軌道車輛車體新材料應用及發展研究

周 洲，顏淵巍，劉小芳，王宇鵬，林立鈿，楊 軍

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007）

1 引言

隨著多制式軌道車輛的發展，對于輕量化、阻燃、環保的需求日益增加，且側重點不同。對于地鐵車輛而言，由于長期運行于地下，阻燃安全成為更加關注的問題[1]；對于磁浮列車而言，由于其能量轉化效率以及載重限制，輕量化則成為更需要改善的問題[2-3]；對于動車組而言，減振舒適已成為代表國際發展水平的標志，特別是乘客乘坐環境，例如地板減振、座椅舒適成為動車組發展的一個趨勢[4-5]。因此，發展適合不同車輛需求與要求的材料，系統性解決多制式整車需求已成為未來軌道車輛發展方向。

文章針對多制式軌道車輛發展需求，提出四大類車體用新型材料，纖維增強酚醛發泡材料、芳綸蜂窩夾層材料、有機硅泡沫材料與聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）泡沫夾層材料。從輕量化、阻燃、減振等角度闡述4類材料系統性解決不同車輛需求的情況，為車輛設計與選材提供依據。

2 纖維增強酚醛發泡材料

2.1 發展現狀

纖維增強酚醛發泡材料是一種將熱塑性殼體類微球發泡與纖維增強技術結合到酚醛樹脂中的新型軌道車輛用材料，具備阻燃、防火、隔聲及輕量化特性，體密度最低可至75??kg/m3，圖1為其微觀結構圖。該材料目前主要應用于軌道車輛的風道、地板、頂板及端墻產品上，與傳統的鋁蜂窩材料及玻璃鋼產品相比，具有明顯優勢。

圖1 纖維增強酚醛發泡材料微觀圖

早在1997年，美國密爾沃基復合材料公司便開始纖維增強酚醛發泡材料的相關研究，并開發多種產品[6]，在阿爾斯通的一款城軌車輛上運行多年，在國內車型上也小批量應用，但由于成本遠高于傳統鋁蜂窩材料產品，難以在國內大批量應用。瑞典ACT公司和瑞典Artboard公司均為復合材料輕質板材的著名制造商，其產品主要供給歐洲各大內飾件制造商。此外，中國玻璃纖維專業情報信息網發布消息顯示，德國Spheretex公司推出他們的最新設計產品Sphere.core?SBC?HT，該材料和Artboard公司的輕質材料具有異曲同工之處，它可以和各種增強層結合，生產出強度大且均質的板材，具有非常高的強度?-?重量比。同時，模具很容易被清洗，周期時間也很短。使用比較簡單的技術裝備，就可把Sphere.core?SBC?HT加工成無縫層壓板。其合作伙伴德國?Vosschemie?公司則專門將其用于制造復合材料輕質板材，應用于汽車和運輸行業。

在2013年，株洲時代新材料科技股份有限公司最早開始在國內牽頭研究纖維增強酚醛發泡材料，并將其命名為Timecore，目前已建立相關的生產線。另外，國內其他公司也緊隨其后做相關研究開發。例如濟南圣泉集團股份有限公司開發的“輕芯鋼”等[7]。

目前，纖維增強酚醛發泡材料已經在國內基本實現國產化，由于其阻燃、輕量化、隔聲以及國產低成本化等優勢，在國內已開始得到認可與批量應用。

2.2 典型應用

纖維增強酚醛發泡材料以其輕量化、阻燃、隔聲、隔熱等特性，在國內軌道車輛上得到關注與批量應用，特別是對于有載重要求的地鐵而言，低地板、單軌車是優先選擇方案。該材料主要在地板、風道、頂板與端墻上具有應用優勢[8-9]。

2.2.1 地板

圖2 纖維增強酚醛發泡材料地板組成

纖維增強酚醛發泡材料地板一般采用三明治結構，夾芯采用體密度為200～270?kg/m3纖維增強酚醛發泡材料，面板采用1～2?mm厚的環氧/酚醛復合材料，如圖?2所示。

與傳統鋁蜂窩材料與膠合板材料相比，纖維增強酚醛發泡材料更輕，面密度一般小于9??kg/m2，而鋁蜂窩材料面密度為 12??kg/m2，膠合板材料面密度為 18?kg/m2；導熱系數更低，一般小于0.07?W/（m?· k），而鋁蜂窩材料小于0.20?W/（m?· k），膠合板材料小于0.15?W/（m?· k），同時具備一定結構性防火性能，對比如表1所示。其中，纖維增強酚醛發泡材料與鋁蜂窩材料具有明顯優勢，如圖3所示，面密度同為12??kg/m2時，鋁蜂窩材料隔聲量為25??dB，纖維增強酚醛發泡材料隔聲量可以到 30??dB[10]，當隔聲量為25??dB時，纖維增強酚醛發泡材料面密度可以控制在 7??kg/m2左右。

