当前轨道交通领域的碳纤维复合材料制造技术主要遵循了传统的成型方法，包括使用热压罐、手工铺设以及离心铸造（OOA）等技术。热压罐因其卓越性能而被广泛应用于航空行业。手工铺设方法难以达到复杂构件的大规模生产需求，且对环境的影响较大。OOA方法因技术限制，在制造高纤维含量的零件时遇到难题，限制了其应用范围。拉挤技术作为一种能够进行持续生产的成型方法，因其纤维含量高、原材料使用效率高及生产效率高等优势而受到重视。根据研究数据，采用多轴向编织增强的碳纤维材料展现出卓越性能，能够通过精确的层次设计来满足不同的力学性能需求。将此类多轴向编织物应用于拉挤过程，能有效补充拉挤产品在非轴向性能上的不足，从而拓宽复合材料的使用领域。
多轴向经编织物（简称MWK）是由经纱（0°）、纬纱（90°）和轴向纱（θ）构成，其中衬纱的角度变化范围是-20°到+20°。在其编织过程中，编织用的纱线会穿越整个布料，沿厚度方向将所有预铺的承载纱线紧密绑定。这些承载纱线通常选用具有高机械性能的纤维，例如玻璃纤维、碳纤维、Kevlar纤维和超高分子量聚乙烯纤维等，而编织用的纱线则多选用成本较低的高强度涤纶纱。编织纱的使用增强了织物的层间剪切强度和多向尺寸稳定性，减少了层裂的风险，并且使得多轴向经编织物具有良好的成型性和树脂渗透性。与此相对的是，机织物通过纬纱和经纱的交错编织而成，如平纹织物通过纬纱与每根经纱的上下交替形成稳定但成型性差的结构；斜纹织物通过一定规律的纬纱交替通过经纱，具有较好的成型性和渗透性但稳定性略逊；缎纹织物的纬纱穿越多根经纱形成，虽然成型性和渗透性好，但稳定性较弱，且不对称性可能导致多层织物的应力集中。由于机织物的空间阻碍，其力学性能相对较弱。相比之下，多轴向经编织物在提供更优越的力学性能方面具有显著优势，它们的层间（在厚度方向）通过编织纱紧密结合，允许根据需求灵活设计，是目前理想的增强材料。这种织物的制造工艺确保了纱线能够充分伸直，从而最大化地发挥纱线性能，在纵横方向上拉伸时保持织物尺寸的稳定。多轴向经编织物由于编织纱的存在，使得树脂在作为复合材料基底时能更快渗透，这有助于提高复合制品的性能。作为复合材料增强体，多轴向经编织物在拉伸、弯曲、剪切和冲击等性能测试中均展现出优良的表现。
图 碳纤维多轴向经编织物
碳纤维多轴向经编织物，通过编织线将多层不同角度碳纤维捆绑在一起。多轴向织物可以减少在复合材料制造时纤维/织物的铺放时间，由于编织线的存在，采用RTM，VARI 等液体成型工艺时，树脂可以快速浸润纤维，提升固化效率。碳纤维经编织物以其独特的编织方式，保持了碳纤维平直，满足铺层方向、比例和顺序的要求，同时编织物整体性好、铺层效率高，经编方式使织物铺贴性好，是理想的复合材料增强材料。多轴向织物的主要特点有以下几个特点：
1. 抗拉强度高，力学性能好，多轴向经编技术使得织物的纱线层能按照特定的方向
伸直取向，使增强纱线的力学性能得到充分利用。
2. 良好的尺寸稳定性和剪切性能，多轴向经编织物中由于引入了±45°方向的纱线，
织物的剪切变形受到抑制。
3. 铺设性和预定型效果好，多轴向经编织物铺设效率高，由于织物已经将各种角度
的纤维“打包”好可以直接裁剪和铺设，还可以进行预定型，工艺效率显著提升。
4. 树脂浸润性好，多轴向经编织物由于织物纤维中很容易形成通道，减小了浸润渗
透压力、渗透性好、渗透速度快，有利于树脂的均匀分布。
拉挤成型技术是一种用于生产高性能纤维复合材料的连续、效率高且成本效益好的工艺，特别适合于大规模生产。该技术优化了纤维的强化功能。在经典的拉挤过程中，纤维得以充分拉伸，以充分利用其轴向强度。此外，拉挤技术因其高自动化水平、较少的生产步骤以及较低的技术和环境影响，能够生产出质量更为稳定的产品，相较于其他制造工艺来说，这是一个显著优势。根据国际上的发展趋势，生产大型、具有复杂截面和厚壁的产品正成为拉挤技术发展的方向，并且在众多领域中扮演着越来越重要的角色。图 连续纤维拉挤工艺流程
