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玄武岩纤维轨枕的性能与研制

嘉峪亚博vip升级--任意三数字加yabo.com直达官网网????????2019-09-04 11:44

我国是一个人口众多、地域辽阔、资源分布不均的大国。随着经济的不断向前发展,大量资源和人员需要长途调运。在5大运输方式中,铁路运输脱颖而出,成为最受欢迎的承载方式。为了更好地把全国各省,以最快最安全的方式连接起来,铁路建设面临着更高的要求。轨枕作为铁路行车的重要组成部分,是铁路建设的关键。在传统的木枕到现在的混凝土轨枕和钢枕的基础上,一种新型轨枕——玄武岩纤维轨枕已处于研发阶段。玄武岩纤维轨枕具有质量轻、成本低、环保等优点,是铁路轨枕建设发展新方向。

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一、玄武岩纤维

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1.玄武岩纤维历史

玄武岩纤维早在1922年被一个叫Paul法国人申请了美国专利,但没有实际生产,成为当时纤维界的遗憾。20世纪70年代,这个想法被前苏联的科研机构落实,研制出玄武岩连续纤维。1985年,在乌克兰一个生产基地,应用200孔漏板的拉丝工艺,实现了年产量260t的工业化生产,成为当时科学的奇迹。随着生产技术的公开,玄武岩纤维产品从最初的军工和航天领域到民用领域。现在,俄罗斯、乌克兰、美国和中国等国对玄武岩纤维生产技术已经完全掌握。

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我国很早就对玄武岩纤维有所了解,但对其研究不是很深,直到21世纪,我国相关专家才开始重视,同时国家也很关注并给予资助。2002年9月,科技部将“玄武岩连续纤维及其复合材料”项目列入国家“863”计划,并通过技术引进,消化吸收再创新,取得了自主知识产权,完成了工业化生产实验。

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2.玄武岩纤维的生产和性能

玄武岩连续纤维通过玄武岩熔融形成,制备方法简单、生产成本相对降低。在加工过程中,主要采用高温熔融、漫流引丝。由于该方法几乎不用水,也几乎无空气污染,本身无化学挥发物,因此它是一种环境友好的纤维制备方法。玄武岩的主要成分为二氧化硅(SiO2)(约占42%~55%)、氧化铝(Al2O3)、氧化亚铁(FeO)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)等,与土壤的成分相似,所以玄武岩连续纤维在自然环境中可容易地全部降解为土壤母质。作为21世纪新型环保纤维,被广泛的应用在各个领域。

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玄武岩纤维具有良好的拉伸强度及增强效应、高耐腐蚀性和化学稳定性、良好的绝缘性能、耐高温和低温热稳定性、高弹性模量以及隔热、隔音等性能。玄武岩纤维具备各种性能优点,还有一个好处是它的价格远远低于碳纤维,是性价比极好的材料。

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若从单一的纤维力学性能和化学性能比较,似乎都能找到比玄武岩连续纤维更强的高性能纤维,然而,将多种性能综合比较,玄武岩连续纤维是性价比最好的纤维。玄武岩纤维既耐酸又耐碱,既耐低温又耐高温,拉伸强度大,玄武岩纤维具有三维的分子维数,与分子维数一维的线性聚合物纤维相比,具有较高的抗压缩强度、剪切强度和抗老化性。

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二、传统轨枕与玄武岩纤维轨枕的性能分析

1.木枕

木枕是目前中国使用最多、最普遍的一种,是人类最早通过智慧发明使用的材料之一。木枕具有良好的弹性、形状简单、绝缘性、受周围介质的温度变化影响小、加工方便、质量轻、能保持钢轨处于正常位置和稳定状态、铺设更换方便等优点。但是,由于取材的原因,木枕的弹性、强度和耐久不够均匀,会加大轮轨动力作用,容易受到机械损坏,而且易腐朽、不耐火、使用寿命短、价格贵。

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2.钢筋混凝土轨枕

我国大量应用钢筋混凝土轨枕,是基于混凝土轨枕比木枕具有不可比拟的优越性[8]。钢筋混凝土轨枕寿命更长,稳定性更高,高的强度,道床横向阻力大,损伤率和报废率小,不受气候、腐蚀的影响,养护工作量小。但是,它本身质量大,造成道床承受的更大的压力和震动,造成道渣粉化更快,进而容易引起轨道下沉。冬季有冻胀的地段,易把轨枕变形。绝缘性差,不便于维修更换。

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3.钢枕

钢枕已经有近50年的历史了,由于第2次世界大战的爆发及其他大小战争,加剧了钢铁的消耗,价格倍增,钢枕的发展才停滞下来。钢枕兼备了木枕和钢筋混凝土轨枕的优点。能承受频繁的振动和冲击,维修工作量不大。但是,钢枕造价高、维修费用高、绝缘性差,容易被各种带腐蚀的介质侵蚀,产生的噪音很大。

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4.玄武岩纤维轨枕

\玄武岩纤维轨枕是一种无污染、无公害的绿色环保产品\。它具有耐酸耐碱性、抗紫外线、良好的绝缘性、吸音系数高、防辐射、优异的力学性能、良好的弹性[10]。但是,它现在还属于实验阶段,没有大量用在铁路上,原因是成本比较高,市场用量小。

