高速列車新型蜂窩壁板材料的研究現狀

陸思曉　翟純純　胡增榮

摘 要：隨著技術的發展，列車速度越來越快。為了高速運行的列車有更好的舒適度，減小對線路的破壞，減少維修工作量和提高運輸效率，要求其質量越輕越好。如今高速鐵路上運行的車輛的車體系統要占整個車輛質量的50%以上，所以大面積采用蜂窩夾層結構材料是減輕車輛主體質量的有效途徑。文章介紹了蜂窩夾層結構材料的發展概況，研究了蜂窩夾層結構復合材料的力學性能；最后從蜂窩材料本身出發，對其性能進行討論并與其他材料進行了簡單比較。

關鍵詞：高速列車；蜂窩材料；性能；現狀

引言

蜂窩夾層結構源于蜜蜂的六邊形蜂巢。在遙遠的古希臘時期，數學家佩波斯就提出：蜂窩的六邊形形狀，充滿了嚴謹的數學思想。這種呈六邊形形狀的蜂窩只需要采用很少量的蜂蠟就可以建成，當時人們就將這一猜想被稱為“蜂窩猜想”。通過后人的研究證明，蜜蜂在建造蜂巢過程中采用了最少的蜂蠟，而蜜蜂所建造的空間卻是最大的，而且它的結構穩定性也非常好。

經過長期研究自然蜂窩六邊形結構的特點，人們成功研制出各種蜂窩結構復合材料，將蜂窩夾層結構用于新材料和新產品的研發，可以用來改善現有產品的特性，結構設計上遇到的困難也可以部分類比蜂窩結構來解決[1]。

蜂窩材料具有傳統材料不具備的很多優點，逐漸受到很多領域的青睞。目前蜂窩夾層結構復合材料作為輕量化材料應用于航空領域的一些零部件。在鐵路運輸行業，蜂窩夾層結構的材料也逐漸被廣泛的使用。

蜂窩夾層結構復合材料是由兩片薄而強的面板、蜂窩芯子、粘合劑組成，根據所使用的蜂窩芯子的材料的不同，主要類型有紙芯型蜂窩夾層、鋁合金芯蜂窩夾層和Nomex蜂窩夾層等不同夾層結構的蜂窩板。Nomex蜂窩夾層結構復合材料是一種性能優異的蜂窩材料，但是它的價格也較貴，過去常常用于航空領域。目前歐美發達國家，已經將普通紙蜂窩、鋁蜂窩和Nomex蜂窩夾層結構復合材料用于軌道車輛上，并取得了良好效果。

比較遺憾的是，我國科研人員對蜂窩夾層結構復合材料的開發的開端相對較晚，而且其科研目的幾乎都是與飛行領域相關的。最早，北航研究所就國內在制造直升機時機身所需的Nomex蜂窩只能依靠國外進口的瓶頸，對我國相對落后的蜂窩復合材料制造方法進行升級優化，制備出了性能更優異的蜂窩復合材料。在過去我國在軌道車輛上采用過普通的鋁蜂窩夾層結構復合材料，隨著我國科技進步，目前一些設計師開始將性能更好的Nomex蜂窩應用到高速列車列車上，但是由于價格貴，所以使用還很少[2]。

蜂窩復合材料擁有很多優良性能，決定了其在許多領域里的多樣化應用。1960年左右，西方工業國家就早已廣泛的將蜂窩板應用于建筑工程、海洋工程、家居設計等領域，但我國一直到九十年代左右才開始有應用于民用領域的趨勢。目前，蜂窩板主要應用在飛機、軌道車輛車身、輪船、汽車和建筑等五個方面。

列車輕量化一直是設計師追求的一個目標，因為車體質量越大，在運行過程中受到的阻力就越大，如能減少車體自身質量，就可以大大減少為抵抗空氣阻力所做的功，減少的能源消耗，同時還可以減少軌道的磨損和降低噪音。最初輕量化是在采用耐候鋼和高強鋼方面下功夫，之后又開始采用不銹鋼，但是這都只能靠有限的提高強度和有限的減少腐蝕量以減低薄板的厚度，因此輕量化的效果是有限的，而且使加工和焊接難度變大。要大幅度減輕重量，必須采用輕合金，如采用合理截面的空心鋁材、鎂鋁材料制造的蜂窩材料，將在大大提高強度及剛度的同時，減少質量并減少制造的難度[3]。

