《高铁路基增强高分子复合材料关键制造技术及装备》

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高铁路基的稳定性和耐久性是高速列车安全运行的重要保障。高分子复合材料土工格栅广泛应用于各种土建工程的强基固本,更是高铁路基建设的关键基础材料。它能有效防止路基沉降和路面开裂,减少地震和洪水等自然灾害的破坏,大幅提高路基安全稳定性,延长路基使用寿命。看似简单的经纬网状高分子土工格栅,其生产工艺和装备技术却十分复杂,因此被列入“2012年国家重大技术装备自主创新指导目录”。

该项目实施前,英国“耐特龙”公司在传统焊接格栅技术的基础上,发明了挤出片材冲孔成网后通过双轴拉伸取向增强的专利技术,率先实现了高分子复合材料土工格栅的大规模生产,并主导国际市场。但是片材冲孔成网工艺存在材料一次利用率低、能耗高、产品力学性能远低于焊接格栅等问题。为此,在国家自然科学基金和火炬计划项目支持下,校企合作团队经多年协同攻关,在基础理论、工艺装备到终端产品等环节取得重大突破,不仅首创微纳层叠调控取向增强技术,大幅度提高格栅的力学性能,还实现了土工格栅基材加工由“挤出片材冲孔成网”到“模内交叉挤出成网”的技术跨越。主要发明点如下:

(1)发明高分子复合材料微纳层叠取向增强调控方法及装备。首创聚合物微纳层叠加工新方法,通过熔体在模内流动过程中分割-扭转-层叠的多次重复,形成数千层微纳米尺度的层状结构,调控高分子链及增强材料在微层平面内的二维取向状态,使产品抗拉强度提高20%以上。

(2)发明高分子复合材料土工格栅模内交叉挤出成网方法及装备。突破国际同类技术“耐特龙”冲孔成网工艺的技术局限,独创高分子复合材料模内交叉挤出成网方法及装备,不仅避免了基材冲切损伤的缺陷,还使材料一次利用率从60%提高到近100%,基材生产能耗降低35%。

(3)发明高精度塑料网材横向拉伸装置及转子扰流强化传热技术。为解决土工格栅双向拉伸倍率在线调节难题,发明了渐扩链式横向拉伸在线可调装置。同时,针对拉伸装置热处理系统温度分布不均、传热效率低、能耗高的问题,发明了传热管内置转子扰流阻垢的强化传热技术,显著提升传热效率和温度分布均匀性,热处理系统能耗降低15%。

(4)发明多向增强高性能土工格栅和安全隐患在线预警系统。针对传统结构土工格栅在受力复杂的路基中存在薄弱方向发生蠕变甚至断裂的问题,发明了具有多向增强效果的新型高性能土工格栅。在此基础上,创新研制出智能监测系统,实现对实际工况下格栅应力应变状态的数据采集和智能预警,并成功应用于长江大桥等关键路段安全隐患的在线监测和危险预警。

项目已获授权专利36项(含中国发明专利25项,美国发明专利1项),发表论文88篇(SCI/EI收录24篇),软件著作权3项,形成了具有完全自主知识产权的原创技术。经权威机构检测,项目关键技术参数和产品性能指标均优于国际同类先进技术。同行专家鉴定评价:该项目发明技术“属国内外原创,居于国际领先水平”。相关成果获2016年中国轻工联合会科学技术一等奖。

该项目发明技术生产的土工格栅已在郑万高铁、银西高铁等工程中大规模应用,不仅快速占领了国内市场,还出口到希腊、土耳其等30多个国家和地区,近3年累计新增销售收入30.1亿元,利润3.9亿元。项目产品为高铁路基的安全稳定提供了重要保障,并使路基设计寿命超出标准要求14%以上,对于我国高铁发展和“一带一路”国际合作具有重要的支撑作用,经济和社会效益十分显著。

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