先進復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用

童喆益 施靜 趙鑫

摘? 要：先進復(fù)合材料具備比強度高、比模量高的特點，是產(chǎn)品實現(xiàn)輕量化的一種非常重要的途徑;同時，復(fù)合材料可以通過采用不同的組合方式，實現(xiàn)不同的功能特性，亦可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)-功能一體化，是軌道交通領(lǐng)域新材料發(fā)展方向的重要組成部分。

關(guān)鍵詞：碳纖維;復(fù)合材料;軌道交通

中圖分類號：U270.2 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）17-0166-02

Abstract： Advanced composite materials have the characteristics of high specific strength and high specific modulus， which is a very important way to lighten the weight of products. At the same time， composite materials can achieve different functional properties by using different combination methods. It can also realize the integration of structure and function， which is an important part of the development direction of new materials in the field of rail transit.

Keywords： carbon fiber; composite materials; rail transit

隨著時代的發(fā)展，材料加工工藝和使用環(huán)境也在不斷發(fā)生變化，復(fù)合材料本身從最早的草和泥的結(jié)合逐步發(fā)展到鋼筋混凝土的結(jié)合，并在20世紀(jì)70年代正式邁入先進復(fù)合材料時代，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（CFRP）和玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料（GFRP）逐漸被人們熟知。

1 纖維增強復(fù)合材料的特點

1.1 比強度、比模量高

碳纖維/玻璃纖維復(fù)合材料具有比傳統(tǒng)金屬材料更高的比強度和比模量，如表1所示。

碳纖維/玻璃纖維復(fù)合材料可以有效減少車體自身重量，減少摩擦損耗，降低能耗;或者，在車體總重不變的情況下，提高有效載荷，提升運能。

1.2 可設(shè)計性強

（1）復(fù)合材料本身就是一個結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料本身就是一個結(jié)構(gòu)，不同的纖維選材，不同的纖維鋪設(shè)方向，可以造就完全不同的層合結(jié)構(gòu)。絕大多數(shù)的樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件，都是基于模具而成的，模具的不同形態(tài)導(dǎo)致復(fù)合材料制件的千變?nèi)f化（如圖1）。

（2）準(zhǔn)各向異性

與常規(guī)金屬材料不同，連續(xù)纖維增強復(fù)合材料具有準(zhǔn)各項異性性能。連續(xù)纖維母線方向上的力學(xué)性能明顯高于纖維法線方向性能，在與基體材料復(fù)合后，復(fù)合材料同樣可以具備此特殊性，使復(fù)合材料構(gòu)件能夠滿足更為復(fù)雜的工況載荷。常規(guī)的T700級碳纖維與環(huán)氧樹脂結(jié)合后的復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表2所示。

（3）不同材料組合實現(xiàn)不同功能

復(fù)合材料可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)-功能一體化，不同的材料組合，可以實現(xiàn)不同的功能要求。

從電性能方面來看，碳纖維具有弱導(dǎo)電性，其電阻率介于金屬和半導(dǎo)體之間，輔以恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計，可以實現(xiàn)在封閉區(qū)間內(nèi)的電磁屏蔽效應(yīng);與此相反，玻璃纖維復(fù)合材料具有良好的透波性，以石英纖維為例，1MHz的介電常數(shù)為3.70，介質(zhì)損耗系數(shù)僅為0.0001。

從耐熱和耐燒蝕方面來看，以常規(guī)不飽和樹脂作為基體的復(fù)合材料，耐溫在100℃以下;環(huán)氧樹脂基體復(fù)合材料則可以達到180～220℃的區(qū)間;酚醛樹脂復(fù)合材料耐溫可以達到350℃以上。

2 國內(nèi)外復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

在國際上，比較典型的案例包括：法國在2000年研制的TGV雙層客車，車體采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，較傳統(tǒng)鋁合金車體減重25%;日本川崎重工開發(fā)的新一代鐵道車輛轉(zhuǎn)向架“efWING”，安裝了采用碳纖維側(cè)梁結(jié)構(gòu)技術(shù)的柔性構(gòu)架，輪重減載率下降50%，車體外殼總減重達到40%。以德國NGT、法國AVELIA高速列車為代表的歐洲未來新一代列車中，碳纖維復(fù)合材料利用率進一步提高，覆蓋的功能結(jié)構(gòu)也更為廣泛，復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域中的應(yīng)用，大有趕超在航空器中利用率的趨勢。

