韓曉明 上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 (200233)

韓曉明（1980年~） 男，畢業(yè)于江蘇大學(xué)機電學(xué)院，現(xiàn)為上海電氣集團(tuán)上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司設(shè)計師，長期從事軌道交通車輛整車車體內(nèi)裝飾系統(tǒng)研發(fā)工作。

0 引 言

2011年至2014年間，我國城市軌道交通建設(shè)將完工62條在建線路，建設(shè)里長將倍數(shù)于此前竣工總量。截至2011年8月，全國共有30個城市軌道交通近期建設(shè)規(guī)劃獲批。其中，20個城市在規(guī)劃期內(nèi)調(diào)整、擴(kuò)大了建設(shè)規(guī)模。將來國內(nèi)會有越來越多的城市開通城市軌道交通線路。

巨大的市場需求推動了城市軌道交通車輛制造業(yè)的發(fā)展，城軌車輛內(nèi)裝飾件對材料的要求很高，不僅要求美觀，而且輕量化、防火、防煙毒的要求也很高。越來越多的新材料被應(yīng)用到軌道車輛上來。本文重點對近年來城軌車輛內(nèi)裝飾的新材料作簡要介紹。

1 中空夾芯復(fù)合材料

1.1 簡介

目前城軌車輛上使用的復(fù)合材料主要有玻璃鋼和鋁蜂窩板。傳統(tǒng)的夾芯復(fù)合材料通常為兩塊復(fù)合材料增強面板和密度較低的芯材粘接形成，面板和芯材間的界面膠結(jié)強度較低，層間性能較差，在外載荷作用下，尤其是受到?jīng)_擊后，如工具墜落、碎石、冰雹、撞擊等，面板和芯材會產(chǎn)生分層，使得力學(xué)性能全面下降，極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

中空夾芯復(fù)合材料（見圖1）具有良好的整體結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的綜合性能，可廣泛取代傳統(tǒng)的蜂窩及泡沫夾層復(fù)合材料。中空夾芯復(fù)合材料是通過樹脂復(fù)合形成的三明治結(jié)構(gòu)芯材（見圖2），該材料的面層與芯層整體連接成型，極大地克服了傳統(tǒng)蜂窩、泡沫芯材等夾芯復(fù)合材料易分層、耐沖擊性能差的缺點，具有高性能（保溫、隔聲、阻燃）、高強度（比強度、比剛度、抗沖擊、耐疲勞）、可設(shè)計（纖維體系、芯體結(jié)構(gòu)形式、樹脂體系）、可填充與預(yù)埋（填充泡沫、埋設(shè)導(dǎo)線、探頭）、易于成型（平面、拐角、異形曲面）等特點，是一類高性能先進(jìn)復(fù)合材料。

圖1 中空夾芯復(fù)合材料

圖2 中空織物芯材

中空復(fù)合材料與鋁蜂窩性能對比見表1。

表1 中空復(fù)合材料與鋁蜂窩性能對比

中空復(fù)合材料與玻璃鋼材料的性能對比見下表2。

表2 中空復(fù)合材料與玻璃鋼材料的性能對比

1.2 中空復(fù)合材料在城軌車輛上的應(yīng)用

由于中空夾芯復(fù)合材料具有隔聲、隔熱、阻燃、質(zhì)輕、環(huán)保等優(yōu)點，目前時速200km/h、300km/h動車組上已經(jīng)使用中空夾芯復(fù)合材料作為內(nèi)裝飾材料。隨著城軌車輛阻燃和輕量化的要求越來越高，中空夾芯復(fù)合材料也可以應(yīng)用在城軌車輛內(nèi)飾上。應(yīng)用范圍有：

內(nèi)側(cè)墻板

用中空夾芯符合材料做的墻板，外觀上與玻璃鋼、鋁蜂窩做的墻板無任何區(qū)別，但重量可以輕30%以上，見圖3、圖4。

圖3 內(nèi)側(cè)墻板

圖4 墻板斷面

（2）內(nèi)頂板

內(nèi)頂板整體可以做成中空織物復(fù)合材料，在安裝螺栓的位置可以做成實心層來增加強度，見圖5、圖6。

圖5 中頂板

圖6 中頂板斷面

2 鋁塑板復(fù)合材料

2.1 簡介

鋁塑板全稱鋁塑復(fù)合板，簡稱鋁塑板，是由經(jīng)過表面處理并涂裝。

烤漆的鋁板作為表層，無毒塑料板作為芯層，經(jīng)過一系列工藝過程。

加工復(fù)合而成的新型材料，見圖7。由于鋁塑板是由性質(zhì)不同的兩種材料(金屬與非金屬)組成，它既保留了原組成材料(金屬鋁、非金屬聚乙烯塑料)的主要特性，又克服了原組成材料的不足，進(jìn)而獲得了眾多優(yōu)異的材料性能。

