新材料和新型粘合劑在高速列車中的應(yīng)用

1 引言

在過去的半個(gè)世紀(jì)里，高速列車一直在迅速發(fā)展。在全世界55%（2050年預(yù)計(jì)升至68%）的人口居住在城市的當(dāng)今，2個(gè)或多個(gè)城市之間原本遙遠(yuǎn)的旅途被一再縮短，商務(wù)和個(gè)人旅行因此而蓬勃發(fā)展。在中國，隨著列車運(yùn)行速度提升至最高 350 km/h，單程距離 2 300 km的航空運(yùn)輸正逐漸被高速鐵路運(yùn)輸取代；而在歐洲，高速鐵路則為旅客提供單程距離超過 1 000 km 的跨境運(yùn)輸服務(wù)。

傳統(tǒng)的長途客運(yùn)車輛笨重、旅行時(shí)間長，在時(shí)間被視為最有價(jià)值概念之一的如今已難以滿足人們出行的需求。因此，許多地區(qū)的列車及其配套基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)升級(jí)蛻變?yōu)楦咚勹F路網(wǎng)絡(luò)，人們對旅行的關(guān)注點(diǎn)也由距離轉(zhuǎn)換為時(shí)間、效率和舒適度之間的平衡。

為在與其他交通方式的競爭中占據(jù)有利地位，高速鐵路除在市中心設(shè)置車站外，還需要在列車設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)有效載荷、能效和舒適度的最優(yōu)化；如建造雙層車體或者每排安置5個(gè)座位，開發(fā)具有空氣動(dòng)力學(xué)造型、差異化設(shè)計(jì)的整流罩和車身，規(guī)劃設(shè)計(jì)更寬大的內(nèi)部空間和窗戶，以及提供更安全和更佳的乘客體驗(yàn)。這些因素共同為乘客提供安全舒適的旅程，有利于運(yùn)營商在激烈的市場競爭中贏得客戶的青睞。作為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的基礎(chǔ)，材料科學(xué)和粘合劑技術(shù)推動(dòng)著高速列車外部形態(tài)和內(nèi)部組件的轉(zhuǎn)變，為高速列車帶來了更多先進(jìn)的特性和功能，不斷解決高速列車系統(tǒng)在速度、能源效率和穩(wěn)定性方面諸多具有挑戰(zhàn)性的難題，讓制造商和運(yùn)營商能夠更加專注于開發(fā)新的設(shè)計(jì)以提高列車的乘坐舒適度、改善乘客體驗(yàn)。

2 新型聚合材料與粘合劑

為提高鐵路客運(yùn)的吸引力，鐵路運(yùn)營商和高速列車制造商必須以乘客為中心，采用緊跟技術(shù)腳步的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)和定制其列車，滿足乘客的需求和期望；例如，將靜音車廂和餐吧車整合在一起，提供諸如互聯(lián)網(wǎng)接入、隱私保護(hù)、與舒適度相關(guān)的環(huán)境溫度和音量調(diào)節(jié)等便捷服務(wù)。粘合劑粘合等先進(jìn)組裝方式的使用在這里發(fā)揮著關(guān)鍵的作用；其可實(shí)現(xiàn)靈活的定制設(shè)計(jì)并確保相關(guān)組件達(dá)到所需的性能。粘合劑和膠帶可提供許多可靠的解決方案以滿足舒適性、耐用性和安全性方面要求。

為此，3M 鐵路專家研發(fā)出 3M 粘合劑和膠帶解決方案，以幫助鐵路工程師們進(jìn)行先進(jìn)高速列車的開發(fā)。這些先進(jìn)的粘合劑和膠帶產(chǎn)品組合可滿足從外觀部件的粘合和保護(hù)到內(nèi)飾的組裝和隔聲隔熱等多樣化要求。其可能的應(yīng)用領(lǐng)域示例如圖1所示。

2.1 高速列車專用丙烯酸粘合劑及泡沫膠帶

當(dāng)需要進(jìn)行強(qiáng)韌、抗沖擊、抗疲勞、靈活、多用途的快速粘合時(shí)，丙烯酸粘合劑和膠帶是粘合多種材料的領(lǐng)先技術(shù)之一。

當(dāng)2列高速列車以 300 km/h 的速度交會(huì)行駛時(shí)，無論是在隧道內(nèi)還是在明線上，所有部件都會(huì)因氣壓沖擊而變形；此時(shí)，乘客的安全性和舒適度都會(huì)受到影響。為產(chǎn)生與氣壓抗衡的力，列車需要采用堅(jiān)固耐用的裝配設(shè)計(jì)。丙烯酸粘合劑和丙烯酸泡沫膠帶在應(yīng)力吸收和放散方面起著重要作用。新一代 3M 丙烯酸結(jié)構(gòu)粘合劑（如 DP8407NS）在粘合嵌件、金屬和復(fù)合材料部件時(shí)，可展現(xiàn)長期的抗應(yīng)力循環(huán)能力；其增強(qiáng)配方具有出色的彈性和韌性。

