復合材料在新型輕質剛柔路面裝備上的應用

摘 要 本文簡介了碳纖維環氧樹脂復合材料加強桿在輕質人造路面中起到承重和擴張的關鍵作用。詳細闡述了
碳纖維環氧樹脂復合材料加強桿的設計指標、總體方案、系統組成、技術參數、關鍵技術 ，對質量、可靠性及標準
化的控制 ，以及工藝方案、設備選型等一系列方案進行科學設定、比較和確定的整個設計、研制過程。研制結果表
明 ：碳纖維環氧樹脂復合材料加強桿力學性能完全達到預定指標。
關 鍵 詞 碳纖維復合材料 ；輕質人造路面 ；工藝設計 ；研制
中圖分類號 U416 文獻標識碼 A 文章編號 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
當前 ，我國在現代工程裝備器材上 ，仍面臨器材少、局限
性大等問題 ，就其當車輛面臨沙灘、沙泥灘、淺軟地等地基時 ，
更是缺少有效克服對車輛阻滯障礙的器材。
根據國內外該種裝備技術狀況的實際與需求 ，分析現有路
面的優缺點 ，我們利用高強聚酯工業長絲、E 綸長絲和芳綸纖
維混合編織 ；碳纖維、玻璃纖維與環氧樹脂復合等工藝方式 ，
研制出一種新型輕質剛柔復合路面裝備。該裝備中 ，首次采用
復合材料制作的路面支撐桿，在路面體內緩解和分散受重壓力、
防止路面變形移位、車輪下沉打滑等核心問題上 ，起到了至關
重要的作用。充分滿足了利用人工搬運、空投、舟艇和車輛等
運輸方式 ，同時滿足可人工鋪設、機械化作業、輕便靈活的設
計要求。
1 復合材料支撐桿設計指標
1）鋪設方式 ：人工鋪設和機械化作業 ；
2）整體路面承載受重 ：履帶式 25 噸級 ，輪式 10 噸級 ；
3）適應條件 ：沙灘、沙泥灘、淺軟地等地基 ，0.6m 水深
內 ，地基承載力≮ 8.9N/cm 2 ；
4）單條路面支撐桿總重量 ：≤ 45kg ；
5）整套作業可機械鋪設 ：≥ 180m ；（因為每條路面兩頭
均可縱向對接 ，所以鋪設總長度可根據實際需要調整）；
6）支撐桿長度 ：≥ 4m ；
7）支撐桿適應溫度 ：-20℃ ~60 ℃ ；
8）支撐桿破壞彎曲半徑 R ：350mm ；
9）支撐桿抗彎強度 ：≥ 1000Mpa ；
10）支撐桿耐腐蝕能力 ：耐酸、堿和耐海水。
2 輕質剛柔路面設計方案
碳纖維、硼纖維、凱夫拉纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維
是當今公認的 5 大增強纖維 ，就其綜合性能而言 ，在制造纖維
增強復合材料中 ，碳纖維位于 5 大增強纖維之首 ，是近幾十年
來發展成熟 ；且在多項高科技領域里廣泛運用的一種新材料。
碳纖維復合材料同時擁有著 ：強度和模量高 ；耐疲勞性能強 ；
質量輕等其他材料無法替代的特性 ，尤其做為結構材料 ，復合
材料的優良特性能更得以充分體 ，現被世界許多國家廣泛使用
在第四代戰機、隱形戰艦、航天飛機、火箭和大型客機。環氧
樹脂是具耐腐蝕和力學性能都比較突出的熱固性塑料材料。通
常以碳纖維紗和環氧樹脂為基體制成復合材料。用這種方式制
成的輕質剛柔路面支撐桿具有 ：抗彎強度、剛性高和質輕等特
點 ，使路面體既能承載受重 ，防止變形移位和車輪下沉打滑 ，
又滿足了人工搬運、空投、舟艇和車輛等運輸方式。同時具備
人工鋪設、機械化作業、輕便靈活的設計要求 ，還可以與其他
復合材料混合使用 ，使整個由支撐桿撐起的路面體具有良好的
緩沖、減震、抗履刺咬噬等破壞的能力。參照以往多次在實驗
室模擬和現場試驗數據 ，擬定了 ：三層疊加結構支撐桿和單根
矩形截面支撐桿兩種結構進行性能測試與對比。
