城市軌道交通車輛采用的工程新材料

韓曉明 上海軌道交通設備發(fā)展有限公司 (200233)

韓曉明（1980年~） 男，畢業(yè)于江蘇大學機電學院，現(xiàn)為上海電氣集團上海軌道交通設備發(fā)展有限公司設計師，長期從事軌道交通車輛整車車體內(nèi)裝飾系統(tǒng)研發(fā)工作。

0 引 言

2011年至2014年間，我國城市軌道交通建設將完工62條在建線路，建設里長將倍數(shù)于此前竣工總量。截至2011年8月，全國共有30個城市軌道交通近期建設規(guī)劃獲批。其中，20個城市在規(guī)劃期內(nèi)調(diào)整、擴大了建設規(guī)模。將來國內(nèi)會有越來越多的城市開通城市軌道交通線路。

巨大的市場需求推動了城市軌道交通車輛制造業(yè)的發(fā)展，城軌車輛內(nèi)裝飾件對材料的要求很高，不僅要求美觀，而且輕量化、防火、防煙毒的要求也很高。越來越多的新材料被應用到軌道車輛上來。本文重點對近年來城軌車輛內(nèi)裝飾的新材料作簡要介紹。

1 中空夾芯復合材料

1.1 簡介

目前城軌車輛上使用的復合材料主要有玻璃鋼和鋁蜂窩板。傳統(tǒng)的夾芯復合材料通常為兩塊復合材料增強面板和密度較低的芯材粘接形成，面板和芯材間的界面膠結(jié)強度較低，層間性能較差，在外載荷作用下，尤其是受到?jīng)_擊后，如工具墜落、碎石、冰雹、撞擊等，面板和芯材會產(chǎn)生分層，使得力學性能全面下降，極易導致結(jié)構(gòu)破壞。

中空夾芯復合材料（見圖1）具有良好的整體結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的綜合性能，可廣泛取代傳統(tǒng)的蜂窩及泡沫夾層復合材料。中空夾芯復合材料是通過樹脂復合形成的三明治結(jié)構(gòu)芯材（見圖2），該材料的面層與芯層整體連接成型，極大地克服了傳統(tǒng)蜂窩、泡沫芯材等夾芯復合材料易分層、耐沖擊性能差的缺點，具有高性能（保溫、隔聲、阻燃）、高強度（比強度、比剛度、抗沖擊、耐疲勞）、可設計（纖維體系、芯體結(jié)構(gòu)形式、樹脂體系）、可填充與預埋（填充泡沫、埋設導線、探頭）、易于成型（平面、拐角、異形曲面）等特點，是一類高性能先進復合材料。

圖1 中空夾芯復合材料

圖2 中空織物芯材

中空復合材料與鋁蜂窩性能對比見表1。

表1 中空復合材料與鋁蜂窩性能對比

中空復合材料與玻璃鋼材料的性能對比見下表2。

表2 中空復合材料與玻璃鋼材料的性能對比

1.2 中空復合材料在城軌車輛上的應用

由于中空夾芯復合材料具有隔聲、隔熱、阻燃、質(zhì)輕、環(huán)保等優(yōu)點，目前時速200km/h、300km/h動車組上已經(jīng)使用中空夾芯復合材料作為內(nèi)裝飾材料。隨著城軌車輛阻燃和輕量化的要求越來越高，中空夾芯復合材料也可以應用在城軌車輛內(nèi)飾上。應用范圍有：

內(nèi)側(cè)墻板

用中空夾芯符合材料做的墻板，外觀上與玻璃鋼、鋁蜂窩做的墻板無任何區(qū)別，但重量可以輕30%以上，見圖3、圖4。

圖3 內(nèi)側(cè)墻板

圖4 墻板斷面

（2）內(nèi)頂板

內(nèi)頂板整體可以做成中空織物復合材料，在安裝螺栓的位置可以做成實心層來增加強度，見圖5、圖6。

圖5 中頂板

圖6 中頂板斷面

2 鋁塑板復合材料

2.1 簡介

鋁塑板全稱鋁塑復合板，簡稱鋁塑板，是由經(jīng)過表面處理并涂裝。

烤漆的鋁板作為表層，無毒塑料板作為芯層，經(jīng)過一系列工藝過程。

加工復合而成的新型材料，見圖7。由于鋁塑板是由性質(zhì)不同的兩種材料(金屬與非金屬)組成，它既保留了原組成材料(金屬鋁、非金屬聚乙烯塑料)的主要特性，又克服了原組成材料的不足，進而獲得了眾多優(yōu)異的材料性能。