表1 不同材料地板性能對比

圖3 纖維增強酚醛發泡材料地板與鋁蜂窩材料地板隔聲及面密度對比

目前國內開始廣泛關注纖維增強酚醛發泡材料地板，并在一些車型上取代鋁蜂窩材料地板，例如上海臨港新片區中運量T1線，蕪湖市軌道交通1號、2號線，廣州地鐵7號線等。

2.2.2 風道

纖維增強酚醛發泡材料風道通常采用體密度為75～160??kg/m3的泡沫，當體密度為 75??kg/m3時，須在表面附著一層壓花鋁箔，并通過拼接方式將板材組裝成風道產品，圖4為典型的纖維增強酚醛發泡材料風道。

圖4 風道產品圖

與目前進口的聚異三聚氰酸酯（PIR）風道、鋁合金風道相比，具備選擇更多、隔聲更好、阻燃更優的特點，不同材料風道的對比如表2所示。國內目前在 160??km/h 動力集中動車組、250?km/h動車組，佛山地鐵2?號、3號線上都有相應應用。

表2 不同材料風道對比

2.2.3 其他應用

由于纖維增強酚醛發泡材料的獨特性能，該材料也可用于地鐵的間壁、頂板以及輪艙罩等隔熱產品。對于間壁及輪艙罩產品，尤為強調結構性防火，即在火災情況下，盡可能延長產品失效時間，給乘客更多的逃生機會。因此，對于鋁蜂窩材料而言遇到極大挑戰，鋁合金材料熔點為600??℃左右，結構性防火試驗爐內溫度在15?min時就已經達到800?℃左右。因此，纖維增強酚醛發泡材料可以作為一種理想的防火材料用于間壁與輪艙罩產品的開發，圖5為纖維增強酚醛發泡材料與鋁蜂窩材料間壁結構性防火對比。

圖5 不同材料結構性防火對比圖

3 芳綸蜂窩夾層材料

3.1 發展現狀

芳綸蜂窩夾層材料是由芳綸蜂窩芯與雙面復合材料蒙皮粘接而成，結構具備阻燃、質輕、高強度、高彎曲剛度等特點。該材料逐漸在軌道車輛上進行應用，其應用不僅體現在內飾等非承力部件上，例如側墻、頂板、裙板等，還在地板、車身等承力部件上進行應用[11]。德國Transrapid磁懸浮列車的天花板和地板等便采用杜邦的Nomex芳綸蜂窩夾層材料結構，保證磁懸浮列車對車體的阻燃及重量要求[12]；法國TGV高速列車、美國海灣高速列車BART的邊墻、天花板和行李架等內部結構件，歐洲隧道旅游車內飾件也均采用芳綸蜂窩夾層材料做為其內部結構件等[13]。在國內，軌道車輛芳綸蜂窩夾層材料的應用時間較晚，2015年韓國與中國合作設計生產的CRH5高速列車以ETR-500為原型，采用Nomex芳綸蜂窩夾層材料設計和制造動車的側板、行李架、隔板和壁柜[14]，另外，跨座式列車裙板、250?km/h動車組中頂都開始批量應用芳綸蜂窩夾層材料。與國外相比，在夾芯結構設計與工藝成型，以及成品阻燃設計方面仍存在一定差距。

3.2 典型應用

芳綸蜂窩夾層材料結構由于其輕量化、阻燃、可設計性強，主要應用在動車頂板、裙板等具有大曲面設計要求，以及窗框、司控臺等輕量化要求高的產品上，相比于鋁合金可以減重30%以上，同時滿足機械性能及防火要求，圖6為芳綸蜂窩夾層材料的應用。

圖6 芳綸蜂窩夾層材料應用

其中典型的輕量化產品窗框，相比于玻璃鋼與鋁蜂窩等材料，具有明顯的輕量化優勢，如表3所示。可以看出，采用芳綸蜂窩夾層材料的窗框面密度只有4.5??kg/m2，比鋁蜂窩材料輕55%，比玻璃鋼材料輕43%。

表3 不同材料窗框對比

4 有機硅泡沫材料

4.1 發展現狀

有機硅泡沫材料是一種具備無機與有機特性的柔性發泡材料，具有低熱釋放、低煙、低毒的阻燃優點，能滿足EN?45545-2-2013，R21，HL3軌道交通車輛材料防火測試標準，總揮發性有機化合物（TVOC）僅為聚氨酯泡沫材料的1%，達到食品級別要求。由于其無機屬性，可以在?-55?～?200??℃長期使用，耐候性極佳，同時抗壓縮永久變形僅為1?%，可提供長期舒適性以及安全性。由于其優異性能，有機硅泡沫材料被應用在車輛的座椅墊及減振墊等產品上，主要在國外車輛及出口高端車型等應用較多，座椅墊有機硅泡沫材料微觀結構如圖7所示。一直以來該材料被美國羅杰斯公司壟斷。2020年，由株洲時代新材料科技股份有限公司研制出的有機硅泡沫座椅墊應用于京雄線一等座及VIP座椅上，才打破國外材料行業壟斷。

