，三层叠加结
构复合材料支撑杆承载后，车轮两侧变形距离为 350mm。计算
得出其弯曲半径 R2=(350)2-(R-300)2=354mm，远大于 276mm 的
计算破坏弯曲半径；同时，三层叠加结构复合材料支撑杆破坏
延伸率 2.92% ；大于方案 2 矩形截面支撑杆中 1.86% 的延伸率
测试值。因此设定三层叠加结构支撑杆完全符合设计理念；并
满足性能要求。
4 支撑杆中刚性与柔韧性性能的解决方案
与其他工程材料相比，碳纤维复合材料支撑杆具有突出的
力学强度和模量，但其延长率相对较低。作为路面体内支撑杆，
路面器材承受车辆通行的碾压，在动态负荷下的路面体，尤其
是复合材料支撑杆，必然发生一定弯曲形变。因此，怎样有效
合理兼顾刚性材料的柔韧性性能，合理提高支撑杆整体延伸率，
是设计制造支撑杆首要解决的问题，也是实验成功与否的关键。
我们利用多层多层叠加结构方式，通过层间的滑动，大大消除
了结构层间的剪切力，支撑杆和路面体结构的延伸率得到变相
地提高，使得车轮即使达到最大下陷深度，支撑杆也不会发生
因形变过大而被破坏。完全满足轻质刚柔路面的主要性能与指
标。
采用方案 1 生产，我们在多年复合材料生产中，对该类材
料的拉挤、搓卷和模压成型技术已熟练掌握，产品生产保障安
全、平稳、可靠，这次的多层叠加结构更具创新性。
5 质量与性能的控制
产品质是企业的生命，是企业永续经营的基石。在开始设
计初期，我们就严格按照 ISO9001:2008 国际质量体系的要求，
同时参照国军标、国部标和行业标准，对主辅材料的甄选测试、
设计方案的反复推敲、工艺流程多种配合、文件编制层级分类、
配套管理中的人员培训等各环节实施监控，确保项目的研制水
平、质量性能全面达到设计要求。
首先，在材料的甄选标准上，按照国际标准、国标、国军
标、部标和行业标准依次执行。碳纤维是主要用来制作刚性材
料，碳纤维纱的抗拉强度≥ 3200MPa。支撑杆外包覆柔性材质
为：热塑性连续玻璃纤维毡增强聚丙烯缓冲片，该产品密度低、
总量轻、比强度高、耐腐蚀、抗冲击；已被广泛用于汽车、舰
船、建筑等多个机械工程领域，质量稳定可靠。提供原料和产
品的生产厂家，不但需具有国际质量体系标准保证的企业，同
时我们又参照路面性能设计要求，逐一制定了更为细致严格的
检验和验收标准。
在技术参数与资料的选择使用上，明确图样细则；编号程
序；分类标准。采用我们已使用掌握且可控的生产技术与工艺，
可以充分提高产品的可靠性。特别是在抗弯强度上，给予了一
定的调整控制范围。
支撑杆作为轻质刚柔路面器材的一个主要部件，是由碳纤
维复合材料制成，一旦发生断裂，一般不可维修只可更换。
6 质量与可靠性的控制
支撑杆试制和生产中，需要制订详细的工艺方式；生产流
程和质量保证等详细标准，尤其对人员培训，要求全体员工掌
握相应的工作技能、职业道德，采用全方位监控，从而确保产
品质量和性能。
每当各种原料采购和入库时，需按厂家提供和我们特定的
标准，进行认真对比筛选和检验验收。对确需更换或替代的材
料，以及需变动的工艺设定参数，必须与设计、配套单位一起，
反复论证和比对，每一次变动都由专人作好记录，并留样保存。
工厂严格按照设计规定的工艺文件、工艺流程进行生产，
对于生产过程和产品质量做到：可操作、可控制、可追寻。
主要拉挤设备的性能测试，采用国标所规定的测试方法。
生产和测试设备，须经工厂、设备制造商和第三方相关专业机
构检定合格后方可使用。
7 工艺方案的确定
以碳纤维纱和环氧树脂为基体，一次性高温复合挤拉成型
所制成的复合材料支撑杆，涉及高分子化学、复合材料学、机
械设计等领域。制成碳纤维复合材料单片，再将数个单片与缓
冲材料固定叠加；捆扎打磨，组成一组完整的复合材料支撑杆。
单片支撑杆工艺流程为：导纱、配胶、浸渍、预热、预成型、
分段成型、拉伸牵引、检验、备用。参照《关重件、特种岗位
设制细则》及现场工艺要求，将浸渍配胶和加热成型为 2 个关
