碳纖維材質(zhì)等新材料在軌道車輛上的應(yīng)用

郁寶 胡安華

1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇南京 210031

2.南京中車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責(zé)任公司 江蘇南京 210031

在軌道交通設(shè)備高速發(fā)展的過程中，軌道交通車體的主要材料由普通碳鋼向先進(jìn)的輕質(zhì)復(fù)合鋼轉(zhuǎn)變，質(zhì)量大大降低。碳纖維復(fù)合材料作為一種新型的戰(zhàn)略性材料，具有強(qiáng)度高、重量輕、耐磨性好等優(yōu)點。與金屬材料相比，耐腐蝕性強(qiáng)。輕量化是解決軌道交通車輛主承載結(jié)構(gòu)問題的首選材料，其重點是在材料制造過程中對輕量化、強(qiáng)度、剛度和阻燃性能進(jìn)行置換，以達(dá)到提高車輛承載能力的目的。在我國社會主義現(xiàn)代化進(jìn)程中，城市軌道交通得到了長足的發(fā)展，作為車輛的重要組成部分，車輛采用輕質(zhì)材料，有利于行車安全節(jié)能環(huán)保環(huán)境。因此，了解新型輕質(zhì)材料在城市軌道交通中的應(yīng)用，對于城市軌道交通的設(shè)計者和生產(chǎn)商具有重要意義。

1 軌道交通車體結(jié)構(gòu)材料

1.1 鋼結(jié)構(gòu)

軌道交通車輛車體結(jié)構(gòu)材料以普通碳鋼為主，碳鋼價格便宜，強(qiáng)度高，但易腐蝕環(huán)境。高鹽霧或高濕度環(huán)境；設(shè)計過程中要求有較高的耐腐蝕性，車體要求有較高的安全系數(shù)，使車輛重量和能耗更高，以提高耐腐蝕耐候鋼的冗余性。用耐候鋼代替耐候鋼里斯耐蝕性是碳鋼的2-3倍，整車自重減少10%-20%。但是油漆保護(hù)還沒有誕生必要，采用不銹鋼后，車體重量比普通碳鋼高30%-50%，無涂層保護(hù)。

1.2 鋁合金結(jié)構(gòu)

鋁合金車身的結(jié)構(gòu)主要由擠壓型材、空心擠壓型材和釬焊鋁蜂窩板組成，早期用鋁合金代替不銹鋼的工藝也經(jīng)歷了較高的技術(shù)成本限制，這得益于合作尋找材料供應(yīng)商和制造商，改進(jìn)焊接工藝、連接工藝和其他生產(chǎn)工藝，控制生產(chǎn)工藝，降低加工成本和設(shè)備成本，在不降低性能的情況下，最終達(dá)到不銹鋼的價格。同時車身平整，比碳鋼車身輕50%，具有良好的耐腐蝕性和較低的維護(hù)成本。

2 軌道車輛新材料的應(yīng)用

2.1 NGC 型鋁合金類型材料的應(yīng)用

城市軌道車輛主要采用不銹鋼材料但是很重。采用鋁合金型材作為扶手材料，與不銹鋼相比，重量減輕了50%以上，因為鋁合金型材具有更好的性能防腐，機(jī)械和焊接成型比不銹鋼。因此，鋁合金型材取代不銹鋼作為鐵路車輛扶手的基材城市。城市軌道交通車輛的持續(xù)發(fā)展，為了提高鋁合金扶手的耐磨性和表面硬度，NGC型鋁合金扶手表面必須進(jìn)行硬質(zhì)陽極氧化，形成硬度較高的硬質(zhì)氧化膜。至3500MPa鋁合金扶手表面形成硬質(zhì)氧化膜需要工序：機(jī)械拋光、研磨、脫脂、清洗、化學(xué)拋光、洗滌、中和、硬質(zhì)陽極氧化、洗滌、密封、固化查格。溶液濃度，成分，溫度和其他電流密度條件也會影響合金坡道表面硬質(zhì)陽極氧化膜的形成鋁。更多溶液溫度越低，硬質(zhì)陽極氧化膜的硬度越高。

2.2 聚碳酸酯類型材料的應(yīng)用

聚碳酸酯材料被稱為PC材料，廣泛應(yīng)用于交通、建筑工業(yè)與傳統(tǒng)玻璃和PC材料相比，PC材料的優(yōu)勢在于：

（1）ME屬性的優(yōu)點。由于pc材料是由有機(jī)高分子材料組成的，其強(qiáng)度和韌性都比傳統(tǒng)玻璃材料強(qiáng)。此外，PC材料安全性高，在實際應(yīng)用中不會發(fā)生自爆炸。