方案 1 ：多層疊加結構支撐桿
支撐桿根據承載需要 ，承載結構可以由 2 層或 2 層以上具
備韌性與剛層材料復合而成。本結構選用復合材料剛性層的寬
度為 26mm，厚度為 4mm，剛性層數為 3 層 ；韌性層復合材料厚
度為 5mm，柔性層數為單數。
方案 2 ：矩形截面支撐桿結構
矩形截面支撐桿是用單向連續碳纖維，以環氧樹脂為基體，
經過環氧樹脂浸漬后 ，再經過擠拉設備 ，在設定的模具溫度和
運行速度下固化成型。矩形支撐桿截面采用 ：28（寬）×14（厚）
mm，柔韌層材料包覆在支撐桿外層。
包覆在支撐桿外的韌性層 ，可使用連續玻璃纖維氈增強聚
丙烯 ，或性能類似的熱塑性工程塑料 [6]，可以克服履刺的咬
噬破壞。
剛性材料層 ，主要起支撐、承重的作用。即為碳纖維復合
材料支撐桿片。可以設想，在松軟沙灘和泥濘環境路基條件下，延伸率約為 1.5%，單一截面結構極易造成形變破壞 ，利用多層
疊加結構 ，通過層間的滑動 ，可以有效降低疊加結構的層間剪
切力 ，從而相對的提高其變形能力 ，使路面具有更穩定的整體
抗沉降性。支撐桿外由塑膠材料包覆 ，除了可以克服履刺的咬
噬破壞外 ，在路面體縫制過程中 ，可使支撐桿在混合編織的路
面內腔里順暢通過 ，提高生產效率與質量。
三兩種支撐桿性能對比 ：
方案比較（見表 1），表中數據是上述各方案制成不同截面
的支撐桿 ，在跨距為 220mm 極端受力條件下 ，通過力學性能測
試取得的。經過在沙灘和沙泥松軟實地通載試驗考核 ，多層疊
加結構支撐桿既能通過輪式車輛也能通過履帶式車輛 ，而矩形
加支撐桿變能力較差 ，通載輪式車輛時迅速且連鎖發生折斷破
壞。因此 ，我們采納方案 1。
指標
對比
彎曲破
壞負荷
kg
彎曲
破壞
半徑
mm
彎曲
破壞
延長
率 %
支
撐
性
抗履
刺破
壞
通載試驗結果
方案 1 104 276 2.92
較
好
好
支撐桿損壞較少 ，
通載順利
方案 2 748 866 1.86 好 較好
在通載一定臺次后 ，
發生破壞性連鎖斷裂
表 1 兩種支撐桿性能比較
3 主要技術參數設定的說明
按照單片支撐桿重量 <2480g，結合表一測試數據 ，支撐桿
截面積設定約為 3.0cm 2 ；截面為多邊形單根加強桿和多層疊加
結構方案方案。
載重 10 噸輪式制式車輛的車輪半徑為 500mm，減去車輛底
盤附件距離地面最大高度 ，可通行的最大深度為 300mm。
在路面體內起著支撐、承載作用的復合材料支撐桿 ，其破
壞形式主要是由彎曲形變破壞 ，我們通過求取和比較彎曲半徑
來設定多層疊加結構支撐桿厚度 ，實驗結果顯示 ，三層疊加結
構復合材料支撐桿承載后 ，車輪兩側變形距離為 350mm。計算
得出其彎曲半徑 R2=(350)2-(R-300)2=354mm，遠大于 276mm 的
計算破壞彎曲半徑 ；同時 ，三層疊加結構復合材料支撐桿破壞
延伸率 2.92% ；大于方案 2 矩形截面支撐桿中 1.86% 的延伸率
測試值。因此設定三層疊加結構支撐桿完全符合設計理念 ；并
滿足性能要求。
4 支撐桿中剛性與柔韌性性能的解決方案
與其他工程材料相比 ，碳纖維復合材料支撐桿具有突出的
力學強度和模量，但其延長率相對較低。作為路面體內支撐桿，
路面器材承受車輛通行的碾壓 ，在動態負荷下的路面體 ，尤其
是復合材料支撐桿 ，必然發生一定彎曲形變。因此 ，怎樣有效
合理兼顧剛性材料的柔韌性性能，合理提高支撐桿整體延伸率，
是設計制造支撐桿首要解決的問題，也是實驗成功與否的關鍵。
我們利用多層多層疊加結構方式 ，通過層間的滑動 ，大大消除
