復合材料在鐵道車輛上的應用
編輯：admin 發布時間：2017-04-08 13:57 瀏覽次數： 次
隨著復合材料制造業技術的發展，也伴隨著鐵道車輛制造業對復合材料的不斷深化的認識和了解，以及鐵道車輛制造業的技術進步，復合材料在鐵道車輛中的應用范圍逐漸擴大，所應用的復合材料的種類、檔次和技術水平也在不斷提高�！�
已在現代鐵道車輛中應用的復合材料從種類上分有：
(1) 剛性和半剛性的不飽和聚酯樹脂玻璃鋼；
(2) 酚醛樹脂玻璃鋼；
(3) 強度較高的反應型阻燃不飽和聚酯樹脂玻璃鋼；
(4) 強度略低的添加型阻燃不飽和聚酯樹脂玻璃鋼；
(5) 碳纖維材料。
從產品上分有：
(1) 手糊玻璃鋼制件；
(2) 模壓玻璃鋼制件；
(3) 夾層結構玻璃鋼制件；
(4) 碳纖維制件。
玻璃鋼在鐵道車輛上的應用
1. 玻璃鋼在鐵道車輛上早期的應用
玻璃鋼在鐵道車輛上的應用始于上世紀80年代，首次應用于國產140km/h速度級低速電動車組。應用的范圍主要包括：
● 內側墻板；
● 內側頂板；
● 拼裝式玻璃鋼衛生間；
當時的主要應用目標是節木代木。所應用的玻璃鋼的種類為不飽和聚酯樹脂玻璃鋼。
2. 玻璃鋼在鐵道車輛上的批量應用
玻璃鋼在鐵道車輛上的批量應用，并逐漸成熟化發生于上世紀90年代，主要用于制造鐵路客車和城軌車輛的：
●客室內側墻板；
●內側頂板；
●拼裝式玻璃鋼衛生間；
●整體玻璃鋼衛生間；
●整體玻璃鋼洗面間；
●玻璃鋼空調風道、廢排風道；
●座椅或座椅骨架。
此時的主要應用目標已由節木代木轉向了提高車輛的檔次；所應用的玻璃鋼的種類仍以不飽和聚酯樹脂玻璃鋼為主。
3. 近年來，玻璃鋼在鐵道車輛上的應用
從本世紀初開始，玻璃鋼在鐵道車輛上得到了更加廣泛的應用，除應用于制造前述的各種產之外，還被廣泛地應用于制造：
●車頂導流罩；
●車頂新風道；
●車內各種造型復雜的零部件，包括三維曲面形狀的內側墻板和側頂板；各種特殊形狀的罩板；玻璃鋼蜂窩間壁板；裝飾件。
這一階段玻璃鋼應用的主要目標是制造有特殊功能要求或有復雜造型要求的零部件。而且這一階段應用的玻璃鋼的防火性能也有所提高，反應型和添加型阻燃不飽和聚酯樹脂玻璃鋼得到了大量應用，酚醛樹脂玻璃鋼的應用逐漸減少。
4.玻璃鋼在高速動車組中的應用
玻璃鋼在高速鐵路動車組中的應用，使其真正進入到了成熟階段。因為：
(1)玻璃鋼被應用于制造具有特殊功能、造型與結構復雜、承受較大載荷的綜合性能優良的零部件，如玻璃鋼整體流線型車頭、前端開閉機構模塊、車頂空氣動力學導流罩等。
(2)模壓玻璃鋼（SMC）得到了廣泛應用
采用模壓玻璃鋼批量制造高速動車組客室內側墻板，具有以下優點：
●零部件的尺寸精度高；
●制造質量和產品檔次，
●實現了輕量化；
●適合工程化批量生產。
(3)提高了其它部位應用的玻璃鋼的水平
●可以根據需要制成具有各種不同質感的零部件；
●外觀質量更好，零部件形狀與尺寸精度更高；
●表面顏色與花紋同時可調。
此時，玻璃鋼應用包括了實現特殊功能與造型，并承受一定載、輕量化等更高層次的目標。
5.玻璃鋼在鐵道車輛上應用過程中出現過的問題
玻璃鋼在鐵道車輛上應用過程中曾出現過以下問題：
(1)制造質量差，形狀與尺寸精度低，無論是形位公差還是尺寸公差均非 常大，甚至強烈變形、翹曲，達不到使用要求；
(2)強度低、性能不穩定，經常性地破損、開裂；
(3)耐久性差，經常性地產生翹曲、變形；
