企业战略论文复合材料在轨道交通领域的应用.doc

复合材料在轨道交通领域的应用 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：u2704+2文献标识码：a文章编号：16721187（2011）02000904 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3 ，而酚醛基cfrp在500和130 mpa的应力下也只有很小的变形。法国国营铁路研制的石墨纤维/环氧复合材料面板蜂窝夹层复合材料整体车体如图2所示。 图2复合材料用于车体 4）复合材料转向架。 复合材料转向架的研究是人们关注的重点。机车车辆的转向架是支承车体，保证列车平稳运行的重要部件，其构架又是特别重要的高强度、高耐疲劳性能的大型承载构件。复合材料在转向架构架上的应用，首推德国。早在20世纪80年代中期，德国aeg和mbb公司就在联邦研究技术部的支持下，与联邦公司合作研究试制出世界上第一台复合材料转向架构架（fvw构架）。型号为hld-e的转向架设计速度为200 km/h，由2根侧梁和2根横梁组成一个整体的双h形构架，在德国铁路明登实验所进行静态模拟实验和耐久性实验。实验结果表明：构架表面的延伸率都在规定值的40以下，构架刚度与理论设计值非常一致，载荷循环次数对动态性能影响不大。 继德国之后，日本铁路在1989年也试制成功cfrp转向架构架，构架自身质量为0.3 t，比普通钢制构架减轻了70%，该构架侧梁为cfrp层压材料叠层结构，板厚16.4 mm，横梁采用缠绕成型，设计最高速度160 km/h。 法国国营铁路研制的三辆采用复合材料车体和转向架的tgv高速双层客车，其构架由玻璃纤维、环氧树脂层压板制成，运行速度高达350 km/h。 除了上述的车体、转向架等结构件，现在国外还在研发用frp复合材料制作车轮、制动盘等承重结构。 如德国的梅萨-施密特公司研制出一种用钢制轮箍、frp轮心和钢制轮毂（衬套）三部分组成的新型车轮，其质量轻，噪声低，能缓和轮、轨接触点的冲击力，且具有良好的空气动力性能。 2.3功能复合材料的应用 首先是刹车盘（见图3），其主要侯选材料是金属基复合材料和c/c复合材料，其次是无烟阻燃复合材料。 法国sncf的tgv最典型的一次火灾事故，发生在1997年10月11日。无烟、阻燃、减振复合材料对于高速列车是必须的。 图3耐磨复合材料刹车盘 3复合材料在国内的发展及现状近年来，随着我国列车运行速度的提高，复合材料在高速列车上的应用越来越受到人们的重视，其研究也取得了一些进展。要实现列车的高速化，必须实施车辆的轻量化。轻量化的主要途径之一是采用轻质高强的新材料。 目前高速列车车体采用的材料有耐候钢、不锈钢、铝合金和复合材料等。在轻量化上，不锈钢优于耐候钢，铝合金又优于不锈钢，而复合材料则是最佳选择（各材料的性能比较如表1所示）。 列车的提速对制造列车的材料提出了新的要求，同时也为复合材料的发展提供了一个可观的潜在市场和很好的发展机遇。不论是客车还是货车，列车自身质量的减轻，都能提高其载重能力，减少运行成本。 如前所述，复合材料具有单一材料无法达到的优异性能，如耐热冲击，线膨胀系数小，尺寸稳定性好，耐磨和耐腐蚀等，尤为突出的是比强度和比模量高。这就意味着采用复合材料制造出相同使用性能要求的车体，要比用钢、铝等型材制造出的车体轻。据计算，用高性能玻璃纤维复合材料夹层结构制成的机车质量比一般钢结构轻25%35%。 轻量化的主要途径之二，是同时优化部件结构设计。采用有限单元法分析结构件的受力状态，计算应力分布，应用计算机辅助设计，优化部件结构，以尽可能地减小结构质量。复合材料的性能可设计、材料和构件一体化的特点，使其制成的构件没有富余的赘重。 总之，高速列车车体减重是制造者始终追求的目标，复合材料将在列车提速的过程中发挥基础的、重要的和关键的作用，同时也逐步扩大在高速列车车体上的应用。 4复合材料在轨道交通领域的应用复合材料在轨道交通领域的最初应用主要集中在列车内部设备、装饰件等非承力结构。随着高速铁路和复合材料的迅速发展，为满足高速机车和车辆轻量化的要求，大型复合材料承载构件（例如车头、导流部件）的研究、试制试验和应用工作不断展开。 4.1复合材料车头盖及其制备技术复合材料车头盖已经成功应用于蓝箭、中原之星、中华之星等高速列车。蓝箭的车头盖是rtm工艺成型的前鼻端，采用增强rfi/vimp工艺整体成型导流罩，如图4所示；中华之星和中原之星的车头盖采用增强rfi/vimp工艺整体成型，但鼻端是可开合的两瓣结构。 引进国外技术并成功消化吸收的真空袋压工艺已经用在国内多个地铁项目上，该工艺成型的三明治夹芯罩的力学性能完全满足uic 651中的要求：180 km/s的子弹射击后头罩不