孫明道 林松

[摘 要] 隨著速度等級(jí)的不斷提升，高速動(dòng)車(chē)組在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)車(chē)體局部振顫、車(chē)內(nèi)噪聲偏大等問(wèn)題，這無(wú)疑對(duì)車(chē)體及車(chē)內(nèi)裝飾件的選材和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了更高的要求。纖維預(yù)浸料作為車(chē)內(nèi)裝飾件的一種新型輕量化內(nèi)飾材料，在航天、豪華游輪等領(lǐng)域已經(jīng)得到成熟應(yīng)用；目前，在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用較少，且原材料主要依靠進(jìn)口。近年來(lái)隨著國(guó)產(chǎn)纖維技術(shù)的成熟應(yīng)用及市場(chǎng)化發(fā)展，國(guó)產(chǎn)纖維復(fù)合材料在高速軌道列車(chē)輕量化、降低成本方面的應(yīng)用也必將更為廣泛。文章從復(fù)合材料的選取、產(chǎn)品制作、與原有鋁制復(fù)合結(jié)構(gòu)工藝差異性等做對(duì)比，重點(diǎn)闡述纖維預(yù)浸料的復(fù)合以及復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合來(lái)加以分析和推介，并提出合理化建議。

[關(guān)鍵詞] 新型內(nèi)飾材料；輕量化；高速動(dòng)車(chē)組；復(fù)合結(jié)構(gòu)；推廣與應(yīng)用

[作者簡(jiǎn)介] 孫明道，南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島，266111；林松，南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島，266111

[中圖分類(lèi)號(hào)] U270.4 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1007-7723（2013）01-0027-0004

隨著車(chē)輛運(yùn)營(yíng)速度等級(jí)的不斷提升，車(chē)輛減重已經(jīng)迫在眉睫，車(chē)輛輕量化作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，其重要性已經(jīng)引起越來(lái)越多的關(guān)注。輕量化設(shè)計(jì)及制造是高速軌道交通發(fā)展的一個(gè)重要方向，其必要性在于：

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(shè)費(fèi)用和鐵路的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用；輕量化對(duì)降低動(dòng)力耗能成本費(fèi)用有較大影響，降低了地基振動(dòng)，提高了減噪性能；輕量化有利于提高舒適度，提高車(chē)輛的行走性能，特別是減輕簧下質(zhì)量，能抑制車(chē)輛高速運(yùn)行時(shí)輪軌沖擊載荷的增大。

一、纖維預(yù)浸料的性能特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

（一）纖維預(yù)浸料的性能及特點(diǎn)

1. 纖維預(yù)浸料的分類(lèi)

按物理狀態(tài)分類(lèi)，分單向預(yù)浸料、單向織物預(yù)浸料、織物預(yù)浸料；按樹(shù)脂基體不同，分熱固性樹(shù)脂預(yù)浸料和熱塑性樹(shù)脂預(yù)浸料；按增強(qiáng)材料不同，分碳纖維（ 織物） 預(yù)浸料、玻璃纖維（ 織物） 預(yù)浸料、芳綸（ 織物） 預(yù)浸料；按纖維長(zhǎng)度不同，分短纖維（ 4176mm 以下） 預(yù)浸料、長(zhǎng)纖維（ 1217mm） 預(yù)浸料和連續(xù)纖維預(yù)浸料；按固化溫度不同， 分中溫固化（ 120 ℃） 預(yù)浸料、高溫固化（ 180 ℃） 預(yù)浸料以及固化溫度超過(guò)200 ℃ 的預(yù)浸料等。

2. 纖維預(yù)浸復(fù)合材料的構(gòu)成

纖維預(yù)浸復(fù)合材料是由基體材料、夾芯材料和纖維增強(qiáng)體復(fù)合而成，是本世紀(jì)發(fā)展最迅速的新材料之一。其中，基體材料的主要作用是支撐增強(qiáng)材料，對(duì)增強(qiáng)材料起保護(hù)作用，其分為熱固性樹(shù)脂和熱塑性樹(shù)脂；夾芯材料主要指結(jié)構(gòu)泡沫、紙/鋁蜂窩、聚合物材料等；纖維增強(qiáng)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。

3. 纖維預(yù)浸料的性能及特點(diǎn)

纖維預(yù)浸復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、剛性大的特點(diǎn)，在航天、航空、交通運(yùn)輸、基礎(chǔ)建設(shè)中發(fā)揮了巨大的作用，成為這些領(lǐng)域產(chǎn)品性能提高和升級(jí)換代的關(guān)鍵材料，是高速列車(chē)輕量化的理想材料。