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通过对以上4种轨枕的优缺点的分析对比可知,玄武岩纤维轨枕的优越性能,能很好地弥补现在市场上那几种轨枕的不足。玄武岩纤维轨枕的重量要比钢筋混凝土轨枕、钢枕的轻,比木枕的稍重,便于更好的修换。通过表1可以得出:玄武岩纤维轨枕做电绝缘的效率高、绝缘性强;通过表2可以得出:玄武岩纤维轨枕有优异的隔音、吸声性能,产生的噪音较小。玄武岩纤维的密度,决定了它比钢筋混凝土轨枕和钢枕轻,比木枕稍重,更换维修容易。特别是在酸碱性条件下和湿度较大的环境下,前面常用3种轨枕都不同程度上出现腐蚀,严重影响寿命。因此,把玄武岩纤维轨枕放在铁路上,必将有广阔的市场前景和经济效益。

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表1??? 各个轨枕的体积电阻率

材料

木枕

钢筋混凝土轨枕

钢枕

玄武岩纤维轨枕

体积电阻率/(Ω·m)

4×106

6×1010

2×109

1×1012

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表2? 各个轨枕的吸音系数

材料

木枕

钢筋混凝土轨枕

钢枕

玄武岩纤维轨枕

吸音系数

0.56~0.67

0.26~0.37

0.11~0.19

0.9~0.99

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三、玄武岩纤维轨枕的制造工艺流程

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经纬纱采用玄武岩无捻粗纱,经纱线密度为400tex,纬纱线密度600tex。采用武汉定达慧科技有限公司生产的三维试样织机来织造,经纱循环为12,纬纱循环为72,穿筘3根/筘,经密5根/cm,纬密3.6根/cm。这样就可以做出轨枕的增强体玄武岩纤维三维织物。

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如图1所示,Z向纱线为经纱,从筒子架上引出,穿过所需截面结构的目板,在静止综框上下侧形成X向或Y向梭口,同时引入X向和Y向2个纬纱,由引纬机构一根一根引入,由打紧机构打紧,最后由织物引离织造工作区域。

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玄武岩纤维轨枕的性能与研制

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图1? 织机结构简图

需要一个轨枕的模具,用来把织好的玄武岩纤维三维织物放在里面,在模具上面放柔性的真空袋薄膜,在真空状态下排除模具中的气体,把配好的树脂从表面进行渗透,并在室温下进行固化。

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四、三维纺织技术及织造过程中的问题

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1.三维纺织技术

三维纺织作为复合材料的增强体,被广泛的应用在国民经济的众多领域。三维纺织技术是平面纺织技术的创新,是纺织工业的一种新活力。三维结构是由二维平面与厚度方向,在空间相互交织,形成整体和灵活的结构。

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目前,通过三维纺织技术制造的复杂构件被很好应用在复合材料中去,有如下5个好处:

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①三维结构具备抗冲击性、耐磨性、抗分层性、损伤容限、可靠性、断裂韧性等一系列良好的机械性能,这些性能使的三维结构整体性好。

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②三维结构织物构造紧密、整体性强、纤维也不会因各个方向的压力而乱向,这样在复合成型的时候就可以采用多种成型工艺,选择最优的应用。

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③三维织物中的纱线覆盖率高,经纬向尺寸大小正好、断裂强度高,纱线强力和弹性模量利用率高。

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④三维机织能织造门幅比较宽的织物,机器结构简单,能实现大规模生产。但是多轴向经编织物及三维整体异型编织是达不到这些要求的。

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⑤三维结构可以应用纺织CAD灵活设计,通过不同的织物组织结构,让截面形状多种多样。

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2.织造过程中的问题

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在织造过程中遇到的一些问题:如张力控制是织物成形良好的重要因素,玄武岩纤维具有高模量、伸长率低的特点,在织机梭口迅速张开综框上升时,有一段长度的经纱必须同时从织轴处拉出来。这样,在综平时间内就会有经纱张力过松的现象,经纱和织物均呈忽紧忽松现象而让织造无法继续。为此,将经轴端经纱通过改装的装置穿过,即将各根经纱在经轴处用橡皮条与一定质量的金属块扎在一起,绕过经轴悬于空中。这样,无论综框提起与落下,所有经纱均呈张力伸直状态。经纱依靠布轴的卷取而同步送出。

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玄武岩纤维发脆、耐磨性差,在打纬时速度不能太快,这样纤维容易断。有时会因为单根经纱张力不一致,导致开口不清晰,织物的平面高低不平,这时要占时停车,对经纱从新处理。

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五、结语

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玄武岩纤维轨枕的优点主要有:相对质量轻、绝缘性强、吸声性能好、弹性强、稳定性好等。为了更好地适应我国铁路轨枕的发展动态,开发研制轨枕新品种,尽量满足使用上的性能要求。应尽快让玄武岩纤维轨枕融入轨枕材料这个大家庭,为铁路建设快速发展做出重要贡献。

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文/杨 堃

山西晋投玄武岩开发有限公司

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来源:杨堃新材料产业