圖7 鋁塑板

鋁塑板力學(xué)性能指標(biāo)見下表：

表3 鋁塑板力學(xué)性能

2.2 鋁塑板在城軌車輛上的應(yīng)用

鋁塑板在城軌車輛上的應(yīng)用范圍有：

（1）內(nèi)側(cè)墻板

由于鋁塑板不能沖壓，用鋁塑板做墻板，在窗框的地方比較難處理，所以需要預(yù)先做一個窗框，然后用結(jié)構(gòu)膠粘到鋁塑板上，刮膩子，噴漆后效果還是比較好的，見圖8、圖9。

圖8 內(nèi)側(cè)墻板

圖9 墻板斷面

(2)中頂板

鋁塑板有很好的剛度，很適合用作頂板的材料，高速列車上很多內(nèi)頂板就是鋁塑板結(jié)構(gòu)的，它們的生產(chǎn)工藝已經(jīng)很成熟，能夠用在地鐵車輛上。圖10、圖11所示的是鋁塑板頂板的一種結(jié)構(gòu)，鋁塑板和鋁型材之間用結(jié)構(gòu)膠粘接牢固;如有必要，鋁塑板上可以再粘幾塊加強板提高剛度。

圖10 中頂板

圖11 中頂板斷面

3 鎂合金

3.1 簡介

鎂合金是以鎂為基加入其他元素組成的合金。其特點是：密度?。?.8g/cm3左右），比強度高，彈性模量大，散熱好，消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，耐有機物和堿的腐蝕性能好。主要合金元素有鋁、鋅、錳、鈰、釷以及少量鋯或鎘等。目前使用最廣的是鎂鋁合金，其次是鎂錳合金和鎂鋅鋯合金。主要用于航空、航天、運輸、化工、火箭等工業(yè)部門。在實用金屬中是最輕的金屬，鎂的比重大約是鋁的2/3，是鐵的1/4。它是實用金屬中最輕的金屬，高強度、高剛度。在不減少零部件的強度下，可減輕鋁或鐵的零部件的重量。鎂合金的比強度明顯高于鋁合金和鋼，比剛度與鋁合金和鋼相當(dāng)。在彈性范圍內(nèi)，鎂合金受到?jīng)_擊載荷時，吸收的能量比鋁合金件大，所以鎂合金具有良好的抗震減噪性能。在相同載荷下，減振性是鋁的100倍，鈦合金的300～500倍。電磁屏蔽性佳，3C產(chǎn)品的外殼（手機及電腦）要能夠提供優(yōu)越的抗電磁保護(hù)作用，而鎂合金外殼能夠完全吸收頻率超過100db的電磁干擾。質(zhì)感佳，鎂合金的外觀及觸摸質(zhì)感極佳，使產(chǎn)品更具豪華感，而且，在空氣中更不容易腐蝕。

3.2 鎂合金性能

表4 鎂合金與鋁合金性能對比

3.3 鎂合金在城軌車輛上的應(yīng)用

鎂合金擠壓型材（圖12）可以用作內(nèi)飾材料，目前城軌車輛上的頂板橫梁、通風(fēng)格柵等部件材料一般都是鋁型材；但有些車對輕量化的要求比較高，而鎂合金密度小，強度、剛度高，可以用鎂合金型材代替鋁型材達(dá)到減重效果。車輛內(nèi)飾上可以用鎂合金型材的部位有頂板橫梁、燈體型材、通風(fēng)格柵、側(cè)頂型材等，見圖13、圖14。

圖12 鎂合金擠壓型材

圖13 頂部橫梁

圖14 鎂合金在車輛頂部的應(yīng)用

在中國北車唐山軌道客車有限公司下線的國內(nèi)首列實用型中低速磁懸浮列車上也使用了鎂合金材料，由于磁懸浮列車要求輕量化設(shè)計，在結(jié)構(gòu)上考慮減重的同時，燈體嘗試采用了鎂合金型材（見圖15）。

圖15 磁懸浮車鎂合金燈體

目前鎂合金的價格要比鋁合金貴，但從整車減重的效果來看還是值得的，相信隨著以后鎂合金材料成本的降低，生產(chǎn)工藝的成熟，鎂合金一定會有越來越廣泛的應(yīng)用在城軌車輛上。