（二）預(yù)浸料相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

目前，纖維預(yù)浸料復(fù)合材料在高速軌道列車(chē)的車(chē)體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較少，且纖維預(yù)浸料及其復(fù)合材料主要依靠進(jìn)口。

在國(guó)外，纖維預(yù)浸復(fù)合材料已在軌道交通中廣泛應(yīng)用。法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路公司（SNCF）對(duì)于未來(lái)的TGV 高速列車(chē)，考慮到迫切需要進(jìn)一步減輕車(chē)體重量，認(rèn)為只能采用碳纖維復(fù)合材料的雙層TGV 掛車(chē)，并進(jìn)行線路運(yùn)行試驗(yàn)，對(duì)其耐火性、抗沖擊強(qiáng)度等進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試。纖維預(yù)浸復(fù)合材料在高速軌道交通領(lǐng)域主要應(yīng)用于車(chē)體內(nèi)部裝飾、車(chē)內(nèi)設(shè)備等非結(jié)構(gòu)零件材料，同時(shí)也將逐步向車(chē)體等結(jié)構(gòu)件延伸、擴(kuò)大。

二、纖維預(yù)浸復(fù)合結(jié)構(gòu)與鋁制復(fù)合結(jié)構(gòu)的性能差異

判斷一種材料的性能優(yōu)劣，不僅體現(xiàn)在自身的高性能參數(shù)，而且主要體現(xiàn)在其復(fù)合成品后的各項(xiàng)性能參數(shù)與現(xiàn)有的產(chǎn)品相比明顯高得多。以車(chē)內(nèi)裝飾件的端部間壁為例，對(duì)纖維預(yù)浸復(fù)合結(jié)構(gòu)與鋁制復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下對(duì)比。

（一）纖維預(yù)浸復(fù)合結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料的試制

1. 纖維預(yù)浸材料的保存與使用

纖維預(yù)浸材料的保存與使用對(duì)環(huán)境要求高。預(yù)浸料保存需在-18℃左右，保存的時(shí)間為6個(gè)月左右，而在室溫（15～25℃）下就開(kāi)始軟化。為此，下料過(guò)程中需在冷庫(kù)的周邊完成，操作完成后及時(shí)將余料放進(jìn)冷庫(kù)待用。

2. 纖維預(yù)浸料的復(fù)合結(jié)構(gòu)樣式

高速動(dòng)車(chē)組現(xiàn)有間壁絕大部分為鋁制復(fù)合結(jié)構(gòu)，即雙面鋁板加芯材的復(fù)合結(jié)構(gòu)，纖維預(yù)浸復(fù)合結(jié)構(gòu)與其相似，為：纖維預(yù)浸料+膠膜+芯材+膠膜+纖維預(yù)浸料復(fù)合結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后的纖維預(yù)浸料理想化厚度為：0.15mm、0.3mm；膠膜及芯材復(fù)合后的產(chǎn)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(xiàn)選取0.3mm厚玻璃纖維為預(yù)浸料，與芯材復(fù)合后的組合樣式有：

結(jié)構(gòu)1：玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3+紙蜂窩芯材+玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3 總厚度5

結(jié)構(gòu)2：玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3+紙蜂窩芯材+玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3 總厚度10

結(jié)構(gòu)3：玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3+紙蜂窩芯材+玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3 總厚度15

結(jié)構(gòu)4：玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3+紙蜂窩芯材+玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3 總厚度20

結(jié)構(gòu)5：玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3+紙蜂窩芯材+玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3 總厚度25

結(jié)構(gòu)6：玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3+泡沫芯材+玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3 總厚度5

結(jié)構(gòu)7：玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3+泡沫芯材+玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3 總厚度10

結(jié)構(gòu)8：玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3+泡沫芯材+玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3 總厚度15

結(jié)構(gòu)9：玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3+泡沫芯材+玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3 總厚度20

結(jié)構(gòu)10：玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3+泡沫芯材+玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3 總厚度25

結(jié)構(gòu)11：玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3+鋁蜂窩芯材+玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3 總厚度5

結(jié)構(gòu)12：玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3+鋁蜂窩芯材+玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3 總厚度10

結(jié)構(gòu)13：玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3+鋁蜂窩芯材+玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3 總厚度15

結(jié)構(gòu)14：玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3+鋁蜂窩芯材+玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3 總厚度20

結(jié)構(gòu)15：玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3+鋁蜂窩芯材+玻璃纖維預(yù)浸料厚0.3 總厚度25