圖7 有機硅泡沫材料微觀結構圖

4.2 典型應用

目前，該材料通過調整發泡密度可得到具有不同力學性能的產品，因此可以用于軌道車輛的不同產品，有機硅泡沫材料體密度介于80?～?500?kg/m3之間，低密度可以應用在座椅墊上，高密度可應用在地板減振墊上。與傳統的聚氨酯泡沫材料相比，其材料具備更好的阻燃、環保、耐永久變形能力，以及更長的使用壽命，性能對比如表?4所示。

高密度的有機硅泡沫材料可應用于地板減振墊上，如圖8所示，該產品具備良好的抗壓縮變形能力，同時提供較好的減振降噪作用，其性能對比如表5所示。在體密度同為0.352?g/m3情況下，力學性能基本能保持一致，在永久變形能力上還略優于進口材料。通過在香港地鐵上的應用，車內噪聲降低1?～3??dB。

表5 國產與進口有機硅泡沫材料減振墊性能對比

圖8 地板減振墊

表4 有機硅泡沫材料與聚氨酯泡沫材料對比

5 PMI泡沫夾層材料

5.1 發展現狀

PMI泡沫夾層材料是由甲基丙烯酸和甲基丙烯腈的共聚物經加熱發泡而成。同等密度下，PMI泡沫夾層材料是所有硬質泡沫中剛度最大與強度最高的材料。具有獨特的交聯結構，高溫穩定性和耐壓性好，熱變形溫度可達200?℃以上。獨特的分子結構賦予其良好的耐疲勞性能，特別適用于承受動態載荷的復合夾層結構。PMI泡沫夾層材料的性能優異，主要應用在航空航天領域，在軌道交通領域近年才開始逐漸應用，例如，日本新干線E4列車車頭、歐洲快速列車車頭、瑞士Schindler?Techni公司自承載式貨車、德國Duewag公司有軌電車等都有應用。而在國內，2007年孫春方研究PMI泡沫夾層材料在磁浮車上的應用，雖然做了大量的基礎力學試驗，但沒有應用落地；2019年由中車株洲電力機車有限公司聯合株洲時代新材料科技股份有限公司研制出的PMI泡沫夾層材料磁浮車體部件，實現了PMI泡沫夾層材料在車體上的首次應用。

5.2 典型應用

PMI泡沫夾層材料與鋁合金蒙皮及型材結合，形成帶骨架形式的三明治結構，如圖9所示。可以應用在磁浮車輛的車體側墻、車頂、側頂等部件上，實現大幅度的輕量化及安裝簡潔化。采用1?mm鋁合金蒙皮與體密度為75??kg/m3的PMI泡沫夾層材料組成的夾芯結構，其性能如表6所示。

表6 PMI泡沫夾層材料結構性能

圖9 PMI泡沫夾層材料結構圖

采用該結構實現國內某磁浮車體的頂蓋、側頂、側墻、端墻和地板研制，組裝成整車后，車體實際重量為3.0?～3.2??t，同型號的鋁合金車體重量為4.2??t，采用PMI泡沫夾層材料結構后，整體減重24%?～28%，單節車體減重 1.2??t，一列車 4 節編組車體可減重 4.8??t，輕量化效果非常明顯。相比于碳纖維車體，減重相當，但成本更低，連接工藝更加成熟，密封性更好，組裝效率更高。

6 結語

隨著多制式軌道車輛的發展，由纖維增強酚醛發泡材料、芳綸蜂窩夾層材料、有機硅泡沫材料、PMI泡沫夾層材料組成的系列化車體新材料，能夠滿足車體材料最新的差異化需求：①對輕量化、結構性防火、高隔聲隔熱有需求時，可以選擇纖維增強酚醛發泡材料；②對輕量化需求較高，具備隔聲阻燃、大曲面設計要求時，可以選擇芳綸蜂窩夾層材料；③對阻燃、環保、抗變形、減振有較高需求時，可以選擇有機硅泡沫材料；④對輕量化有極高需求時，可以選擇PMI泡沫夾層材料。

我國在這四大車體新材料研究中已取得長足的進展與突破，但仍有很多技術問題需要深入研究與探索：①纖維增強酚醛發泡材料在間壁產品中如何有效提高結構性防火的完整性時間；②有機硅泡沫材料的工藝穩定性及低成本配方研發；③芳綸蜂窩夾層結構成型工藝低成本化；④PMI泡沫夾層結構的成型周期縮短及低成本化等。隨著軌道交通新的阻燃、環保以及人機工程學標準及要求提高，車體新材料必將迎來更大的展現舞臺。