了結構層間的剪切力 ，支撐桿和路面體結構的延伸率得到變相
地提高 ，使得車輪即使達到最大下陷深度 ，支撐桿也不會發生
因形變過大而被破壞。完全滿足輕質剛柔路面的主要性能與指
標。
采用方案 1 生產 ，我們在多年復合材料生產中 ，對該類材
料的拉擠、搓卷和模壓成型技術已熟練掌握 ，產品生產保障安
全、平穩、可靠 ，這次的多層疊加結構更具創新性。
5 質量與性能的控制
產品質是企業的生命 ，是企業永續經營的基石。在開始設
計初期 ，我們就嚴格按照 ISO9001:2008 國際質量體系的要求 ，
同時參照國軍標、國部標和行業標準 ，對主輔材料的甄選測試、
設計方案的反復推敲、工藝流程多種配合、文件編制層級分類、
配套管理中的人員培訓等各環節實施監控 ，確保項目的研制水
平、質量性能全面達到設計要求。
首先 ，在材料的甄選標準上 ，按照國際標準、國標、國軍
標、部標和行業標準依次執行。碳纖維是主要用來制作剛性材
料 ，碳纖維紗的抗拉強度≥ 3200MPa。支撐桿外包覆柔性材質
為 ：熱塑性連續玻璃纖維氈增強聚丙烯緩沖片，該產品密度低、
總量輕、比強度高、耐腐蝕、抗沖擊 ；已被廣泛用于汽車、艦
船、建筑等多個機械工程領域 ，質量穩定可靠。提供原料和產
品的生產廠家 ，不但需具有國際質量體系標準保證的企業 ，同
時我們又參照路面性能設計要求 ，逐一制定了更為細致嚴格的
檢驗和驗收標準。
在技術參數與資料的選擇使用上 ，明確圖樣細則 ；編號程
序 ；分類標準。采用我們已使用掌握且可控的生產技術與工藝，
可以充分提高產品的可靠性。特別是在抗彎強度上 ，給予了一
定的調整控制范圍。
支撐桿作為輕質剛柔路面器材的一個主要部件 ，是由碳纖
維復合材料制成 ，一旦發生斷裂 ，一般不可維修只可更換。
6 質量與可靠性的控制
支撐桿試制和生產中 ，需要制訂詳細的工藝方式 ；生產流
程和質量保證等詳細標準 ，尤其對人員培訓 ，要求全體員工掌
握相應的工作技能、職業道德 ，采用全方位監控 ，從而確保產
品質量和性能。
每當各種原料采購和入庫時 ，需按廠家提供和我們特定的
標準 ，進行認真對比篩選和檢驗驗收。對確需更換或替代的材
料 ，以及需變動的工藝設定參數 ，必須與設計、配套單位一起 ，
反復論證和比對 ，每一次變動都由專人作好記錄 ，并留樣保存。
工廠嚴格按照設計規定的工藝文件、工藝流程進行生產 ，
對于生產過程和產品質量做到 ：可操作、可控制、可追尋。
主要拉擠設備的性能測試 ，采用國標所規定的測試方法。
生產和測試設備 ，須經工廠、設備制造商和第三方相關專業機
構檢定合格后方可使用。
7 工藝方案的確定
以碳纖維紗和環氧樹脂為基體 ，一次性高溫復合擠拉成型
所制成的復合材料支撐桿 ，涉及高分子化學、復合材料學、機
械設計等領域。制成碳纖維復合材料單片 ，再將數個單片與緩
沖材料固定疊加 ；捆扎打磨，組成一組完整的復合材料支撐桿。
單片支撐桿工藝流程為 ：導紗、配膠、浸漬、預熱、預成型、
分段成型、拉伸牽引、檢驗、備用。參照《關重件、特種崗位
設制細則》及現場工藝要求 ，將浸漬配膠和加熱成型為 2 個關
鍵工序。整束浸膠、牽引拉擠、切割打磨為 3 個重要特種崗位
和質量控制點。
同于復合材料拉擠成型的一般形式 ，碳纖維支撐桿單片是
在成型模具內經過分段加熱固化成型的，要保證樹脂充分反應 ；
使之完全固化成型 ，在模具溫度設定時 ，一要避免分段加熱區
域和過度區域溫度設制不合理、不穩定 ，反應過速造成粘模死
機 ；或者反應不充分、固化不完全 ，造成碳纖維單片強度過低
等現象。二要控制調整好擠拉速度，使碳纖維紗束進入模腔后，