圖7 鋁塑板

鋁塑板力學性能指標見下表：

表3 鋁塑板力學性能

2.2 鋁塑板在城軌車輛上的應用

鋁塑板在城軌車輛上的應用范圍有：

（1）內(nèi)側(cè)墻板

由于鋁塑板不能沖壓，用鋁塑板做墻板，在窗框的地方比較難處理，所以需要預先做一個窗框，然后用結(jié)構(gòu)膠粘到鋁塑板上，刮膩子，噴漆后效果還是比較好的，見圖8、圖9。

圖8 內(nèi)側(cè)墻板

圖9 墻板斷面

(2)中頂板

鋁塑板有很好的剛度，很適合用作頂板的材料，高速列車上很多內(nèi)頂板就是鋁塑板結(jié)構(gòu)的，它們的生產(chǎn)工藝已經(jīng)很成熟，能夠用在地鐵車輛上。圖10、圖11所示的是鋁塑板頂板的一種結(jié)構(gòu)，鋁塑板和鋁型材之間用結(jié)構(gòu)膠粘接牢固;如有必要，鋁塑板上可以再粘幾塊加強板提高剛度。

圖10 中頂板

圖11 中頂板斷面

3 鎂合金

3.1 簡介

鎂合金是以鎂為基加入其他元素組成的合金。其特點是：密度?。?.8g/cm3左右），比強度高，彈性模量大，散熱好，消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，耐有機物和堿的腐蝕性能好。主要合金元素有鋁、鋅、錳、鈰、釷以及少量鋯或鎘等。目前使用最廣的是鎂鋁合金，其次是鎂錳合金和鎂鋅鋯合金。主要用于航空、航天、運輸、化工、火箭等工業(yè)部門。在實用金屬中是最輕的金屬，鎂的比重大約是鋁的2/3，是鐵的1/4。它是實用金屬中最輕的金屬，高強度、高剛度。在不減少零部件的強度下，可減輕鋁或鐵的零部件的重量。鎂合金的比強度明顯高于鋁合金和鋼，比剛度與鋁合金和鋼相當。在彈性范圍內(nèi)，鎂合金受到?jīng)_擊載荷時，吸收的能量比鋁合金件大，所以鎂合金具有良好的抗震減噪性能。在相同載荷下，減振性是鋁的100倍，鈦合金的300～500倍。電磁屏蔽性佳，3C產(chǎn)品的外殼（手機及電腦）要能夠提供優(yōu)越的抗電磁保護作用，而鎂合金外殼能夠完全吸收頻率超過100db的電磁干擾。質(zhì)感佳，鎂合金的外觀及觸摸質(zhì)感極佳，使產(chǎn)品更具豪華感，而且，在空氣中更不容易腐蝕。

3.2 鎂合金性能

表4 鎂合金與鋁合金性能對比

3.3 鎂合金在城軌車輛上的應用

鎂合金擠壓型材（圖12）可以用作內(nèi)飾材料，目前城軌車輛上的頂板橫梁、通風格柵等部件材料一般都是鋁型材；但有些車對輕量化的要求比較高，而鎂合金密度小，強度、剛度高，可以用鎂合金型材代替鋁型材達到減重效果。車輛內(nèi)飾上可以用鎂合金型材的部位有頂板橫梁、燈體型材、通風格柵、側(cè)頂型材等，見圖13、圖14。

圖12 鎂合金擠壓型材

圖13 頂部橫梁

圖14 鎂合金在車輛頂部的應用

在中國北車唐山軌道客車有限公司下線的國內(nèi)首列實用型中低速磁懸浮列車上也使用了鎂合金材料，由于磁懸浮列車要求輕量化設計，在結(jié)構(gòu)上考慮減重的同時，燈體嘗試采用了鎂合金型材（見圖15）。

圖15 磁懸浮車鎂合金燈體

目前鎂合金的價格要比鋁合金貴，但從整車減重的效果來看還是值得的，相信隨著以后鎂合金材料成本的降低，生產(chǎn)工藝的成熟，鎂合金一定會有越來越廣泛的應用在城軌車輛上。

