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复合材料在轨道交通领域的应用

更新时间 2011-5-7 15:10:09 点击数:

复合材料在轨道交通领域的应用
单勇1,谭艳2
(1.南车株洲电力机车有限公司项目管理中心;
2.株洲电力机车广缘科技有限责任公司:湖南株洲412001)
摘要:在文章介绍了复合材料的性能特点,以及目前复合材料在国内外的发展现状,并重点介绍了复
合材料在轨道交通领域的应用和发展趋势。
关键词:轨道交通;复合材料;应用
中图分类号:U270.4+2文献标识码:A文章编号:1672-1187(2011)02-0009-04
       1概述复合材料是由两种或两种以上的组分材料,通过一定的工艺方法制备而成的一种多相材料体系。一般将其中的连续相称为基体材料(如树脂、陶瓷、金属等),分散相称为增强材料(如编织物、连续纤维、短纤维、晶须、颗粒等)。与传统的单一材料相比,复合材料具有一系列优异性能。
    1)优异的使用性能。
    a.高的比强度和比模量:材料强度和模量高且质量轻,能充分发挥承载作用。
    b.良好的耐疲劳性能:金属材料疲劳强度只有其静态拉伸强度的30%~50%,而复合材料,特别是纤维增强复合材料,其疲劳强度是静态拉伸强度的70%~80%,甚至更高。
    c.良好的减震抗撞击性能:高的比模量使其具有良好的阻尼减震性能和较好的抗撞击能力。
    d.良好的耐腐蚀性能:复合材料,特别是聚合物复合材料,具有非常好的耐腐蚀性能,能在许多通常的金属都会发生氧化和腐蚀的环境中使用。
    2)性能可设计性。
    具有各向异性特征,力学性能和电、磁、声、光、热性能具有可设计性,就是可以根据实际的使用需要来设计材料的性能,制备出传统单一材料所不具备的性能。
    3)材料与构件或器件的一致性。
    复合材料与其构件可以一次同时成型,这一特点使部件中的零件数目明显减少,避免了过多的连接件,减轻了质量,简化了制造工序,降低了成本。
    复合材料在航空、航天等高新技术中发挥了重要作用,并在建筑、交通运输、化工和通用机械等领域得到了广泛应用。本文主要讲述复合材料在轨道交通领域的应用现状及发展趋势。
    2复合材料在国外的发展及现状
    2.1用于列车辅助件和非主承力件纤维复合材料已被用作列车内部设备、装修装饰材料和一些辅助件。日本新干线的高速列车中,FRP复合材料主要应用于车窗内饰框、洗漱间、厕所、小便池、水箱、集便箱、车前头盖板等。双层客车两端的车顶板、兼做空调风道的天花板、餐车空调盖板的侧天花板等部件也采用该材料。为了减少受电弓的空气动力噪声,车顶上安装的受电弓罩亦采用FRP材料制造。200系东北、上越新干线客车的地板、中间间壁门等采用蜂窝夹层材料。JR实验电车的部分结构中采用钎焊的铝蜂窝夹层结构材料。
    法国的TGV高速列车也大量采用了纤维增强塑料,用来制造车身、地板、墙板、门窗框架、座椅和门板等。采用FRP复合材料,还有易于适应设计、清洁,减轻维修作业,可整体成型等优点。玻璃钢厕所地板、整体卫生间在国外已大量采用,既解决了腐蚀问题,又减轻了质量。
    意大利ETR500型高速列车上,所有的内部结构边墙、天花板和行李舱都使用了高比刚度复合材料夹层板(由Nomex蜂窝芯材夹在两层带有Tedlar聚氟乙烯塑料薄层的玻璃纤维—酚醛的层压板中)。Eurotunnel旅游车也使用酚醛蜂窝板做其内部结构件。
    英国的铁路部门通过实验发现,选择芳纶纤维增强复合材料做导电架头部,其性能非常令人满意。近年来,复合材料还被用做抗冲击部件,并且取得了很好的实验结果。
    2.2用于制备列车车辆的承重结构纤维增强复合材料在承重结构上的应用也越来越多,其技术已基本接近实用化程度。减轻车辆自身质量是机车车辆工业的目标,而车体部分质量占车辆的15%~35%(对新型车辆,其比例小些),转向架占车辆质量的25%~35%,因此,车体和转向架等部分是应用新材料的主要研究领域。
    1)高速机车司机室。
    高速机车司机室的外型要制成鼻状前端(见图1),既要轻量化,又要耐冲击,FRP复合材料是理想的选择。1977年,英国城间的125型机车司机室前端用层压的FRP板包覆聚氨酯泡沫芯构成夹层结构,比钢制图1鼻状司机室件轻30%~35%,并可耐0.9 kg方钢块以300 km/h的速度冲击。1992年投产的意大利ETR500高速机车头部采用Kevlar纤维和环氧树脂模压成型,其刚性和抗冲击性均好,列车速度高达300 km/h。英吉利海峡隧道高速穿梭列车有严格的防火要求,它的机车司机室用玻璃纤维增强阻燃酚醛树脂手工整体糊制而成,其尺寸误差仅为2 mm。
    2)复合材料车顶。
    为了实现车辆的低重心,日本铁道综合技术研究所与东日本客运铁道公司用CFRP(碳纤维增强聚合物)制成车顶。
    3)复合材料车体。
    日本铁道综合技术研究所生产的CFRP车体较铝合金车体质量减轻了30%。酚醛基CFRP有良好的耐高温性能。铝合金在400℃和40 MPa的应力下会产生大的挠度曲变形

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