3MTMVHB丙烯酸泡沫膠帶和3MTMDual LockTM尼龍搭扣可用于制造耐用的內(nèi)飾墻板、窗框蓋和天花板組件；與其他連接方法相比，其具有更好的美觀性和減振性能，相關(guān)面板振動(dòng)測量結(jié)果如圖2所示。由圖可知，與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械固定方法相比，3MTMDual LockTM和 3MTMVHB 膠帶的振動(dòng)幅度顯著降低。在地板組件中，3MTMVHB丙烯酸泡沫膠帶用于將包括地毯在內(nèi)的地板覆蓋物粘合到地板上；特別是在高運(yùn)量地區(qū)，當(dāng)運(yùn)營商和制造商需要超過 10 年的耐用年限時(shí)，其可提供卓越的踩踏舒適度以及牢固的粘合力，而且可使損壞覆蓋物的更換變得更加容易。在地板下方，3MTMVHB丙烯酸泡沫膠帶可用于將地板粘合到列車車體上；其可確保粘合厚度和彈性的一致，以及粘合時(shí)無應(yīng)力產(chǎn)生；此外，其還可通過自粘高性能聚丙烯酸泡沫的緩沖作用來減少地板的振動(dòng)。

對于諸如廁所組件、行李箱組件、隔板和餐飲設(shè)備等其他內(nèi)飾組件，也可以使用3MTMVHB丙烯酸泡沫膠帶實(shí)現(xiàn)金屬、復(fù)合材料、塑料和透明面板的粘合，以提供更安靜、更有彈性和更為輕量化的裝配方案。

2.2 高速列車專用環(huán)氧樹脂粘合劑

高速列車的地板和車門由于持續(xù)振動(dòng)、扭曲和彈跳而被施加了較大應(yīng)力。環(huán)氧樹脂粘合劑同時(shí)具有耐化學(xué)性、耐腐蝕性和耐潮性的特點(diǎn)。對抗機(jī)械和抗彎曲應(yīng)力有要求的結(jié)構(gòu)面板，如地板或門等進(jìn)行粘合時(shí)，其為最強(qiáng)的粘合劑系列之一。3M環(huán)氧樹脂粘合劑 SW7240B/A FR 已在鐵路行業(yè)成功應(yīng)用 20 多年，是一種高級(jí)增強(qiáng)環(huán)氧樹脂粘合劑技術(shù)。這種增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂配方及其高模量的特性，就是為保證結(jié)構(gòu)板常年高強(qiáng)度使用而設(shè)計(jì)，使得粘合的不同材料組件可在鐵道車輛全壽命周期內(nèi)經(jīng)久耐用，相關(guān)案例如圖3所示。

在地板制造方面，2K 環(huán)氧樹脂粘合劑已被證明是同類產(chǎn)品中最好的，可提供最高的抗彎性、更薄的板型設(shè)計(jì)和長久的耐用性。與膠合板相比，3M SW7240B/A FR 環(huán)氧樹脂粘合蜂窩多層復(fù)合地板除質(zhì)量顯著降低之外，還具備耐久性更高、可回收和隔聲減振等優(yōu)勢，如圖4所示。

列車的輕量化是在能源效率和運(yùn)輸能力之間取得最佳平衡的核心。雖然高速列車的研發(fā)對策側(cè)重于相關(guān)設(shè)計(jì)，但是其輕量化目標(biāo)的達(dá)成也與使用更輕的材料息息相關(guān)。這些材料與粘合它們的適當(dāng)粘合劑共同發(fā)揮作用，就能在保持車輛結(jié)構(gòu)完整堅(jiān)固的同時(shí)，減輕列車的重量，使列車運(yùn)輸能力達(dá)到預(yù)期，并滿足乘客舒適度需求和安全要求。3M 粘合劑產(chǎn)品組合提供了市場上最佳的解決方案，可在實(shí)現(xiàn)輕量化、安全性和耐用性目標(biāo)的同時(shí)，針對特定的振動(dòng)頻率，為更輕的板型提供有效的振動(dòng)阻尼效果。

3 結(jié)論

為達(dá)成減輕重量、增加空間和優(yōu)化噪聲/振動(dòng)管理的效果，最大限度地為乘客提供更好的高速列車服務(wù)，高速鐵路設(shè)計(jì)師和工程師可以從多種粘合劑技術(shù)中進(jìn)行選擇。這些技術(shù)比傳統(tǒng)的連結(jié)緊固技術(shù)更具優(yōu)勢，有助于實(shí)現(xiàn)高速鐵路發(fā)展過程中能源效率與乘客舒適度的提升。