本發(fā)明屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種碳纖維樹脂復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

復(fù)合材料廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道車輛的輕量化設(shè)計(jì)，廣泛應(yīng)用于軌道交通的各個(gè)方面；阿爾斯通的LRVCitidas列車，其前端樹脂灌注成型；DIAB公司利用玻璃纖維復(fù)合材料制作雙層列車的駕駛室；ACS(AIREX)公司提供給上海磁懸浮列車的駕駛室是世界上最大的單件纖維增強(qiáng)車頭；芬蘭FibrecomOy公司利用蜂窩和泡沫芯材開發(fā)了一種通道式復(fù)合材料技術(shù)，應(yīng)用與軌道車輛設(shè)計(jì)；韓國(guó)Hanvit200特快列車擁有一個(gè)23m長(zhǎng)的車身殼體，也是第一輛采用碳纖維復(fù)合材料殼體的列車，其重量較鋁制殼體減輕了40％；ACS公司也開始涉足復(fù)合材料車身殼體，生產(chǎn)一種彎曲的輕質(zhì)夾芯車板；龐巴迪公司生產(chǎn)了一種輕質(zhì)混合結(jié)構(gòu)的Talent列車，車身為復(fù)合材料；印度軌道交通使用復(fù)合材料設(shè)計(jì)齒輪箱，復(fù)合材料的設(shè)計(jì)使齒輪箱減重50％；TVG高速列車，采用了碳纖維復(fù)合材料對(duì)車體進(jìn)行設(shè)計(jì)，將車體重量減輕25％；德國(guó)研發(fā)了世界上第一款纖維復(fù)合材料的轉(zhuǎn)向架。到目前為止全復(fù)合材料車體還沒有文獻(xiàn)可查，國(guó)內(nèi)軌道交通車輛車體結(jié)構(gòu)以金屬材料設(shè)計(jì)為主；國(guó)內(nèi)開展的碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛上的應(yīng)用研究，但目前側(cè)重點(diǎn)在某些部件的替換上，沒有整體碳纖維車體的研發(fā)。韓國(guó)鐵道科學(xué)研究院(KRRI)著手研制的運(yùn)營(yíng)速度為180km/h的TTX擺式列車。該車車體采用不銹鋼增強(qiáng)骨架，側(cè)墻體和頂蓋采用鋁蜂窩夾芯，蒙皮采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)。為便于安裝輔助設(shè)備，底架采用不銹鋼材料。車體外殼總質(zhì)量可比鋁合金結(jié)構(gòu)降低40％，較傳統(tǒng)的不銹鋼車體結(jié)構(gòu)降低28％。車體的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、防火安全性、模態(tài)特性等各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)車體截面剛度的計(jì)算現(xiàn)階段最成熟的還是傳統(tǒng)不銹鋼材料或者鋁合金材料，由于傳統(tǒng)材料都是各項(xiàng)同性材料，截面剛度至于蒙皮厚度有關(guān)，利用材料力學(xué)的截面剛度計(jì)算方法可以很快速的校核車體的截面剛度。隨著列車提速，列車用材料和制作工藝與傳統(tǒng)的材料工藝有著很大的差別，為了滿足車體的輕量化設(shè)計(jì)，車體必須具有性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，舒適度高，耐腐蝕性好，防火性能優(yōu)異等特點(diǎn)。整備車的重量分配比例如下：車身重量占36％，其次是車載設(shè)備，約占29％，然后是內(nèi)部裝飾占16％。車載設(shè)備一般沒有多少減重空間，于是，輕量化的重點(diǎn)主要是在車身車體，而車身車體主要部分是蒙皮結(jié)構(gòu)，隨著技術(shù)手段的不斷完善，制造技術(shù)的日趨成熟，經(jīng)過幾十年的國(guó)內(nèi)外的研究與發(fā)展，傳統(tǒng)材料的性能被充分挖掘，現(xiàn)階段無(wú)論是不銹鋼車體還是鋁合金的設(shè)計(jì)都已經(jīng)達(dá)到了極限，再通過改善技術(shù)和投入研究力度對(duì)改善傳統(tǒng)材料的力學(xué)性能顯得得不償失！而復(fù)合材料因其優(yōu)異的特性而受到各領(lǐng)域重視。當(dāng)前的國(guó)外內(nèi)的車體僅是在部分結(jié)構(gòu)上替換成復(fù)合材料，車體蒙皮內(nèi)部的加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)還是采用的不銹鋼等傳統(tǒng)材料，所以復(fù)合材料車體蒙皮的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法在車體輕量化方面還不夠明顯，與傳統(tǒng)的不銹鋼與鋁合金車體相比并未顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)，其次現(xiàn)階段的復(fù)合材料采用的樹脂體系大部分是環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂本身的防火性能，熱穩(wěn)定性差問題也是尚未很好解決的問題。而針對(duì)復(fù)合材料的蒙皮結(jié)構(gòu)截面剛度計(jì)算不再僅僅與厚度有關(guān)。

