據(jù)了解,傳統(tǒng)鐵路貨車材質(zhì)以鋼材和鋁合金為主,這次下線的鐵路貨車首次使用以碳纖維為主的新材料構(gòu)成,具有自重降低、載重增加、容積增大等特性。
碳纖維:由絲束到板材的“神奇轉(zhuǎn)變”
碳纖維被譽(yù)為“新材料之王”,其外形呈纖維狀,柔軟,可加工成各種織物,應(yīng)用范圍十分廣泛。那么碳纖維到底經(jīng)過(guò)了怎樣的變化,才能夠制備成為堅(jiān)硬耐用的鐵路貨車板材呢?
科研人員告訴記者,由碳纖維作為原材料,制備成鐵路貨車的碳纖維復(fù)合板材,其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,就是浸漬??蒲腥藛T通過(guò)對(duì)高分子樹(shù)脂進(jìn)行改性,使其機(jī)械性能和環(huán)境適應(yīng)性獲得顯著提升。改性后的高分子樹(shù)脂與碳纖維絲束通過(guò)浸漬工藝,形成碳纖維預(yù)浸料。
北京低碳清潔能源研究院先進(jìn)材料研究中心副主任 董陽(yáng):現(xiàn)在我手里拿的這一塊像布一樣的材料,就是由一種特殊的樹(shù)脂包裹后的碳纖維,經(jīng)過(guò)鋪貼和高溫高壓的固化,最后得到了這個(gè)板材,它的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)我們現(xiàn)在的金屬材料。
記者又來(lái)到掃描電鏡實(shí)驗(yàn)室,通過(guò)掃描電鏡,對(duì)材料進(jìn)行納米尺度的拍照分析。
總臺(tái)央視記者 古峻嶺:這種碳纖維板材,實(shí)際上就是用這種碳纖維絲束制成的,由絲到板的過(guò)程中,有一個(gè)角色功不可沒(méi),那就是這種改良樹(shù)脂。
屏幕上這些條狀和點(diǎn)狀的都是碳纖維絲。比如說(shuō)這個(gè)點(diǎn)狀的,每一個(gè)點(diǎn)都是一個(gè)碳纖維絲的橫截面,它的直徑只相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的1/10。這些大片的空白區(qū)域,都填充了這種改性的樹(shù)脂,它的黏稠度和它的流動(dòng)性,直接決定了碳纖維板材的性能是否穩(wěn)定。
通過(guò)掃描電鏡拍攝的是碳纖維復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu),相當(dāng)于給材料拍“X光”,在納米尺度范圍內(nèi),可以清晰看到頭發(fā)絲1/1000尺度的大小,科研人員以此檢查材料是否存在影響性能的“病灶”,為后續(xù)材料性能提升提供參考。
碳纖維板材的極限測(cè)試如何進(jìn)行
為了測(cè)試碳纖維在鐵路貨車領(lǐng)域應(yīng)用的安全性,記者與科研人員一起進(jìn)行了一場(chǎng)碳纖維材料的“極限測(cè)試”。
總臺(tái)央視記者 古峻嶺:我手里這像頭發(fā)絲一樣的,就是碳纖維絲束。它可以代替鋼鐵等金屬材質(zhì),來(lái)制造鐵路貨運(yùn)列車的車體板材。究竟它有多厲害,讓我們通過(guò)一組“極限測(cè)試”來(lái)感受一下。
噴槍火焰的溫度,會(huì)達(dá)到1300攝氏度。
經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的燃燒之后,我們關(guān)掉噴槍,可以看到噴槍一挪開(kāi)之后,碳纖維板的火焰立刻熄滅,說(shuō)明它的阻燃性能還是非常好的。
這種碳纖維的鐵路貨車的車體板材,由于采用了特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),加上內(nèi)部的填充物,使得它在水里也能夠漂起來(lái)。
我們現(xiàn)在看到的這個(gè)容器,里面裝的是液氮,它的溫度是零下196攝氏度。任何東西放在這里邊,一分鐘就能把它凍透?,F(xiàn)在把碳纖維板材從這個(gè)容器里拿出來(lái),敲擊一下試試,可以看到它的性狀沒(méi)有任何改變。
別小看這又輕又薄的一個(gè)板材,但是它的強(qiáng)度卻是鋼鐵的5倍以上。可以看到經(jīng)過(guò)重錘的暴擊之后,它沒(méi)有任何的變形和損傷。
在科研人員的幫助下,碳纖維復(fù)合材料車板通過(guò)了水、火、低溫、強(qiáng)度等一系列測(cè)試,各項(xiàng)性能優(yōu)良。