键工序。整束浸胶、牵引拉挤、切割打磨为 3 个重要特种岗位
和质量控制点。
同于复合材料拉挤成型的一般形式，碳纤维支撑杆单片是
在成型模具内经过分段加热固化成型的，要保证树脂充分反应；
使之完全固化成型，在模具温度设定时，一要避免分段加热区
域和过度区域温度设制不合理、不稳定，反应过速造成粘模死
机；或者反应不充分、固化不完全，造成碳纤维单片强度过低
等现象。二要控制调整好挤拉速度，使碳纤维纱束进入模腔后，
树脂充分反应正好在反应区域内完成。挤拉速度过快，会造成
反应不完全充分；产品强度低的现象；速度过慢又会造成卡模
死机。
复合材料挤拉成型时，我们一般将纱束、胶槽、模具分成
车体沉降一般较大，而碳纤维环氧树脂复合材料支撑杆的破坏

六个不同的温控区域：抽湿干燥区、保温区、预热区、加热区、
凝胶区、固化区。
抽湿干燥区、对碳纤维纱架区域一般控制在 20℃ ~40℃ ；
湿度保持在 40%~55%，湿度过大对产品成型有影响。
保温区：是对树脂胶槽根据不同环境温度予以温度调控，
保证树脂浸渍效果最充分完全。
预热区：根据不同季节，生产所在环境温度和湿度调整，
一般设定在 55℃ ~85℃范围内。起到减少纱束进入模具的温
度差；降低纱束表面树脂的粘度而加速浸渍；进入加热区入口
处，可将束间空气随多余树脂挤出。
1）加热阶段温度设定为：110℃ ±1℃，环氧树脂在该温
度下开始进入加速化学反应；
2）反应阶段温度设定为：135℃ ±3℃，环氧树脂凝胶化
反应在此阶段完成，并开始加速固化；
3）固化阶段温度设定为：120℃ ±5℃，环氧树脂得以充
分固化。
加强杆件是由 3 层碳纤维单片和 1 层缓冲片，叠加组合、
捆扎固定而成。碳纤维单片之间，有着很好的滑动性。当加强
杆受到外来压力时，可以通过单片之间滑动，有效地消除和降
低剪切破坏。这种具有层间滑动的结构，是通过对不同截面、
不同组合的碳纤维环氧树脂复合材料棒、管、片的大量受力试
验中选优而来的。不但体现了碳纤维环氧树脂复合材料质量轻、
强度高、耐腐蚀等特点，同时避免了碳纤维加强杆在外力作用
下的刚性破坏。
8 拉挤成型的设备选型
生产碳纤维复合材料片的设备，主要考虑在行业中已成熟
的技术。热处理台，长 900mm~1000mm，宽 400mm~560mm，内设
6 组 2kW 的加热电路板，用于环氧树脂在磨具里的固化成型。
加热台温控区域一般分成 3 个部分，每个区域的温度需稳定在
设定值 ±2℃范围内。投入生产之前，需对加热电路板、机械
运行机构进行全面的检验，确保设备运行能力满足碳纤维片的
生产技术要求。
浸胶槽。又称胶槽，是根据生产过程而专门量身定制的。
既满足碳纤维束能在树脂中充分浸渍，又能满足胶槽内树脂使
用完的时间，同时要考虑在特殊情况下，可不停机的便捷更换
与清洗，防止树脂在浸胶槽内沉积、凝胶而造成成型失败。
成型模具应在规定的使用周期内，经常检查保养，尤其注
意检查模具内腔磨损、损伤情况。测量截面尺寸是否在产品设
计允许范围内。
计量、检验器具应是检验合格产品，主要是：称重、长度、
宽度、平直度和直线度的计量。
9 结论
我们对碳纤维复合材料轻质人造路面经过多种地基承载和
车辆负载等条件设定，轮式和履带车辆做了大量混合通载试验，
掌握了设计要求；生产过程中，严格遵守各项工艺制度，遵循
细节决定成败的理念，不放过任何一点细小的变化与变动，使
碳纤维环氧树脂复合材料加强杆完全达到预定指标，加之其他
配套工厂的共同努力，轻质人造路面整体研制项目顺利通过鉴
定，并获得多项技术专利，荣获军队科技进步二等奖。我国工
程器材装备中首次使用如此大量的碳纤维复合材料，受到复合
材料领域人们的广泛关注，这种新装备器材的研制成功，填补
了我国在该领域的一项空白，它将在国防军事、抢险赈灾、车
辆自救等特定条件下发挥重要作用。
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