綜上所述，現(xiàn)階段復(fù)合材料車體的減重不明顯、防火性能差和熱穩(wěn)定性差；傳統(tǒng)材料的車體的截面剛度方法不再適用復(fù)合材料蒙皮截面剛度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種碳纖維樹脂復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，旨在解決現(xiàn)階段復(fù)合材料車體的減重不明顯、防火性能差和熱穩(wěn)定性差；傳統(tǒng)材料的車體的截面剛度方法不再適用復(fù)合材料蒙皮截面剛度的問題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種碳纖維樹脂復(fù)合材料，所述碳纖維樹脂復(fù)合材料由樹脂和碳纖維組成；按照質(zhì)量比樹脂：碳纖維＝1:1。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述碳纖維樹脂復(fù)合材料的制備方法，所述碳纖維樹脂復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：

本發(fā)明的另一目的在于提供一種由所述碳纖維樹脂復(fù)合材料制備的復(fù)合材料車體蒙皮，所述復(fù)合材料車體蒙皮采用三明治結(jié)構(gòu)，即承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為內(nèi)外層為碳纖維樹脂復(fù)合材料，中間為碳纖維樹脂復(fù)合材料加強(qiáng)筋。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述復(fù)合材料車體蒙皮的設(shè)計(jì)方法，所述復(fù)合材料車體蒙皮的設(shè)計(jì)方法包括：

截面剛度計(jì)算公式：E＝E_J+E_W+E_P+E_N

其中E_J表示加強(qiáng)筋對(duì)形心軸的剛度，E_W表示外蒙皮對(duì)形心軸的剛度，E_P表示泡沫對(duì)形心軸的剛度；E_N表示內(nèi)蒙皮對(duì)形心軸的剛度；

對(duì)加強(qiáng)筋取慣性矩：

A_J為加強(qiáng)筋面積:A_J＝h²-(h-t₁)²

對(duì)外蒙皮進(jìn)行分析：

外蒙皮剛度:

K_W＝E_W*I_FW

I_FW＝I_FWS+I_FWZ1+I_FWZ2+I_FWZ3

泡沫:

泡沫剛度:

K_P＝E_P*I_P

I_P＝I_PZ1+I_PZ2+I_PS

內(nèi)蒙皮:

內(nèi)蒙皮剛度:

K_N＝E_N*I_FN

I_FN＝I_FNS+I_FNZ1

蒙皮結(jié)構(gòu)總剛度:

E＝E_J+E_W+E_P+E_N。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種應(yīng)用所述碳纖維樹脂復(fù)合材料的軌道車輛蒙皮。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種應(yīng)用所述碳纖維樹脂復(fù)合材料的航空航天蒙皮。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種應(yīng)用所述碳纖維樹脂復(fù)合材料的汽車蒙皮。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種應(yīng)用所述碳纖維樹脂復(fù)合材料的船舶蒙皮。

