纖維預浸料在高速列車上的推廣及應用

1、<p>　　纖維預浸料在高速列車上的推廣及應用</p><p>　　[摘 要] 隨著速度等級的不斷提升，高速動車組在車輛運行過程中會出現車體局部振顫、車內噪聲偏大等問題，這無疑對車體及車內裝飾件的選材和結構優(yōu)化提出了更高的要求。纖維預浸料作為車內裝飾件的一種新型輕量化內飾材料，在航天、豪華游輪等領域已經得到成熟應用；目前，在軌道交通領域應用較少，且原材料主要依靠進口。近年來隨著國產纖維技術的成熟應用及市

2、場化發(fā)展，國產纖維復合材料在高速軌道列車輕量化、降低成本方面的應用也必將更為廣泛。文章從復合材料的選取、產品制作、與原有鋁制復合結構工藝差異性等做對比，重點闡述纖維預浸料的復合以及復合結構優(yōu)化相結合來加以分析和推介，并提出合理化建議。 </p><p>　　[關鍵詞] 新型內飾材料；輕量化；高速動車組；復合結構；推廣與應用 </p><p>　　[作者簡介] 孫明道，南車青島四方機車車輛股

3、份有限公司，山東 青島，266111；林松，南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島，266111 </p><p>　　[中圖分類號] U270.4 [文獻標識碼] A [文章編號] 1007-7723（2013）01-0027-0004 </p><p>　　隨著車輛運營速度等級的不斷提升，車輛減重已經迫在眉睫，車輛輕量化作為結構優(yōu)化設計的一個重要組成部分，其重要性已經引起越來越多

4、的關注。輕量化設計及制造是高速軌道交通發(fā)展的一個重要方向，其必要性在于： </p><p>　　輕量化能減輕軌道載荷，減小鋼軌磨耗和軌道變形，可顯著降低線路建設費用和鐵路的維護保養(yǎng)費用；輕量化對降低動力耗能成本費用有較大影響，降低了地基振動，提高了減噪性能；輕量化有利于提高舒適度，提高車輛的行走性能，特別是減輕簧下質量，能抑制車輛高速運行時輪軌沖擊載荷的增大。 </p><p>　　一、纖

5、維預浸料的性能特點及發(fā)展趨勢 </p><p>　?。ㄒ唬├w維預浸料的性能及特點 </p><p>　　1. 纖維預浸料的分類 </p><p>　　按物理狀態(tài)分類，分單向預浸料、單向織物預浸料、織物預浸料；按樹脂基體不同，分熱固性樹脂預浸料和熱塑性樹脂預浸料；按增強材料不同，分碳纖維（ 織物） 預浸料、玻璃纖維（ 織物） 預浸料、芳綸（ 織物） 預浸料；按纖維長度

6、不同，分短纖維（ 4176mm 以下） 預浸料、長纖維（ 1217mm） 預浸料和連續(xù)纖維預浸料；按固化溫度不同， 分中溫固化（ 120 ℃） 預浸料、高溫固化（ 180 ℃） 預浸料以及固化溫度超過200 ℃ 的預浸料等。 </p><p>　　2. 纖維預浸復合材料的構成 </p><p>　　纖維預浸復合材料是由基體材料、夾芯材料和纖維增強體復合而成，是本世紀發(fā)展最迅速的新材料之一。

7、其中，基體材料的主要作用是支撐增強材料，對增強材料起保護作用，其分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂；夾芯材料主要指結構泡沫、紙/鋁蜂窩、聚合物材料等；纖維增強體主要起承載作用，主要品種有碳纖維、芳綸、硼纖維、碳化硅纖維和玻璃纖維等。 </p><p>　　3. 纖維預浸料的性能及特點 </p><p>　　纖維預浸復合材料具有重量輕、強度高、剛性大的特點，在航天、航空、交通運輸、基礎建設中發(fā)揮了巨

