復(fù)合材料及其在城市軌道交通中的運(yùn)用

茍俊琴

復(fù)合材料是由兩種或多種不同類型、不同形態(tài)、不同成分和不同相型的組分材料,通過適當(dāng)?shù)膹?fù)合方法而組合成的具有整體結(jié)構(gòu)特性的、使用性能優(yōu)異的材料體系。目前國內(nèi)應(yīng)用最多的是樹脂基復(fù)合材料,樹脂基復(fù)合材料已有六十多年的發(fā)展歷史,其制造技術(shù)已基本成熟,是目前應(yīng)用最廣泛、用量最大、技術(shù)最為成熟的。同時,復(fù)合材料產(chǎn)品具有重量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性好等特點,最重要的其獨(dú)特的性能可設(shè)計性是被運(yùn)用于各種結(jié)構(gòu)的最佳特性之一。

1 復(fù)合材料產(chǎn)品使用現(xiàn)狀

復(fù)合材料在中國的應(yīng)用相對快速發(fā)展的英美等國已屬緩慢,但近幾年也有了比較大的改善,比如:室外常見的電源箱設(shè)備、水溝蓋板、井蓋、發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片等復(fù)合材料產(chǎn)品的使用(見圖1～圖3),尤其是在航天、汽車等行業(yè)的運(yùn)用也已日趨成熟,目前已逐步形成取代木材及金屬合金的趨勢。

從目前國際國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀來看,復(fù)合材料在歐美國家主要用于航空航天、汽車等行業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計,2000年歐洲的復(fù)合材料全球占有率約為32%,2000年～2003年間歐美汽車零件的復(fù)合材料用量約達(dá)25萬t。而為滿足汽車輕量化的要求,必將會有越來越多的復(fù)合材料產(chǎn)品被應(yīng)用到汽車、航天等行業(yè)中;在亞洲如日本等地,復(fù)合材料產(chǎn)品被用于住宅類工程中,而住宅類復(fù)合材料產(chǎn)品的應(yīng)用僅2000年的用量已達(dá)8萬t,可見一斑。

由此可見,復(fù)合材料的優(yōu)異性能及其在全世界航天、汽車、電氣等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用是其飛速發(fā)展的重要因素。而近幾年復(fù)合材料產(chǎn)品在軌道交通中的成功使用更是體現(xiàn)了復(fù)合材料優(yōu)于其他如金屬材料等產(chǎn)品的優(yōu)異性。與此同時,隨著人們對環(huán)保問題的日益重視,高分子復(fù)合材料取代木材方面的應(yīng)用也得到了進(jìn)一步推廣。例如,用植物纖維與廢塑料加工而成的復(fù)合材料,在北美已被大量使用于家居并有逐步取代木制產(chǎn)品的趨勢。

2004年開始,復(fù)合材料產(chǎn)品被運(yùn)用于廣州市軌道交通建設(shè)中,雖然在中國的軌道交通建設(shè)中只是一個小的開始,但卻鑒定了復(fù)合材料的應(yīng)用新領(lǐng)域。

2 軌道交通用復(fù)合材料分類

1)從組成成分來說,目前軌道交通使用的復(fù)合材料產(chǎn)品多為樹脂基復(fù)合材料。樹脂基復(fù)合材料主要由樹脂基、增強(qiáng)材料、填料與助劑等組成,為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的一種,性價比高,應(yīng)用較普遍。樹脂基復(fù)合材料與傳統(tǒng)的金屬材料不同,樹脂基復(fù)合材料的可設(shè)計性、可配置性很強(qiáng),可根據(jù)制品的應(yīng)用環(huán)境條件,設(shè)計不同的配方,配置可適應(yīng)不同要求的材料體系,因此樹脂基復(fù)合材料性能與結(jié)構(gòu)對制造工藝具有很強(qiáng)的依賴關(guān)系,設(shè)計時必須系統(tǒng)掌握材料各方面的性能,均衡利弊,實行“選材—設(shè)計—制造工藝”一體化的原則,充分利用材料的可設(shè)計性來彌補(bǔ)性能的弱點,進(jìn)而對產(chǎn)品各項性能進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計出滿足要求的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。而這一性能也是樹脂基復(fù)合材料較大規(guī)模應(yīng)用于潮濕及腐蝕嚴(yán)重的地鐵區(qū)間隧道的重要特性之一。2)從成型工藝上區(qū)分,樹脂基復(fù)合材料的成型方法常見的有手糊成型、纖維纏繞成型、模壓成型、拉擠成型、沖壓成型等。目前軌道交通中較常用的為模壓成型及拉擠成型。拉擠成型復(fù)合材料產(chǎn)品在材料性能、受力、防火等各方面均優(yōu)于模壓型復(fù)合材料產(chǎn)品,故在軌道交通中常用且主要用于消防要求高的設(shè)備,使用較廣泛。