传统的浸胶拉挤技术是一个快速且连续的生产方法。在这个过程中，如图所示的步骤、，增强性纤维（常见的如玻璃纤维）先是被展开并通过纱架引入。接着，这些纤维进入到一个浸渍池中，其中它们被浸透树脂。浸渍后的纤维随即被引入到带有加热功能的模具中进行加热和固化。制件固化后，通过拉出装置从模具中拉出，并按照需要裁切到特定尺寸。拉挤过程中的关键环节包括纤维的浸渍、固化以及拉出过程。对于具有复杂截面的产品，还需在进模之前通过预成型装置对纤维束进行预形处理。纤维的浸渍方式主要有两种：一种是经过开放式的浸渍槽进行浸渍，纤维在穿过含有树脂的槽时得到充分浸润；另一种方式是将树脂通过注射设备直接注入模具中以浸润增强材料，这称为闭模注胶。拉挤工艺的优点在于能够实现高效的连续生产，与热压罐或模压工艺相比，它具有更高的生产效率和更低的成本。近年来，我国轨道交通行业发展迅速，不仅在国内高速动车组，同时实现了向多国出口我国高速铁路与交通技术方案及整体车辆。随着我国高铁技术的进一步发展，对车辆结构与轻量化要求逐年提高。与铝合金等金属材料相比，碳纤维复合材料具有明显的比强度和比刚度优势，是轨道交通车辆车体轻量化的理想材料，目前碳纤维复合材料在轨道交通车辆上的应用开始从内饰、车内设备等非承力零部件向车体、设备舱等承力件延伸和扩展，从裙板、导流罩等小型零部件向顶盖、司机室、整车车体等大型构件和结构发展，碳纤维复合材料用量占比正逐年增大。中车青岛四方机车车辆股份有限公司 2018 年发布了 CETROVO 新一代碳纤维地铁（时速 80km/h）车辆，其车身采用全碳纤维复合材料制造，其中拉挤部件有车体肩部梁和底架侧边梁，如图中所示，两个拉挤制件的增强材料包含碳纤维纱线、单向经编织物以及纤维毡等。图 CFRP 车体的主要结构和碳纤维拉挤纵向梁示意图及实物图截面
连续单向纤维拉挤生产效率高，成本低，零件长度只受生产空间限制，但结构复杂的大厚度制件采用纱线拉挤放卷纱架所占空间大，此外，连续纤维拉挤制件的力学性能方向性强，只要适用于主要承受轴向载荷的产品，如果产品承受其他方向载荷，连续纤维拉挤产品则显得力不从心。碳纤维纱线拉挤样板的制备将采用类似的拉挤工艺，不同点是将浸渍槽由开放浸渍槽改为闭模注胶工艺，其余工序相同。图 多轴向经编织物拉挤设备示意图
样品测试
碳纤维织物拉挤平板和碳纤维纱线拉挤平板测试样件都按照 ISO 或 ASTM 标准进行制备和测试，样件在给定的加载速率下，从 0 N 增量加载至极限载荷，图是拉挤平板样件测试前和测试后样件的部分照片，测试前样件完好，测试后出现了不同的破坏形式，碳纤维织物拉挤平板样件测试前后照片，在 0°拉伸测试后的照片显示了 5个样品中间区域都出现了破坏。0°拉伸测试样条的破坏模式为中间区域纤维分层和部分纤维断裂。在 0°压缩的测试中，样条的失效模式是中间发生屈曲，出现了部分纤维断裂。在 90°的拉伸和压缩测试中，其拉伸和压缩测试后的破坏模式与 0°相似，即样件最终都发生了纤维断裂，并伴有分层现象。在 V 型剪口测试中，分层主要发生在 45°方向其破坏形式主要表现为分层和少部分的纤维断裂。图 碳纤维多轴向织物拉挤样件测试前后状态
测试结果显示 HFC20-25K 纱线形变性能的 0°方向力学性能优异，为 1956Mpa，90°方向性能强度和模量非常低，强度仅为 37.1Mpa，远低于 LPTN800 织物的 90°方向强度和模量，主要是因为单向纱线拉挤在 90 度方向没有连续纤维来承载，主要靠树脂来承载，故90°方向的单向纤维拉挤性能低。LPTN800 拉挤样板 0°方向的性能低于纱线拉挤样板的0°方向，主要是由于四轴向经编织物碳纤维在 0 度方向的占比大幅减少使得 0 度方向性能下降，在 90°方拉伸和压缩性能显著增加，主要是由于四轴向经编织物在 90 度方向和±45°方向的纤维，显著提升了 90°方向性能。随着技术的进步和环境保护意识的增强，碳纤维复合材料在轨道交通领域的应用将进一步扩展。未来，我们可以预见到更加轻质、高效、环保的碳纤维材料的开发，这将大幅提升轨道交通工具的能效比和性能。多轴向经编织物和拉挤技术的进一步优化和创新，将使碳纤维复合材料的生产更加高效，降低成本，使其在轨道交通中的应用更加广泛。此外，随着对材料回收和再利用技术的研究深入，碳纤维复合材料的可持续性将得到显著提升，为轨道交通行业的可持续发展做出重要贡献。
[1]汤娟.多轴向经编织物（NCF）拉挤技术及其在轨道交通车辆上的应用研究[D].江苏大学,2022.
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