8、大的作用，成為這些領域產品性能提高和升級換代的關鍵材料，是高速列車輕量化的理想材料。 </p><p>　?。ǘ╊A浸料相關技術發(fā)展趨勢分析 </p><p>　　目前，纖維預浸料復合材料在高速軌道列車的車體結構中應用較少，且纖維預浸料及其復合材料主要依靠進口。 </p><p>　　在國外，纖維預浸復合材料已在軌道交通中廣泛應用。法國國營鐵路公司（SNCF）對于未

9、來的TGV 高速列車，考慮到迫切需要進一步減輕車體重量，認為只能采用碳纖維復合材料的雙層TGV 掛車，并進行線路運行試驗，對其耐火性、抗沖擊強度等進行運行測試。纖維預浸復合材料在高速軌道交通領域主要應用于車體內部裝飾、車內設備等非結構零件材料，同時也將逐步向車體等結構件延伸、擴大。 </p><p>　　二、纖維預浸復合結構與鋁制復合結構的性能差異 </p><p>　　判斷一種材料的性能

10、優(yōu)劣，不僅體現在自身的高性能參數，而且主要體現在其復合成品后的各項性能參數與現有的產品相比明顯高得多。以車內裝飾件的端部間壁為例，對纖維預浸復合結構與鋁制復合結構進行如下對比。 </p><p>　?。ㄒ唬├w維預浸復合結構及復合材料的試制 </p><p>　　1. 纖維預浸材料的保存與使用 </p><p>　　纖維預浸材料的保存與使用對環(huán)境要求高。預浸料保存需在

11、-18℃左右，保存的時間為6個月左右，而在室溫（15～25℃）下就開始軟化。為此，下料過程中需在冷庫的周邊完成，操作完成后及時將余料放進冷庫待用。 </p><p>　　2. 纖維預浸料的復合結構樣式 </p><p>　　高速動車組現有間壁絕大部分為鋁制復合結構，即雙面鋁板加芯材的復合結構，纖維預浸復合結構與其相似，為：纖維預浸料+膠膜+芯材+膠膜+纖維預浸料復合結構。經過實驗驗證后的纖

12、維預浸料理想化厚度為：0.15mm、0.3mm；膠膜及芯材復合后的產品總厚度通常有如下幾種樣式：5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm等。芯材主要有鋁蜂窩、紙蜂窩和泡沫芯；現選取0.3mm厚玻璃纖維為預浸料，與芯材復合后的組合樣式有： </p><p>　　結構1：玻璃纖維預浸料厚0.3+紙蜂窩芯材+玻璃纖維預浸料厚0.3 總厚度5 </p><p>　　結構2：玻璃纖維

13、預浸料厚0.3+紙蜂窩芯材+玻璃纖維預浸料厚0.3 總厚度10 </p><p>　　結構3：玻璃纖維預浸料厚0.3+紙蜂窩芯材+玻璃纖維預浸料厚0.3 總厚度15 </p><p>　　結構4：玻璃纖維預浸料厚0.3+紙蜂窩芯材+玻璃纖維預浸料厚0.3 總厚度20 </p><p>　　結構5：玻璃纖維預浸料厚0.3+紙蜂窩芯材+玻璃纖維預浸料厚0.3 總厚度25

14、 </p><p>　　結構6：玻璃纖維預浸料厚0.3+泡沫芯材+玻璃纖維預浸料厚0.3 總厚度5 </p><p>　　結構7：玻璃纖維預浸料厚0.3+泡沫芯材+玻璃纖維預浸料厚0.3 總厚度10 </p><p>　　結構8：玻璃纖維預浸料厚0.3+泡沫芯材+玻璃纖維預浸料厚0.3 總厚度15 　　結構9：玻璃纖維預浸料厚0.3+泡沫芯材+玻璃纖維預浸料厚0.

