復合材料及其在城市軌道交通中的運用

茍俊琴

復合材料是由兩種或多種不同類型、不同形態(tài)、不同成分和不同相型的組分材料,通過適當的復合方法而組合成的具有整體結構特性的、使用性能優(yōu)異的材料體系。目前國內應用最多的是樹脂基復合材料,樹脂基復合材料已有六十多年的發(fā)展歷史,其制造技術已基本成熟,是目前應用最廣泛、用量最大、技術最為成熟的。同時,復合材料產品具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點,最重要的其獨特的性能可設計性是被運用于各種結構的最佳特性之一。

1 復合材料產品使用現狀

復合材料在中國的應用相對快速發(fā)展的英美等國已屬緩慢,但近幾年也有了比較大的改善,比如:室外常見的電源箱設備、水溝蓋板、井蓋、發(fā)動機風扇葉片等復合材料產品的使用(見圖1～圖3),尤其是在航天、汽車等行業(yè)的運用也已日趨成熟,目前已逐步形成取代木材及金屬合金的趨勢。

從目前國際國內應用現狀來看,復合材料在歐美國家主要用于航空航天、汽車等行業(yè)。據不完全統(tǒng)計,2000年歐洲的復合材料全球占有率約為32%,2000年～2003年間歐美汽車零件的復合材料用量約達25萬t。而為滿足汽車輕量化的要求,必將會有越來越多的復合材料產品被應用到汽車、航天等行業(yè)中;在亞洲如日本等地,復合材料產品被用于住宅類工程中,而住宅類復合材料產品的應用僅2000年的用量已達8萬t,可見一斑。

由此可見,復合材料的優(yōu)異性能及其在全世界航天、汽車、電氣等領域的廣泛應用是其飛速發(fā)展的重要因素。而近幾年復合材料產品在軌道交通中的成功使用更是體現了復合材料優(yōu)于其他如金屬材料等產品的優(yōu)異性。與此同時,隨著人們對環(huán)保問題的日益重視,高分子復合材料取代木材方面的應用也得到了進一步推廣。例如,用植物纖維與廢塑料加工而成的復合材料,在北美已被大量使用于家居并有逐步取代木制產品的趨勢。

2004年開始,復合材料產品被運用于廣州市軌道交通建設中,雖然在中國的軌道交通建設中只是一個小的開始,但卻鑒定了復合材料的應用新領域。

2 軌道交通用復合材料分類

1)從組成成分來說,目前軌道交通使用的復合材料產品多為樹脂基復合材料。樹脂基復合材料主要由樹脂基、增強材料、填料與助劑等組成,為纖維增強復合材料的一種,性價比高,應用較普遍。樹脂基復合材料與傳統(tǒng)的金屬材料不同,樹脂基復合材料的可設計性、可配置性很強,可根據制品的應用環(huán)境條件,設計不同的配方,配置可適應不同要求的材料體系,因此樹脂基復合材料性能與結構對制造工藝具有很強的依賴關系,設計時必須系統(tǒng)掌握材料各方面的性能,均衡利弊,實行“選材—設計—制造工藝”一體化的原則,充分利用材料的可設計性來彌補性能的弱點,進而對產品各項性能進行優(yōu)化,設計出滿足要求的優(yōu)質產品。而這一性能也是樹脂基復合材料較大規(guī)模應用于潮濕及腐蝕嚴重的地鐵區(qū)間隧道的重要特性之一。2)從成型工藝上區(qū)分,樹脂基復合材料的成型方法常見的有手糊成型、纖維纏繞成型、模壓成型、拉擠成型、沖壓成型等。目前軌道交通中較常用的為模壓成型及拉擠成型。拉擠成型復合材料產品在材料性能、受力、防火等各方面均優(yōu)于模壓型復合材料產品,故在軌道交通中常用且主要用于消防要求高的設備,使用較廣泛。