國內(nèi)，《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》和《中國制造2025》均將碳纖維復(fù)合材料作為戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)進行重點突破，《中國中車科技發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確提出“重點突破基于碳纖維等復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用”。[1]

3 復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用

復(fù)合材料按其用途可分為結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料和功能性復(fù)合材料，前者主要用于結(jié)構(gòu)承力，后者主要用于包括隔熱、透波、防火等功能要求。兩種復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域都有非常廣闊的應(yīng)用前景，能夠在減重、延長使用壽命、節(jié)能減排、降低全壽命周期成本等方面發(fā)揮積極作用。

3.1 結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用

減重是軌道交通領(lǐng)域一個長期而又復(fù)雜的課題，而復(fù)合材料輕量化的特點與軌道交通行業(yè)低碳環(huán)保、節(jié)能減排、減振降噪的總體目標(biāo)是非常契合的。越來越多的軌道交通領(lǐng)域產(chǎn)品開始使用碳纖維復(fù)合材料和玻璃鋼復(fù)合材料來替代傳統(tǒng)的鋼材和鋁合金型材;同時，根據(jù)構(gòu)件的不同用途，所采用的復(fù)合材料成型手法也趨于多元化，比如車廂內(nèi)的側(cè)墻、地板等結(jié)構(gòu)，采用了蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu);端墻、側(cè)頂板采用了熱壓罐成型的碳纖維蒙皮結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

CRH3-380B/D系列“和諧號”動車組列車前端組件則采用了玻璃鋼手糊工藝制造，如圖3所示。

3.2 功能性復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用

功能性復(fù)合材料在軌道交通中的應(yīng)用典型案例是防火。

隨著最新的EN45545標(biāo)準(zhǔn)的引入，軌道交通防火要求提到了一個新的高度，常規(guī)的不飽和樹脂以及部分環(huán)氧樹脂復(fù)合材料已不能完全滿足EN45545 HL3級防火等級要求，酚醛樹脂纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用應(yīng)運而生。

為青島四方“新一代碳纖維地鐵車輛-CETROVO” 配套的碳纖維空調(diào)殼體（見圖4）采用了T700/401系列酚醛樹脂碳纖維增強復(fù)合材料體系，產(chǎn)品主體為碳纖維蒙皮-PMI泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，采用熱壓罐成型工藝制造而成。產(chǎn)品總體滿足EN 45545 R1類別HL3級防火性能，數(shù)據(jù)如表3所示。

產(chǎn)品總重小于140kg，相比鋁合金結(jié)構(gòu)減重45%。復(fù)合材料“結(jié)構(gòu)-功能一體化”的特性得以充分體現(xiàn)。

韓國EMU250/300高速列車前端組件，產(chǎn)品外輪廓尺寸為2450mm×3010mm×1860mm，總重<450kg，產(chǎn)品采用了玻璃纖維-改性酚醛樹脂體系預(yù)浸料，經(jīng)熱壓罐成型工藝制造而成，滿足EN 45545 R1類別HL3級防火性能，并實現(xiàn)了前端殼體一體成型，見圖5。

4 結(jié)束語

“創(chuàng)新、高效、綠色、智能”，我國的軌道交通市場正在快速、蓬勃發(fā)展，復(fù)合材料作為軌道交通領(lǐng)域產(chǎn)品輕量化的最佳材料之一，必將更多、更快地參與到軌道交通領(lǐng)域的建設(shè)中來。復(fù)合材料的“功能-結(jié)構(gòu)一體化”以及靈活設(shè)計的特殊性，有利于列車產(chǎn)品的整體減重和二次優(yōu)化，將會在今后軌道交通領(lǐng)域中發(fā)揮更為積極的作用。

參考文獻：

[1]章瀟慧.先進復(fù)合材料軌道交通車輛輕量化發(fā)展與思考[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2019（1）：51-58.