（2）優(yōu)勢。如果PC材料的面積和厚度與傳統(tǒng)玻璃相同，玻璃的重量是PC材料的兩倍，因此我們可以看到這種材料的輕量級優(yōu)勢個人電腦城市軌道車輛采用PC材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃，大大減輕了車輛重量，降低了能耗，達(dá)到了環(huán)保減排的效果。

（3）絕緣的優(yōu)點.熱傳統(tǒng)玻璃的k值比pc材料高10%，可以更有效地隔離夏季車外熱量輸入和車內(nèi)熱量損失。當(dāng)冬季室外溫度為非常低，窗戶與PC材質(zhì)相連，而不是傳統(tǒng)的玻璃感到寒冷，因此很明顯PC材質(zhì)不僅具有傳統(tǒng)玻璃的所有屬性和優(yōu)點，而且與傳統(tǒng)玻璃相比，具有強(qiáng)度、降噪、隔熱等優(yōu)點。傳統(tǒng)鋼化玻璃的重量僅為傳統(tǒng)鋼化玻璃的一半，可以促進(jìn)城市軌道交通車輛的輕量化發(fā)展，未來可以用PC材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼化玻璃在汽車內(nèi)部系統(tǒng)的顯示器、車窗和行李架上的應(yīng)用。

2.3 鋁塑復(fù)合板的應(yīng)用

鋁塑復(fù)合板，俗稱復(fù)合板鋁。這是一種由特殊鋁板制成的復(fù)合材料-塑料化學(xué)處理后，將無毒低密度聚乙烯芯置于兩層包膜鋁箔之間，經(jīng)處理后制成復(fù)合材料。城市軌道車輛內(nèi)墻板的基本材料多為玻璃纖維和蜂窩材料與傳統(tǒng)材料相比復(fù)合鋁板優(yōu)點：

（1）防火性能優(yōu)越。由于鋁板的兩面都很難煅燒，且介質(zhì)為聚乙烯塑料芯阻燃材料，所以阻燃性能優(yōu)越。

（2）頂針強(qiáng)度高粘貼，剝離強(qiáng)度是鋁板的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)復(fù)合材料，由于特殊的制造工藝，復(fù)合鋁板的抗剝落性能達(dá)到了優(yōu)良的狀態(tài)，其耐候性和平整度也相應(yīng)提高。

（3）易于使用維護(hù)。復(fù)合鋁板易于清洗，只需用水和中性清洗劑即可，清洗后的復(fù)合鋁板干凈、新。

（4）高耐受性沖擊。鋁合金復(fù)合板具有很強(qiáng)的韌性，能承受較大的外部沖擊而不造成損傷，彎曲的鋁板不會損壞表面油漆。復(fù)合鋁板的重量約為3.5-5.5kg/m2，而目前使用的鋁蜂窩板的重量為11kg/m2，復(fù)合鋁板的重量優(yōu)勢明顯。

2.4 碳纖維材料在車體上的應(yīng)用

目前，碳纖維復(fù)合材料主要用于上部結(jié)構(gòu)，車體采用大截面冷彎型鋼，滿足了車頂?shù)膭偠纫?。車輛的頂部空間，通常有更多的設(shè)備，如空調(diào)、大型電池等，如果剛度不足，不僅會產(chǎn)生振動，還會造成結(jié)構(gòu)損壞，對行車安全有很大影響回復(fù)：此外，車頂材料對耐蝕性也有很高的要求。車頂經(jīng)常與雨水接觸。雨水的腐蝕往往很嚴(yán)重。材料一旦耐蝕性差，很容易造成材料的穿孔結(jié)構(gòu)，這不僅影響車輛的密封性，也會導(dǎo)致車輛漏水。我們可以使用各種相同橫截面的碳纖維材料制作縱梁來支撐充電，有效提高截面接縫強(qiáng)度，某些橫向纖維可布置與傳統(tǒng)材料車頂基本相同，但其剛度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)材料車頂，車頂在行駛過程中更穩(wěn)定[1]。它的重量大約是傳統(tǒng)車頂?shù)囊话?，可以有效地減輕整個摩托車的重量，降低摩托車的能耗。機(jī)車。測試車頂剛度，當(dāng)車頂荷載為4t時，車頂撓度只有2mm左右，說明材料完全能滿足剛度要求，而且碳纖維材料具有良好的耐腐蝕性。它可以在較長的降雨時間內(nèi)保持原材料的性能，有效地提高車輛的可靠性。