本發(fā)明提供的碳纖維樹脂復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，針對(duì)復(fù)合材料車體蒙皮，主要包括側(cè)墻，頂棚和端墻，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所采用“三明治”結(jié)構(gòu)，即主要承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為內(nèi)外層為碳纖維樹脂復(fù)合材料，中間為碳纖維樹脂復(fù)合材料加強(qiáng)筋，蒙皮的截面剛度與纖維材料、鋪層設(shè)置、鋪層厚度、夾心厚度等因素有關(guān)，車體的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能在車體減重較大的情況下，如何考核蒙皮結(jié)構(gòu)的截面剛度保證車體的截面剛度不至于過小，對(duì)復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性作用；而復(fù)合材料車體蒙皮相區(qū)別與傳統(tǒng)的不銹鋼或者鋁合金車體的結(jié)構(gòu)有很大不同，為了滿足全復(fù)合材料車體的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，不僅提出了滿足復(fù)合材料車體蒙皮的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，而對(duì)整體承載的車體結(jié)構(gòu)，車體截面參數(shù)(車體形心高度、橫截面面積、截面慣性矩)的分析對(duì)車輛剛度分析及車輛運(yùn)行穩(wěn)定性都有極其重要的意義；車體重心可以反映車體的運(yùn)行穩(wěn)定性；車體重心過高可能導(dǎo)致車輛高速運(yùn)行過程中出軌甚至傾覆；截面慣性矩是車體剛度的標(biāo)志、慣性矩與車體截面剛度成正比；所以了解車體各截面慣性矩分布就能夠很好的掌握車體的橫向剛度及其變形；截面面積反映了車體的鋼結(jié)構(gòu)自重分布，為車體自重載荷的加載提供了依據(jù)；復(fù)合材料的蒙皮結(jié)構(gòu)主要采用“三明治結(jié)構(gòu)”，截面剛度與材料，鋪層設(shè)計(jì)，各層的厚度都有關(guān)系；計(jì)算傳統(tǒng)材料的車體的截面剛度方法不再適用復(fù)合材料蒙皮截面剛度。本發(fā)明采用的制備方法主要是傳統(tǒng)的真空導(dǎo)入烘箱固化成型，碳纖維樹脂復(fù)合材料，在技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量輕，剛度大，強(qiáng)度高，很好地替換傳統(tǒng)的金屬材料，而且本身良好的防火性能，在滿足可觀的輕量化的前提下，可以大大降低內(nèi)飾的防火成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的復(fù)合材料車體蒙皮的設(shè)計(jì)方法流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

本發(fā)明實(shí)施例提供的碳纖維樹脂復(fù)合材料由樹脂和碳纖維組成；按照質(zhì)量比樹脂：碳纖維＝1:1。

下面結(jié)合計(jì)算的過程對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用作詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的復(fù)合材料車體蒙皮的設(shè)計(jì)方法包括以下步驟：

S101：把復(fù)合材料車體的曲面形狀截面等效為相近的矩形形狀截面；

S102：確定巨型形狀截面的形心軸；

S103：計(jì)算加強(qiáng)筋對(duì)形心軸的慣性矩，得到加強(qiáng)筋剛度；

S104：計(jì)算外蒙皮對(duì)形心軸的慣性矩，得到外蒙皮剛度；

S105：計(jì)算泡沫對(duì)形心軸的慣性矩，得到泡沫剛度；

S106：計(jì)算內(nèi)蒙皮對(duì)形心軸的慣性矩，得到內(nèi)蒙皮剛度；

S107：把各部分對(duì)形心軸的剛度相加，求出截面總剛度。

截面剛度計(jì)算公式：

E＝E_J+E_W+E_P+E_N

其中E_J表示加強(qiáng)筋對(duì)形心軸的剛度，E_W表示外蒙皮對(duì)形心軸的剛度，E_P表示泡沫對(duì)形心軸的剛度；E_N表示內(nèi)蒙皮對(duì)形心軸的剛度。

不考慮底架公式推導(dǎo)過程：

形心軸：

對(duì)加強(qiáng)筋取慣性矩：

A_J為加強(qiáng)筋面積:A_J＝h²-(h-t₁)²

6-4

對(duì)外蒙皮進(jìn)行分析：

外蒙皮剛度:

6-9

K_W＝E_W*I_FW

I_FW＝I_FWS+I_FWZ1+I_FWZ2+I_FWZ3 6-10

泡沫:

泡沫剛度:

K_P＝E_P*I_P 6-14

I_P＝I_PZ1+I_PZ2+I_PS 6-15

內(nèi)蒙皮:

6-16

6-17

內(nèi)蒙皮剛度:

K_N＝E_N*I_FN 6-18

I_FN＝I_FNS+I_FNZ1 6-19

不考慮底架的蒙皮結(jié)構(gòu)總剛度:

E＝E_J+E_W+E_P+E_N。 6-20

其中的a為車體的寬度，b為車體的高度，t₁為外蒙皮厚度，t₂為內(nèi)蒙皮厚度，t₃為加強(qiáng)筋厚度，h為夾芯泡沫的厚度，n₁為頂棚加強(qiáng)筋的數(shù)目，n₂為側(cè)墻加強(qiáng)筋的數(shù)目，L₁為側(cè)墻加強(qiáng)筋到中性軸的距離。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。