今天(9月10日),由我国自主研发的首批碳纤维重载铁路货车,在黑龙江齐齐哈尔进行最后的调试工作,即将下线。
据了解,传统铁路货车材质以钢材和铝合金为主,这次下线的铁路货车首次使用以碳纤维为主的新材料构成,具有自重降低、载重增加、容积增大等特性。
碳纤维:由丝束到板材的“神奇转变”
碳纤维被誉为“新材料之王”,其外形呈纤维状,柔软,可加工成各种织物,应用范围十分广泛。那么碳纤维到底经过了怎样的变化,才能够制备成为坚硬耐用的铁路货车板材呢?
科研人员告诉记者,由碳纤维作为原材料,制备成铁路货车的碳纤维复合板材,其中的关键环节之一,就是浸渍。科研人员通过对高分子树脂进行改性,使其机械性能和环境适应性获得显著提升。改性后的高分子树脂与碳纤维丝束通过浸渍工艺,形成碳纤维预浸料。
北京低碳清洁能源研究院先进材料研究中心副主任 董阳:现在我手里拿的这一块像布一样的材料,就是由一种特殊的树脂包裹后的碳纤维,经过铺贴和高温高压的固化,最后得到了这个板材,它的强度远远超过我们现在的金属材料。
记者又来到扫描电镜实验室,通过扫描电镜,对材料进行纳米尺度的拍照分析。
总台央视记者 古峻岭:这种碳纤维板材,实际上就是用这种碳纤维丝束制成的,由丝到板的过程中,有一个角色功不可没,那就是这种改良树脂。
屏幕上这些条状和点状的都是碳纤维丝。比如说这个点状的,每一个点都是一个碳纤维丝的横截面,它的直径只相当于一根头发丝的1/10。这些大片的空白区域,都填充了这种改性的树脂,它的黏稠度和它的流动性,直接决定了碳纤维板材的性能是否稳定。
通过扫描电镜拍摄的是碳纤维复合材料的微观结构,相当于给材料拍“X光”,在纳米尺度范围内,可以清晰看到头发丝1/1000尺度的大小,科研人员以此检查材料是否存在影响性能的“病灶”,为后续材料性能提升提供参考。
碳纤维板材的极限测试如何进行
为了测试碳纤维在铁路货车领域应用的安全性,记者与科研人员一起进行了一场碳纤维材料的“极限测试”。
总台央视记者 古峻岭:我手里这像头发丝一样的,就是碳纤维丝束。它可以代替钢铁等金属材质,来制造铁路货运列车的车体板材。究竟它有多厉害,让我们通过一组“极限测试”来感受一下。
喷枪火焰的温度,会达到1300摄氏度。
经过一段时间的燃烧之后,我们关掉喷枪,可以看到喷枪一挪开之后,碳纤维板的火焰立刻熄灭,说明它的阻燃性能还是非常好的。
这种碳纤维的铁路货车的车体板材,由于采用了特殊的结构设计,加上内部的填充物,使得它在水里也能够漂起来。
我们现在看到的这个容器,里面装的是液氮,它的温度是零下196摄氏度。任何东西放在这里边,一分钟就能把它冻透。现在把碳纤维板材从这个容器里拿出来,敲击一下试试,可以看到它的性状没有任何改变。
别小看这又轻又薄的一个板材,但是它的强度却是钢铁的5倍以上。可以看到经过重锤的暴击之后,它没有任何的变形和损伤。
在科研人员的帮助下,碳纤维复合材料车板通过了水、火、低温、强度等一系列测试,各项性能优良。