15、3 總厚度20 </p><p>　　結構10：玻璃纖維預浸料厚0.3+泡沫芯材+玻璃纖維預浸料厚0.3 總厚度25 </p><p>　　結構11：玻璃纖維預浸料厚0.3+鋁蜂窩芯材+玻璃纖維預浸料厚0.3 總厚度5 </p><p>　　結構12：玻璃纖維預浸料厚0.3+鋁蜂窩芯材+玻璃纖維預浸料厚0.3 總厚度10 </p><p>　

16、　結構13：玻璃纖維預浸料厚0.3+鋁蜂窩芯材+玻璃纖維預浸料厚0.3 總厚度15 </p><p>　　結構14：玻璃纖維預浸料厚0.3+鋁蜂窩芯材+玻璃纖維預浸料厚0.3 總厚度20 </p><p>　　結構15：玻璃纖維預浸料厚0.3+鋁蜂窩芯材+玻璃纖維預浸料厚0.3 總厚度25 </p><p>　　3. 纖維預浸料的復合材料選擇 </p>

17、<p>　　表面蒙皮：預浸酚醛樹脂的玻璃纖維 </p><p>　　泡沫芯材：耐高溫PVC泡沫板 </p><p>　　紙蜂窩芯材：預浸酚醛樹脂的紙蜂窩芯 </p><p>　　鋁蜂窩芯材：預浸酚醛樹脂的鋁蜂窩芯 </p><p>　　4. 纖維預浸料的復合結構樣件及其構成 </p><p>　　玻纖維預浸

18、料+泡沫芯材+玻纖維預浸料，如圖1所示。 </p><p>　　玻纖維預浸料+紙蜂窩芯材+玻纖維預浸料，如圖2所示。 </p><p>　　玻纖維預浸料+鋁蜂窩芯材+玻纖維預浸料 </p><p>　　樣件結構組成方式同圖2相似。 </p><p>　　5. 不同厚度、不同芯材的預浸料復合結構的各項性能指標的測試及對比復合材料是軌道交通內裝復

19、合結構最常用的結構形式之一，內裝件是車內結構的重要組件，不僅起著對車內部件的防護作用，同時也作為車內旅客的一個旅行環(huán)境。 </p><p>　?。?）纖維預浸復合結構的力學試驗項目。為校核復合材料對動車組車輛使用工況的符合性，對纖維預浸復合材料進行抗拉、剝離、抗彎、抗壓、耐沖擊、隔音、隔熱、防火、高低溫試驗和疲勞強度測試等。 </p><p>　?。?）纖維預浸復合結構的力學性能試驗及測試

20、。結果見表1。 </p><p>　　（3）纖維預浸復合結構防火性能測試。測試結果見表2。 </p><p>　?。ǘ╀X制品復合結構 </p><p>　　目前，不同速度等級的高速動車組間壁類鋁制品復合結構，其各項力學性能試驗均已測試過，并已通過行業(yè)標準和權威部門的驗證和認可，在此不一一羅列，僅選擇總厚度為20mm的芯材分別為鋁蜂窩和泡沫芯的鋁板復合結構作為測試對

21、比，具體組合形式為： </p><p>　　結構16：表面板（0.8mm厚鋁板）+鋁蜂窩芯材+背面板（0.5mm厚鋁板）厚20 </p><p>　　結構17：表面板（0.8mm厚鋁板）+泡沫芯材+背面板（0.5mm厚鋁板）厚20 </p><p>　　1. 鋁制品復合結構力學性能試驗見表3 </p><p>　　2. 兩種結構的性能差異比較

22、 </p><p>　　通過表一和表三對比分析，發(fā)現芯材相同、總厚度相同的兩種間壁類復合結構，纖維預浸料復合結構的各項力學性能指標均高于鋁制復合結構的產品各項性能。 </p><p><b>　　三、結 語 </b></p><p>　　通過上述分析對比，除纖維預浸復合結構的復合固化的溫度較高外，其他各項性能均已得到了很好的驗證和測試，與目前高

23、速動車組所采用的鋁制復合結構相比，制作工藝簡單便捷；性能除抗壓、剝離強度稍差外，彎曲強度、疲勞強度及耐沖擊、隔音等遠優(yōu)于鋁制復合結構；成本，以玻纖維預浸料復合板為例，隨著板厚的遞增，成本會有所增加，幅值差異在50%左右；重量，采用玻纖維預浸料復合板制作實際產品，減重效果非常明顯，相對鋁制復合板材可以減重30%～40%。產品設計缺陷，通過不同板材的樣件試制對比，纖維預浸復合板的邊緣圓角不能小于R3～R5，過小容易造成預浸料斷裂。如果設計中