1 蜂窩板的發展概況

在二戰初期，隨著戰況愈加嚴峻，飛機制造業發展迅猛，因此質量小、強度高、剛度大、穩定性好的材料備受青睞，以保證在戰爭中的領先地位。上世紀四十年代，Hill首先制造出了蜂窩夾層結構材料，他用巴隆木薄片芯子，用桃木單片做夾層面板。隨后被用運用到“飛翼”型飛機上試驗，并獲成功。有了先例后，不甘示弱的美國科學家將木質的芯子與鋁材黏合在一起，形成“鋁木蜂窩夾層結構”。一直到二戰末期，一種完全由金屬制作的蜂窩夾層結構才問世，并在飛機的結構件上加以應用，其主要是鋁鎂合金。十幾年后，塑料制造技術問世，由玻璃鋼制作窩芯的蜂窩結構開始萌發。七十年代左右杜邦公司首次嘗試芳綸紙蜂窩，也就是俗稱的Nomex蜂窩，一舉成名。到九十年代杜邦公司通過改變芳綸分子結構和改善浸膠方法，制造出了更為先進的Korex蜂窩。與此同時，日本的科學家在1990年研制出了釬焊鋁蜂窩板。

我國在上世紀六十年代開始研制玻璃鋼蜂窩板，其主要用于飛機的結構件，并取得了較大的進步。緊接著又開發了鋁蜂窩、Nomex蜂窩，并成功應用在飛機的結構件上。

2 蜂窩材料的特性

紙芯型蜂窩、鋁芯型蜂窩與Nomex蜂窩3種夾層結構在某些方面必然有些差異，但是它們都具有相似的基本特征。下面簡單討論一下3種蜂窩夾層結構復合材料所具有的基本特性：

（1）重量輕：由于蜂窩復合材料有著較小的密度，因此整體的質量會大幅度減小，在高速動車中結構部件的重量小就意味著運行、運輸能力的提高與節能，所以蜂窩板必將在高速動車行業有著極大的發展前景。

（2）強度高：蜂窩板是由大量結構十分合理的工字梁結構組成。因此，蜂窩復合材料可以像結構合理的工字梁那樣均勻的承載荷自各方面的載荷，這歸功于其優異的抗壓強度和減振性能。