3 軌道交通用復合材料產品的優(yōu)異性能

由于復合材料由多種不同類型組分材料組成的特殊性,使得復合材料產品具有優(yōu)于其他材料的整體結構特性以及獨特優(yōu)異的使用性能,而同時也具備了輕質、高強、良好絕緣性能、耐腐蝕性及性能可設計等優(yōu)點。1)耐腐蝕性能、耐候性:可極好地解決潮濕環(huán)境及氣候循環(huán)變化對金屬等材質產生的腐蝕問題。不僅延長了結構及設備的使用壽命,且不需采取防腐、防銹等防護措施,全壽命周期基本免維護,減少了維修費用及運營維護工作量。2)電性能:可有效阻止隧道結構及設備在雜散電流等作用下的電化腐蝕,保證地鐵結構的耐久性。3)熱穩(wěn)定性:復合材料制品的導熱系數只有鋼鐵的1/100～1/200,是優(yōu)良的絕熱材料。尤其以碳纖維和碳化硅纖維增強的鋁基復合材料,在500℃時仍能保持足夠的強度和模量。4)耐蠕變、消聲的作用:可極好的達到材料耐蠕變效果,同時復合材料產品的消聲效果也非常明顯,可大大降低環(huán)境中的噪聲。5)加工性能好、綜合成本低:復合材料可實現制品一次整體成型,降低工藝消耗,提高結構整體強度,批量生產又可降低產品綜合成本。6)可設計性:可通過調整材料配比等方法彌補產品生產或使用中出現的某一方面性能的弱點,進而設計出最優(yōu)產品。7)優(yōu)異的防火性能:由于城市軌道交通,尤其是地下隧道消防要求非常嚴格,而復合材料優(yōu)秀的防火性能可很好的滿足地鐵區(qū)間隧道火災等意外情況。8)安裝快速、方便:軌道交通工程的設備與列車之間的空隙必須滿足列車限界的最小要求,而復合材料產品的可現場切割、易拼裝在較好滿足各專業(yè)安裝要求的同時又可降低施工安裝的強度,加快工程進度。因此,在軌道交通工程中采用復合材料產品不僅可降低工程的全壽命周期成本,同時在后期的施工中也更體現了復合材料產品安裝的快捷、簡便,優(yōu)異的性能是復合材料產品運用于軌道交通建設的基礎條件。

4 復合材料產品在軌道交通的運用實況

軌道交通的環(huán)境相對來說比較復雜,尤其是地下區(qū)間,消防要求高,隧道環(huán)境相對室外惡劣:潮濕、電化腐蝕嚴重。

廣州早期的地鐵線中,部分隧道內使用的鋼支架等設備已出現嚴重銹蝕,使得運營部門的維護保養(yǎng)負擔日漸加重,隨著新線的不斷建成和投入運行,狀況將進一步加劇,成為影響運營安全的一大隱患,故在軌道交通區(qū)間選擇輕型、強度高、防火性能高、防腐優(yōu)秀的材料是勢在必行的,而復合材料各項優(yōu)異性能非常適合地鐵區(qū)間環(huán)境的使用。

目前主要運用于區(qū)間中的復合材料產品有:各系統(tǒng)用來承托電纜的電纜支架(替換原金屬支架)(見圖4)、長大區(qū)間設置的疏散乘客的生命通道(替換原鋼筋混凝土結構)(見圖5)、保護地鐵三軌的復合材料防護罩、盾構井的玻璃纖維筋。

同時,還有部分軌道交通車輛也采用了復合材料,由此可見,復合材料產品在軌道交通的運用大有前途,不管是從結構強度、產品性能還是產品使用的經濟效益都是值得推廣的。

5 結語

結合安全、運營、施工、經濟等各方面,在軌道交通地鐵區(qū)間運用新型材料尤其是性能可設計的復合材料,可有效解決區(qū)間金屬構件腐蝕、設備絕緣安裝、運營安全及安裝維護等技術難題,運用價值巨大。

[1] 張玉龍.高技術復合材料制備手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

[2] 陳紹杰.航空復合材料技術的近期發(fā)展——歐洲2005年JEC復合材料展覽會見聞[J].航空維修與工程,2005(5):10-12.