2.5 碳纖維材料的應(yīng)用

碳纖維是一種能像鋼一樣導(dǎo)電的纖維狀碳材料，具有多種熱性能、力學(xué)性能和耐熱性能。碳纖維材料比耐熱鋼更耐高溫，更耐腐蝕不銹鋼，但密度比鋁低，比鋼更堅固。

（1）腐蝕。碳纖維材料不僅具有碳纖維材料的特性，而且具有纖維材料的柔韌性和可變性。紡織品碳纖維的楊氏模量是傳統(tǒng)玻璃纖維的三倍，是傳統(tǒng)玻璃纖維的兩倍，此外，碳纖維材料不溶于酸性、堿性和有機(jī)溶劑，具有優(yōu)異的耐腐蝕性。

（2）密度小、強(qiáng)度高。玻璃纖維增強(qiáng)低密度高強(qiáng)度熱固性塑料用作大多數(shù)城市軌道交通車輛司機(jī)室的面罩，而碳纖維密度較低，強(qiáng)度較高纖維玻璃。一般情況下，城市軌道車輛面罩的質(zhì)量在250kg到320kg之間千克為減輕車輛重量，應(yīng)使用碳纖維增強(qiáng)熱固性玻璃。

（3）抗拉強(qiáng)度高。碳纖維的拉伸強(qiáng)度是玻璃纖維的兩倍，是鋼的7-8倍。但碳纖維的密度僅為玻璃纖維的三分之二，用碳纖維材料代替玻璃纖維制作駕駛室面罩，可以達(dá)到面罩的性能標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)汽車的發(fā)展。城市軌道交通向輕量化方向發(fā)展，未來汽車裝配材料的選擇將越來越多地推動性能優(yōu)良的碳纖維材料的發(fā)展。

（4）自重小、剛度高的構(gòu)件[2]。一般來說，材料的比模量越大，構(gòu)件的剛度就越大大。更多比電阻高，元素的自重越大弱，碳纖維是一種高模量、高強(qiáng)度、低自重、高剛度的優(yōu)良材料。城市軌道車輛材料的應(yīng)用也應(yīng)相應(yīng)地發(fā)展和改革，選擇強(qiáng)度更高、重量更輕的新材料。

3 軌道交通車體結(jié)構(gòu)材料未來發(fā)展方向

軌道交通車體結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)應(yīng)以安全、可靠、舒適、環(huán)保、環(huán)保為導(dǎo)向。智能。鐵路運輸設(shè)備的技術(shù)發(fā)展、材料選擇，高性能、輕量化、技術(shù)成熟，新材料的廣泛應(yīng)用是鐵路運輸領(lǐng)域的重要指標(biāo)。根據(jù)需求合理選擇材料是優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵，通過平衡材料需求和技術(shù)來升級軌道交通設(shè)備，未來軌道交通車輛車體設(shè)計將需要選擇采用高強(qiáng)度合金和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，堅持輕量化發(fā)展理念，采用新材料、新技術(shù)、新體系，推動先進(jìn)材料在列車上的應(yīng)用，以滿足列車輕量化、安全可靠的要求。高速，減振降噪。應(yīng)圍繞以下三點：①材料：采用輕質(zhì)高性能材料，采用符合材料特性的設(shè)計理念，對車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，同時考慮工藝、組織結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行選擇和優(yōu)化。②平臺：合理的材料設(shè)計從原料、3D圖形設(shè)計、成型工藝、仿真分析、試驗驗證、試驗維護(hù)等全過程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的建立；來自數(shù)據(jù)控制和其他膠帶。③制造：將定制激光焊接技術(shù)、變厚度軋制技術(shù)和低成本復(fù)合材料自動成型技術(shù)相結(jié)合，建立自動化控制和測試生產(chǎn)線，提高穩(wěn)定性實現(xiàn)產(chǎn)品智能化制造[3]。

4 結(jié)語

隨著碳纖維制造技術(shù)的發(fā)展，碳纖維材料作為高稀土的生產(chǎn)材料和過渡材料已廣泛應(yīng)用于鐵路車輛的機(jī)械零部件和內(nèi)飾件中，積極探索碳纖維復(fù)合材料在軌道交通車輛中的應(yīng)用持續(xù)減輕車輛重量，有效提高車輛性能，為乘客提供更好的服務(wù)和駕駛體驗舒適?，F(xiàn)代材料技術(shù)的不斷創(chuàng)新，新材料正在改變很快。大量的新材料可以應(yīng)用于城市軌道車輛內(nèi)部裝配系統(tǒng)中，大大提高了城市軌道車輛內(nèi)部裝配系統(tǒng)的美觀性、安全性和舒適性。