樹脂充分反應正好在反應區域內完成。擠拉速度過快 ，會造成
反應不完全充分 ；產品強度低的現象 ；速度過慢又會造成卡模
死機。
復合材料擠拉成型時 ，我們一般將紗束、膠槽、模具分成
車體沉降一般較大 ，而碳纖維環氧樹脂復合材料支撐桿的破壞

六個不同的溫控區域 ：抽濕干燥區、保溫區、預熱區、加熱區、
凝膠區、固化區。
抽濕干燥區、對碳纖維紗架區域一般控制在 20℃ ~40℃ ；
濕度保持在 40%~55%，濕度過大對產品成型有影響。
保溫區 ：是對樹脂膠槽根據不同環境溫度予以溫度調控 ，
保證樹脂浸漬效果最充分完全。
預熱區 ：根據不同季節 ，生產所在環境溫度和濕度調整 ，
一般設定在 55℃ ~85℃范圍內。起到減少紗束進入模具的溫
度差 ；降低紗束表面樹脂的粘度而加速浸漬 ；進入加熱區入口
處 ，可將束間空氣隨多余樹脂擠出。
1）加熱階段溫度設定為 ：110℃ ±1℃，環氧樹脂在該溫
度下開始進入加速化學反應 ；
2）反應階段溫度設定為 ：135℃ ±3℃，環氧樹脂凝膠化
反應在此階段完成 ，并開始加速固化 ；
3）固化階段溫度設定為 ：120℃ ±5℃，環氧樹脂得以充
分固化。
加強桿件是由 3 層碳纖維單片和 1 層緩沖片 ，疊加組合、
捆扎固定而成。碳纖維單片之間 ，有著很好的滑動性。當加強
桿受到外來壓力時 ，可以通過單片之間滑動 ，有效地消除和降
低剪切破壞。這種具有層間滑動的結構 ，是通過對不同截面、
不同組合的碳纖維環氧樹脂復合材料棒、管、片的大量受力試
驗中選優而來的。不但體現了碳纖維環氧樹脂復合材料質量輕、
強度高、耐腐蝕等特點 ，同時避免了碳纖維加強桿在外力作用
下的剛性破壞。
8 拉擠成型的設備選型
生產碳纖維復合材料片的設備 ，主要考慮在行業中已成熟
的技術。熱處理臺 ，長 900mm~1000mm，寬 400mm~560mm，內設
6 組 2kW 的加熱電路板 ，用于環氧樹脂在磨具里的固化成型。
加熱臺溫控區域一般分成 3 個部分 ，每個區域的溫度需穩定在
設定值 ±2℃范圍內。投入生產之前 ，需對加熱電路板、機械
運行機構進行全面的檢驗 ，確保設備運行能力滿足碳纖維片的
生產技術要求。
浸膠槽。又稱膠槽 ，是根據生產過程而專門量身定制的。
既滿足碳纖維束能在樹脂中充分浸漬 ，又能滿足膠槽內樹脂使
用完的時間 ，同時要考慮在特殊情況下 ，可不停機的便捷更換
與清洗 ，防止樹脂在浸膠槽內沉積、凝膠而造成成型失敗。
成型模具應在規定的使用周期內 ，經常檢查保養 ，尤其注
意檢查模具內腔磨損、損傷情況。測量截面尺寸是否在產品設
計允許范圍內。
計量、檢驗器具應是檢驗合格產品 ，主要是 ：稱重、長度、
寬度、平直度和直線度的計量。
9 結論
我們對碳纖維復合材料輕質人造路面經過多種地基承載和
車輛負載等條件設定，輪式和履帶車輛做了大量混合通載試驗，
掌握了設計要求 ；生產過程中 ，嚴格遵守各項工藝制度 ，遵循
細節決定成敗的理念 ，不放過任何一點細小的變化與變動 ，使
碳纖維環氧樹脂復合材料加強桿完全達到預定指標 ，加之其他
配套工廠的共同努力 ，輕質人造路面整體研制項目順利通過鑒
定 ，并獲得多項技術專利 ，榮獲軍隊科技進步二等獎。我國工
程器材裝備中首次使用如此大量的碳纖維復合材料 ，受到復合
材料領域人們的廣泛關注 ，這種新裝備器材的研制成功 ，填補
了我國在該領域的一項空白 ，它將在國防軍事、搶險賑災、車
輛自救等特定條件下發揮重要作用。
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