复合材料在轨道车辆上的应用研究
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116 联通中国 CHINA UNICOM复合材料在轨道车辆上的应用研究文周文娟 （中北大学）摘要：本文介绍了国内外复合材料的应用现状，重点讨论了以纤维层压板为表层，蜂窝铝/PET泡沫铝为芯材的复合材料在车辆内饰地板中的应用现状。文章首先对两种材料的基本特性进行了详细的阐述，在与其他材料相比较后，总结了两种材料的优势。从多个方面论述了两种材料在地板结构设计中应用的技术难点。并针对目前夹芯复合材料在轨道车辆应用中存在的问题提出相关建议。 关键词：复合材料；轨道车辆；纤维层压板夹芯复合材料应用现状英国第一次使用夹芯材料，是采用的桃花芯木，芯子采用的是巴萨木，应用在飞机机翼设计中。意大利新一代高速列车的侧板、顶板等都运用了Hexlite310夹芯材料，这款符合材料使得每辆车的重量比之前的轻了三分之二。蜂窝夹芯结构和碳纤维复合材料自1989年在日本投入使用以来，这些材料已用于制造6米长的客车研究中。20世纪60年代，我国利用夹芯结构制造了直径44米的球形雷达罩。四方主机厂开发的200公里动车组大部分室内装饰部件都采用的是夹芯结构，如驾驶室和起居室地板采用了夹芯铝蜂巢结构，端墙采用克莱格赛尔泡沫夹芯材料，检查门板采用了聚氯乙烯泡沫夹芯复合板等。长客股份的CRH5动车组的客舱屋顶、车厢壁、行李架底板等部位也都采用蜂窝复合板结构。基于纤维层压板为面层铝蜂窝/PET为芯材的复合材料目前的轨道车辆材料中，多用于夹芯结构表层的材料有：铝板、玻璃钢以及其他复合材料等。芯材主要有：泡沫、轻质木材、蜂窝等。其中泡沫材料还包括聚酯泡沫、聚氯乙烯等，蜂窝包括有Nomex蜂窝和铝蜂窝等。以下是对基于纤维层为面层，铝蜂窝/PET为芯层复合材料的性能分析。（1）纤维层压板性能特点。纤维层压板主要由阻燃增强纤维、改性酚醛树脂为粘结剂、其他助剂等组成。采用特殊工艺制造的轻质复合材料，其厚度可根据产品的强度来设计，一般厚度为0.6-2mm，具有粘性非常强、起烟少、表面光洁、理化性能好、可以有效阻燃等众多优势。（2）铝蜂窝性能特点。铝蜂窝芯材料已广泛应用于轨道交通领域，其结构具有材料选择优良、工艺先进、结构合理等众多优点，在形状、表面处理、颜色、安装系统等方面有多种选择。 铝蜂窝芯的规格取决于铝箔的厚度和蜂窝孔的大小。不同规格的铝蜂窝具有不同的密度和不同的力学性能，造价成本也存在差异。
（3）PET 性能特点。PET芯材是一种新型的闭孔聚合物泡沫夹芯板，CHINA FLIGHTS 中国航班117 联通中国CHINA UNICOM
剪切和压缩性能良好。用氟化物作为发泡剂生产传统的聚酯泡沫会对环境造成一定的污染。最新PET发泡技术可以使用CO2作为发泡剂，实现温室气体零排放，这样的做法非常有利于环保。比如3AAIREX等产品。新型PET发泡技术在使用寿命期间可长期承受100℃左右的高温。PET泡沫在使用时，可以选用不同的密度。总密度越高，力学性能越好，但重量和成本也会越高。（4）铝蜂窝、PET与胶合板性能比较。常规25型的铁路客车，地板大多数都是胶合板。胶合板的密度为700kg/m³，抗压强度约4MPa，抗拉强度约2MPa；铝蜂窝的密度为110kg/m³，抗压强度约5.31MPa，抗拉强度约5.07MPa；PET泡沫复合材料的600kg/m³，抗压强度约5.62MPa，抗拉强度约6.22MPa。从上述的对比中可以看出铝蜂窝和PET泡沫复合材料在重量和力学性能上都优于胶合板，因此它们可以用作铁路轨道车辆的地板材料。基于纤维层压板为面层的复合材料地板结构设计（1）地板结构特点。地板一般是分块铺装，最大宽度为1220mm×2440mm，设计总厚度大部分为18mm，结构为2mm面板、15mm芯材、1mm面板。 铝合金型材嵌在地板周围，以增加地板的强度。地板安装时只用车身两侧用螺丝固定，这样可以减少地板本身的机械损坏。地板以拼接形式连接，拼接处预埋型材。（2）地板强度分析。虽然地板不是设备的重要组成部分，但在目前的技术水平下很难对其进行大修，因为地板安装属于第一道工序，而安装顺序是在墙板、屋面板和设备之后，在使用过程中一旦出现问题，需要将地板上所有设备拆卸后才能进行维修，所以地板强度至关重要。（3）地板隔音减振分析。有相关的试验结果表明，地板是车外声场的最大组成部分，因此地板的隔声和降噪是降低车内噪声的关键。夹芯复合材料通常都为多孔结构，像铝蜂窝为六边形的蜂巢结构、PET泡沫为高分子聚合物泡沫，声波进入堆芯后会被反射，然后叠加起来衰减声波，起到隔声降噪的作用。材料种类的隔声效果与其密度成正比，与客车的轻量化存在矛盾。在地板结构的设计中，一般会在地板与车体之间增加隔音毡、三聚氰胺泡沫等材料，以增加隔音性能。车辆行驶过程中引起地板振动的因素有很多，复合材料的结构对地板振动的影响尚不清楚。所以为了减小地板的振动，在结构设计中，地板下部一般需要设置有弹性橡胶减振器。减振器可以吸收能量，减少地板受到冲击时的振动。结语以纤维层压板为表面层，铝蜂窝或PET泡沫材料为芯材的复合材料可应用于轨道车辆地板结构，在强度、刚度等性能方面都满足车辆的要求。材料制造成本、设计结构和安装方式等因素成为制约其推广的关键。今后，如果在地板内部使用高强度纤维代替铝制框架，地板的总重量将会更轻，更有利于车辆的轻量化设计。 夹芯复合材料具有重量轻、强度高、塑性好、易成型等优点。由于夹芯材料的应用范围广泛，相关芯材的种类繁多，没有一种材料能满足设计的所有要求。从长远的角度来看，夹芯材料在未来仍面临许多挑战。参考文献[1]孟凡帅,刘小霞,贾焕英,等.轨道车辆中的复合材料防火分析[J].数码世界,2018(4):372-373. [2]孙皓.碳纤维增强复合材料在轨道车辆中的应用[J].环球市场,2018(22):362. [3]于志萍,陈鑫.轨道车辆上复合材料的应用研究[J].科技展望,2016(25）:152. [4]孙春方,薛元德,李文晓.复合材料在现代轨道车辆制造中的应用[J].城市轨道交通研究
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