（3）表面平整度高和高溫穩定性好以及可塑性極好，是制作平面板、曲面板的首選材料，由它制成的結構部件拆裝非常簡便。

（4）高防腐性、絕緣性：適合應用于面臨惡劣運行環境的高速列車[4]。

（5）蜂窩材料結構具有很好的彈性，可以吸收振動能量，從而降低噪音，提高隔聲效果。

（6）根據國際聯運防火標準UIC564-2-199l《鐵路客車的防火和消防規則》，可以看出蜂窩夾層結構材料可以達到A級，這體現它的防火性能非常好。

（7）蜂窩夾層結構材料具有很好的自熄性、放熱值較低，遇到火災后煙密度符合高等級的國際鐵路防火標準能夠形成耐火層，它能吸收一部分燃燒釋放出的有毒氣體。

（8）有良好的成型性，列車內部有些復雜同時又要求其穩定性好的的零件可以用它來制成。

（9）蜂窩夾層結構材料較少使用鉚接，所以減少了應力集中，提高了抗疲勞強度[5]。

3 蜂窩板力學性能研究現狀

由于航天工業率先開始使用蜂窩復合材料，國內外專家一直對蜂窩夾層結構復合材料的微觀和整體結構進行不斷探索。在蜂窩板的眾多性能中，平面壓縮性能和抗彎曲性能最為突出。

3.1 蜂窩板平壓性能研究現狀

總結眾多研究人員對其平壓性進行的實驗可知如下結論：

（1）綜合考慮芯材的密度及抗壓強度，用鎂合金作為蜂窩夾層結構的芯材的強度和剛度要比鋁合金芯材高；

（2）六邊形蜂窩芯子的壓縮強度和抗壓剛度與其邊長成反比，

壁厚成正比；

（3）蜂窩夾層結構的厚度越厚，它的抗壓強度會隨之增大，但是當夾板的厚度增加到一定峰值，它的平壓強度的變化就不那么顯著了；

（4）單芯蜂窩夾層結構材料的抗壓強度和剛度均強于雙芯夾層結構[6]。

3.2 蜂窩板的彎曲性能研究現狀

在很多惡劣工作條件下，蜂窩夾層結構要承受較大的彎曲形變，且因為彎曲形變給夾板帶來的變形包含受壓和受拉兩種形變，局部區域受形變程度較為特殊，因此研究蜂窩夾層結構在彎曲形變時的變化也是其性能研究的主要任務之一。經研究發現鎂芯蜂窩夾層結構的彎曲性能有著幾種不同的損壞階段，主要有局部芯體剪切、壓入彎曲和面板膠層脫膠三種階段，這主要是因為鎂合金芯材的最大剪切強度遠大于蜂窩夾板用膠的膠結強度。因此，增加膠結劑的粘合能力，選擇符合實際的芯材尺寸是提高蜂窩夾層結構的抗彎強度和抗彎剛度的兩種主要方法[7]。

4 蜂窩夾層結構復合材料與其他結構材料的對比

4.1 抗彎剛度與輕量化

從表1可以看出蜂窩夾層結構材料的抗彎能力比其它部分列車常用非金屬材料要高很多，而且蜂窩夾層結構相同面積的質量更小。

4.2 防火性能

如表2所示，蜂窩夾層結構復合材料的防火性遠遠高過其他列車結構復合材料，由此可見，蜂窩夾層結構復合材料的防火能力非常強。

4.3 穩定性

一些復雜彎曲形面零部件采用蜂窩夾層結構復合材料制造的話，可以保持形狀的長期穩定，而有些零件是用塑性材料、玻璃鋼和其他工程塑料成型制造的，時間一長，它們的形狀或多或少會有改變。塑性材料在高溫和高濕度的環境下，表面受侵蝕嚴重，結構部件受損，由玻璃鋼和其他工業塑料制成的結構零件還會發生老化現象。那些用工程塑料成型制造的零部件10年左右有的甚至7、8年的時候就需要檢查，不符合要求的需要更換，而那些用蜂窩夾層結構復合材料制作的零部件可以達到20年以上甚至更久，這既降低了成本也節約了很多資源。

4.4 環境適應性

蜂窩夾層結構復合材料在不同的環境下能保持性能穩定，不會發生變形、損壞、老化等問題。這是其他工業塑料所不具備的。在一些復雜環境中其他工業塑料的應用將會受到很大限制，而蜂窩夾層結構復合材料的應用就可以很好的彌補其他材料在這這些領域里的缺點。

4.5 隔聲減振性

相較于其他工程材料，蜂窩夾層結構復合材料具有更好的回彈性，使其可以更多地吸收振動能量，因此在隔聲減振方面有很廣泛的應用前景。所以，蜂窩復合夾層材料常被用于制造客室地板、空調風道等零部件，以充分發揮其隔聲、減振的效果[8]。

5 結束語

作為舉足輕重的先進材料，蜂窩夾層結構復合材料在航空航天業上早已大規模應用，發達國家在軌道車輛的車體上也有所應用，因其密度低，比強度高，尤其是抗彎剛度高等突出的優異性，其用途逐漸變的更加廣泛。在使用蜂窩夾層結構復合材料設計生產軌道車輛車體和客、貨車的結構件的時候，主要需要注意兩個重點：首先是根據實際情況科學地設計蜂窩板的蜂窩芯子結構，選擇適當的芯材厚；其次是在采用該材料在設計制造用于承受高載荷工況的結構部件時，要格外重點考慮蜂窩板的各向異性。除了考慮以上兩個主要問題之外，還要按照實際設計要求及結構需要來處理好其他次要問題。

參考文獻

[1]張廣平，戴干策.復合材料蜂窩夾芯板及其應用[J].纖維復合材料，2000（2）：26-27.

[2]李勇.直升機用Nomex蜂窩研究[J].航空材料學報，1996，3（1）：47-54.

[3]王玉瑛，吳榮煌.蜂窩材料及孔格結構技術的發展[J].航空材料學報，2000，20（3）：172-177.

[4]郭建明，胡鵬飛，向曉龍，等.蜂窩鋁板剝離強度的研究[J].裝飾裝修材料，2003，8：53-54.

[5]迎春.鎂合金蜂窩板的制備及力學性能研究[D].大連交通大學，2009.

[6]朱峰，陳瓊，呂原君.基于FEA的單蜂窩芯壓潰分析[J].廣西輕工業，2008（1）.

[7]范秋習.蜂窩夾層復合材料[J].北京輕工業學院學報，1998，16（2）：77-78.

[8]趙稼祥.新型高性能蜂窩芯KOREX[J].宇航材料工藝，1996（5）：58-59.