(4)耐老化性差，表面褪色、龜裂；
(5)防火性能差，達不到鐵道行業防火標準規定要求；
(6)重量大，難以應用于對重量有要求的結構上。
6. 玻璃鋼在現代鐵道車輛中應用展望
(1)玻璃鋼材料的特性
●密度小、比強度高：相對密度在1.6~2.1g/cm3之間，只有碳鋼的1/4~1/5，可是拉伸強度卻接近碳鋼；
●耐腐蝕性能好：對大氣、水、一般的酸、堿、鹽以及多種油類和溶劑都有較好的抵抗能力；
●熱性能良好：導熱率低，室溫下為1.25~1.67KJ/mhK，只有金屬的1/100~1/1000，隔熱性好，適應瞬時超高溫情況，是理想的熱防護材料。
●工藝性優良：可根據需要靈活地選擇成型工藝，工藝簡單，可以一次成型，對形狀復雜、不易成型、數量少的產品，工藝性優越。
●各向異性：不同方向上的力學性能有明顯差異，與其它工程結構材料還有一定的差距；
●環保性差：現階段應用的玻璃鋼材料還難以降解、回收，廢棄零部件形成不易處理的垃圾，污染環境。
(2) 與其它非金屬材料的比較
(3)展望
●任何一種材料都不可能完全取代其它材料，占領全部或者過大的市場份額；
●玻璃鋼材料在現代鐵道車輛上最大的應用空間還是制造內裝結構和車內設備零部件，要重點解決的問題依然是質量、輕量化、防火性和環保性；
●在特定的應用工況下，作為次重要的承載部件是玻璃鋼在現代鐵道車輛上應用的擴展空間；
●每一種材料都有其各自的特點和適應性，挖掘和充分分會潛力，是每一種材料尋求應用的方向，也是材料行業和鐵道車輛制造業健康發展的必由之路。
●一點非常最要的說明是，在不斷提高性能的前提下還要降低成本，同時為材料行業和鐵道行業共同帶來效益，才有繼續應用的基礎。
碳纖維在鐵道車輛上的應用
1. 碳纖維材料的特性
由于碳纖維具有密度小、強度和剛度高、無蠕變、耐疲勞性和耐腐蝕性好 等一系列優點，不僅是承載能力最強的復合材料，也是當前唯一能夠代替金屬 材料而成為結構材料使用的非金屬復合材料。它與鐵道車輛常用的部分金屬材料的部分力學性能指標的比較如下表所示。
通過部分指標的比較可知：碳纖維在某些性能指標上具有一定的優勢；若經過全面的比較也可知：碳纖維還有不足，尤其是各向異性，且耐沖擊性能差。
2. 碳纖維材料現代鐵道車輛中應用情況
(1)國內的應用情況
●至今為止，國內僅在早期試制的動力集中型動車組樣車中應用過碳纖維材料，制造的產品是流線型車頭中的前端車鉤頭蓋；
●曾經探討過采用碳纖維材料制造承受較大載荷的高速動車組的車頂導流罩，但為付諸行動。
(2)國外的應用情況
●根據非正式消息，國外正在研究應用碳纖維材料制造車體結構的承載構件，但還沒有達到實用階段，所以未有公開的成果性資料。
3.碳纖維材料在現代鐵道車輛中應用展望
●碳纖維作為一種結構材料其應用的范圍和主要目標應該是代替部分金屬材料制造承受一定載荷的構件；
●由于目前碳纖維在鐵道車輛中還沒有批量應用的經驗和成熟技術，其應用需要分步推進；
●碳纖維近期主要應用目標應該是用來制造一些次重要的承載荷部件或構件，如高強度的流線型車頭前端頭蓋、車頂導流罩、行李架骨架、座椅骨架等；
●碳纖維遠期的主要應用目標可以是制造鐵道車輛車或轉向架構架中的部分承載構件。
●無論是近期的還是遠期的應用目標都將是作為輕量化材料結構材料來使用。
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