4 碳纖維

4.1 簡介

碳纖維，顧名思義，它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。碳纖維是一種新型非金屬材料（見圖16）。它一般不單獨使用，多作為增強材料加入到樹脂，金屬，陶瓷，混凝土等材料中構(gòu)成復合材料。碳纖維復合材料具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異性能。既可作為結(jié)構(gòu)材料承載負荷，又可作為功能材料發(fā)揮作用。因此，近年來碳纖維的應用的發(fā)展十分迅速，在航空航天、汽車、能源、建筑、運動器材等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。

圖16 碳纖維

4.2 碳纖維性能

(1)輕質(zhì)高強，其比重為鐵的四分之一，拉伸強度為鐵的10倍，尤其是高彈模量碳纖維，其抗拉強度比鋼材大68倍，彈性模量比鋼材大1．8～2．6倍。

(2)化學性能非常穩(wěn)定，耐高溫和低溫以及耐腐蝕性高，在600℃高溫下其性能保持不變，在-180℃低溫下仍很柔韌，不與惡劣環(huán)境下酸、堿、鹽發(fā)生腐蝕性反應。

(3)可加工性能好。例如，由于碳纖維布質(zhì)輕又可折可彎，可適應不同構(gòu)件形狀，成型很方便，可根據(jù)受力需要粘貼若干層，而且施工時不需要大型設備，也不需要采用臨時固定，對原結(jié)構(gòu)無新的損傷。

此外，碳纖維的其他特性還包括高強度的X射線穿透性、較高的抗熱、導電性及抗磨蝕性能等。碳纖維與鐵道車輛常用的部分金屬材料的部分力學性能指標的比較如表5所示。

表5 碳纖維與其他材料性能對比

4.3 碳纖維在城軌車輛上的應用

碳纖維較早應用在交通運輸工業(yè)，美國福特公司于1969年用碳纖維制作了GT40型賽車，利用層合板制作的板簧，大大延長了賽車的使用壽命。目前，用在交通運輸方面主要是汽車骨架、發(fā)動機前蓋、螺旋槳芯軸、車輪、緩沖器、彈簧片、引擎零件、船舶的增強材料等。見圖17、圖18。

圖17 發(fā)動機前蓋

圖18 發(fā)動機缸蓋

軌道交通領(lǐng)域，國內(nèi)已在高速列車上應用碳纖維材料，制造的產(chǎn)品是高速列車流線型車頭中的前端車鉤頭蓋（見圖19、圖20）。

圖19 高速列車前端

圖20 高速列車頭罩

從近期來看，碳纖維材料可以用來制造承受一定載荷的部件或構(gòu)件，如高強度的流線型車頭前端頭蓋、座椅骨架等。遠期來看，制造次重要的承載荷部件或構(gòu)件，如鐵道車輛車體中次重要承載構(gòu)件、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中的部分承載構(gòu)件。將來如果碳纖維的成本降下來的話，甚至可以用作車體內(nèi)裝飾材料，一定程度上解決輕量化問題。

圖21

目前碳纖維在內(nèi)飾上的應用還主要局限在高檔汽車或汽車的改裝上（見圖21）；在城軌車輛上幾乎是一片空白。單從技術(shù)上講，碳纖維材料的優(yōu)勢顯而易見，重量輕、耐腐蝕、強度高；碳纖維材料可以取代目前城軌車輛上常用的玻璃鋼、鋁板、鋁蜂窩等材料用作內(nèi)飾件如墻板、頂板、間壁、座椅、座椅骨架、司機臺等。

5 結(jié) 論

軌道交通產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為新材料的應用提供了廣闊的市場，而新材料的研發(fā)與應用已經(jīng)成為我國軌道交通產(chǎn)業(yè)能否跨越式發(fā)展的重要課題之一。就前面提到的新材料本身的性能而言，其強度、剛度、耐疲勞等性能均可滿足軌道交通車輛的需求，而結(jié)構(gòu)的設計、各部位對載荷的要求、鋪層的設計、接頭的設計等方面才是制約其應用推廣的關(guān)鍵。不斷開拓創(chuàng)新，探索先進的材料應用技術(shù)將是未來城軌車輛產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標之一。