4 碳纖維

4.1 簡介

碳纖維，顧名思義，它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。碳纖維是一種新型非金屬材料（見圖16）。它一般不單獨使用，多作為增強材料加入到樹脂，金屬，陶瓷，混凝土等材料中構(gòu)成復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異性能。既可作為結(jié)構(gòu)材料承載負(fù)荷，又可作為功能材料發(fā)揮作用。因此，近年來碳纖維的應(yīng)用的發(fā)展十分迅速，在航空航天、汽車、能源、建筑、運動器材等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

圖16 碳纖維

4.2 碳纖維性能

(1)輕質(zhì)高強，其比重為鐵的四分之一，拉伸強度為鐵的10倍，尤其是高彈模量碳纖維，其抗拉強度比鋼材大68倍，彈性模量比鋼材大1．8～2．6倍。

(2)化學(xué)性能非常穩(wěn)定，耐高溫和低溫以及耐腐蝕性高，在600℃高溫下其性能保持不變，在-180℃低溫下仍很柔韌，不與惡劣環(huán)境下酸、堿、鹽發(fā)生腐蝕性反應(yīng)。

(3)可加工性能好。例如，由于碳纖維布質(zhì)輕又可折可彎，可適應(yīng)不同構(gòu)件形狀，成型很方便，可根據(jù)受力需要粘貼若干層，而且施工時不需要大型設(shè)備，也不需要采用臨時固定，對原結(jié)構(gòu)無新的損傷。

此外，碳纖維的其他特性還包括高強度的X射線穿透性、較高的抗熱、導(dǎo)電性及抗磨蝕性能等。碳纖維與鐵道車輛常用的部分金屬材料的部分力學(xué)性能指標(biāo)的比較如表5所示。

表5 碳纖維與其他材料性能對比

4.3 碳纖維在城軌車輛上的應(yīng)用

碳纖維較早應(yīng)用在交通運輸工業(yè)，美國福特公司于1969年用碳纖維制作了GT40型賽車，利用層合板制作的板簧，大大延長了賽車的使用壽命。目前，用在交通運輸方面主要是汽車骨架、發(fā)動機前蓋、螺旋槳芯軸、車輪、緩沖器、彈簧片、引擎零件、船舶的增強材料等。見圖17、圖18。

圖17 發(fā)動機前蓋

圖18 發(fā)動機缸蓋

軌道交通領(lǐng)域，國內(nèi)已在高速列車上應(yīng)用碳纖維材料，制造的產(chǎn)品是高速列車流線型車頭中的前端車鉤頭蓋（見圖19、圖20）。

圖19 高速列車前端

圖20 高速列車頭罩

從近期來看，碳纖維材料可以用來制造承受一定載荷的部件或構(gòu)件，如高強度的流線型車頭前端頭蓋、座椅骨架等。遠(yuǎn)期來看，制造次重要的承載荷部件或構(gòu)件，如鐵道車輛車體中次重要承載構(gòu)件、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中的部分承載構(gòu)件。將來如果碳纖維的成本降下來的話，甚至可以用作車體內(nèi)裝飾材料，一定程度上解決輕量化問題。

圖21

目前碳纖維在內(nèi)飾上的應(yīng)用還主要局限在高檔汽車或汽車的改裝上（見圖21）；在城軌車輛上幾乎是一片空白。單從技術(shù)上講，碳纖維材料的優(yōu)勢顯而易見，重量輕、耐腐蝕、強度高；碳纖維材料可以取代目前城軌車輛上常用的玻璃鋼、鋁板、鋁蜂窩等材料用作內(nèi)飾件如墻板、頂板、間壁、座椅、座椅骨架、司機臺等。

5 結(jié) 論

軌道交通產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為新材料的應(yīng)用提供了廣闊的市場，而新材料的研發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)成為我國軌道交通產(chǎn)業(yè)能否跨越式發(fā)展的重要課題之一。就前面提到的新材料本身的性能而言，其強度、剛度、耐疲勞等性能均可滿足軌道交通車輛的需求，而結(jié)構(gòu)的設(shè)計、各部位對載荷的要求、鋪層的設(shè)計、接頭的設(shè)計等方面才是制約其應(yīng)用推廣的關(guān)鍵。不斷開拓創(chuàng)新，探索先進(jìn)的材料應(yīng)用技術(shù)將是未來城軌車輛產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標(biāo)之一。