3 軌道交通用復(fù)合材料產(chǎn)品的優(yōu)異性能

由于復(fù)合材料由多種不同類型組分材料組成的特殊性,使得復(fù)合材料產(chǎn)品具有優(yōu)于其他材料的整體結(jié)構(gòu)特性以及獨(dú)特優(yōu)異的使用性能,而同時也具備了輕質(zhì)、高強(qiáng)、良好絕緣性能、耐腐蝕性及性能可設(shè)計等優(yōu)點。1)耐腐蝕性能、耐候性:可極好地解決潮濕環(huán)境及氣候循環(huán)變化對金屬等材質(zhì)產(chǎn)生的腐蝕問題。不僅延長了結(jié)構(gòu)及設(shè)備的使用壽命,且不需采取防腐、防銹等防護(hù)措施,全壽命周期基本免維護(hù),減少了維修費(fèi)用及運(yùn)營維護(hù)工作量。2)電性能:可有效阻止隧道結(jié)構(gòu)及設(shè)備在雜散電流等作用下的電化腐蝕,保證地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性。3)熱穩(wěn)定性:復(fù)合材料制品的導(dǎo)熱系數(shù)只有鋼鐵的1/100～1/200,是優(yōu)良的絕熱材料。尤其以碳纖維和碳化硅纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料,在500℃時仍能保持足夠的強(qiáng)度和模量。4)耐蠕變、消聲的作用:可極好的達(dá)到材料耐蠕變效果,同時復(fù)合材料產(chǎn)品的消聲效果也非常明顯,可大大降低環(huán)境中的噪聲。5)加工性能好、綜合成本低:復(fù)合材料可實現(xiàn)制品一次整體成型,降低工藝消耗,提高結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度,批量生產(chǎn)又可降低產(chǎn)品綜合成本。6)可設(shè)計性:可通過調(diào)整材料配比等方法彌補(bǔ)產(chǎn)品生產(chǎn)或使用中出現(xiàn)的某一方面性能的弱點,進(jìn)而設(shè)計出最優(yōu)產(chǎn)品。7)優(yōu)異的防火性能:由于城市軌道交通,尤其是地下隧道消防要求非常嚴(yán)格,而復(fù)合材料優(yōu)秀的防火性能可很好的滿足地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)等意外情況。8)安裝快速、方便:軌道交通工程的設(shè)備與列車之間的空隙必須滿足列車限界的最小要求,而復(fù)合材料產(chǎn)品的可現(xiàn)場切割、易拼裝在較好滿足各專業(yè)安裝要求的同時又可降低施工安裝的強(qiáng)度,加快工程進(jìn)度。因此,在軌道交通工程中采用復(fù)合材料產(chǎn)品不僅可降低工程的全壽命周期成本,同時在后期的施工中也更體現(xiàn)了復(fù)合材料產(chǎn)品安裝的快捷、簡便,優(yōu)異的性能是復(fù)合材料產(chǎn)品運(yùn)用于軌道交通建設(shè)的基礎(chǔ)條件。

4 復(fù)合材料產(chǎn)品在軌道交通的運(yùn)用實況

軌道交通的環(huán)境相對來說比較復(fù)雜,尤其是地下區(qū)間,消防要求高,隧道環(huán)境相對室外惡劣:潮濕、電化腐蝕嚴(yán)重。

廣州早期的地鐵線中,部分隧道內(nèi)使用的鋼支架等設(shè)備已出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕,使得運(yùn)營部門的維護(hù)保養(yǎng)負(fù)擔(dān)日漸加重,隨著新線的不斷建成和投入運(yùn)行,狀況將進(jìn)一步加劇,成為影響運(yùn)營安全的一大隱患,故在軌道交通區(qū)間選擇輕型、強(qiáng)度高、防火性能高、防腐優(yōu)秀的材料是勢在必行的,而復(fù)合材料各項優(yōu)異性能非常適合地鐵區(qū)間環(huán)境的使用。

目前主要運(yùn)用于區(qū)間中的復(fù)合材料產(chǎn)品有:各系統(tǒng)用來承托電纜的電纜支架(替換原金屬支架)(見圖4)、長大區(qū)間設(shè)置的疏散乘客的生命通道(替換原鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))(見圖5)、保護(hù)地鐵三軌的復(fù)合材料防護(hù)罩、盾構(gòu)井的玻璃纖維筋。

同時,還有部分軌道交通車輛也采用了復(fù)合材料,由此可見,復(fù)合材料產(chǎn)品在軌道交通的運(yùn)用大有前途,不管是從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、產(chǎn)品性能還是產(chǎn)品使用的經(jīng)濟(jì)效益都是值得推廣的。

5 結(jié)語

結(jié)合安全、運(yùn)營、施工、經(jīng)濟(jì)等各方面,在軌道交通地鐵區(qū)間運(yùn)用新型材料尤其是性能可設(shè)計的復(fù)合材料,可有效解決區(qū)間金屬構(gòu)件腐蝕、設(shè)備絕緣安裝、運(yùn)營安全及安裝維護(hù)等技術(shù)難題,運(yùn)用價值巨大。

[1] 張玉龍.高技術(shù)復(fù)合材料制備手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

[2] 陳紹杰.航空復(fù)合材料技術(shù)的近期發(fā)展——?dú)W洲2005年JEC復(fù)合材料展覽會見聞[J].航空維修與工程,2005(5):10-12.