3. 纖維預(yù)浸料的復(fù)合材料選擇

表面蒙皮：預(yù)浸酚醛樹(shù)脂的玻璃纖維

泡沫芯材：耐高溫PVC泡沫板

紙蜂窩芯材：預(yù)浸酚醛樹(shù)脂的紙蜂窩芯

鋁蜂窩芯材：預(yù)浸酚醛樹(shù)脂的鋁蜂窩芯

4. 纖維預(yù)浸料的復(fù)合結(jié)構(gòu)樣件及其構(gòu)成

玻纖維預(yù)浸料+泡沫芯材+玻纖維預(yù)浸料，如圖1所示。

玻纖維預(yù)浸料+紙蜂窩芯材+玻纖維預(yù)浸料，如圖2所示。

玻纖維預(yù)浸料+鋁蜂窩芯材+玻纖維預(yù)浸料

樣件結(jié)構(gòu)組成方式同圖2相似。

5. 不同厚度、不同芯材的預(yù)浸料復(fù)合結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試及對(duì)比復(fù)合材料是軌道交通內(nèi)裝復(fù)合結(jié)構(gòu)最常用的結(jié)構(gòu)形式之一，內(nèi)裝件是車(chē)內(nèi)結(jié)構(gòu)的重要組件，不僅起著對(duì)車(chē)內(nèi)部件的防護(hù)作用，同時(shí)也作為車(chē)內(nèi)旅客的一個(gè)旅行環(huán)境。

（1）纖維預(yù)浸復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)試驗(yàn)項(xiàng)目。為校核復(fù)合材料對(duì)動(dòng)車(chē)組車(chē)輛使用工況的符合性，對(duì)纖維預(yù)浸復(fù)合材料進(jìn)行抗拉、剝離、抗彎、抗壓、耐沖擊、隔音、隔熱、防火、高低溫試驗(yàn)和疲勞強(qiáng)度測(cè)試等。

（2）纖維預(yù)浸復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能試驗(yàn)及測(cè)試。結(jié)果見(jiàn)表1。

（3）纖維預(yù)浸復(fù)合結(jié)構(gòu)防火性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

（二）鋁制品復(fù)合結(jié)構(gòu)

目前，不同速度等級(jí)的高速動(dòng)車(chē)組間壁類(lèi)鋁制品復(fù)合結(jié)構(gòu)，其各項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)均已測(cè)試過(guò)，并已通過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)威部門(mén)的驗(yàn)證和認(rèn)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(fù)合結(jié)構(gòu)作為測(cè)試對(duì)比，具體組合形式為：

結(jié)構(gòu)16：表面板（0.8mm厚鋁板）+鋁蜂窩芯材+背面板（0.5mm厚鋁板）厚20

結(jié)構(gòu)17：表面板（0.8mm厚鋁板）+泡沫芯材+背面板（0.5mm厚鋁板）厚20

1. 鋁制品復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能試驗(yàn)見(jiàn)表3

2. 兩種結(jié)構(gòu)的性能差異比較

通過(guò)表一和表三對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)芯材相同、總厚度相同的兩種間壁類(lèi)復(fù)合結(jié)構(gòu)，纖維預(yù)浸料復(fù)合結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均高于鋁制復(fù)合結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品各項(xiàng)性能。

三、結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述分析對(duì)比，除纖維預(yù)浸復(fù)合結(jié)構(gòu)的復(fù)合固化的溫度較高外，其他各項(xiàng)性能均已得到了很好的驗(yàn)證和測(cè)試，與目前高速動(dòng)車(chē)組所采用的鋁制復(fù)合結(jié)構(gòu)相比，制作工藝簡(jiǎn)單便捷；性能除抗壓、剝離強(qiáng)度稍差外，彎曲強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及耐沖擊、隔音等遠(yuǎn)優(yōu)于鋁制復(fù)合結(jié)構(gòu)；成本，以玻纖維預(yù)浸料復(fù)合板為例，隨著板厚的遞增，成本會(huì)有所增加，幅值差異在50%左右；重量，采用玻纖維預(yù)浸料復(fù)合板制作實(shí)際產(chǎn)品，減重效果非常明顯，相對(duì)鋁制復(fù)合板材可以減重30%～40%。產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷，通過(guò)不同板材的樣件試制對(duì)比，纖維預(yù)浸復(fù)合板的邊緣圓角不能小于R3～R5，過(guò)小容易造成預(yù)浸料斷裂。如果設(shè)計(jì)中確實(shí)需要較小的圓角，可以通過(guò)邊緣灌膠來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在國(guó)產(chǎn)纖維技術(shù)的成熟應(yīng)用及市場(chǎng)化日益發(fā)展的今天，國(guó)內(nèi)纖維復(fù)合材料應(yīng)用于軌道車(chē)輛上的機(jī)率亦越來(lái)越大。國(guó)產(chǎn)化纖維復(fù)合材料在高速軌道列車(chē)輕量化、降低成本方面的應(yīng)用也必將更為廣泛。