復合材料在軌道車輛中的應用探索

秦廣泰，楊茂現(xiàn)，黃秋霞

（中車四方車輛有限公司，山東 青島 266111）

1 夾芯復合材料概述

1.1 國內外應用現(xiàn)狀

英國第一次將夾芯材料應用于飛機機翼設計，面板采用桃花芯木，芯子采用巴薩木。意大利新一代高速列車如ETR470、ETR500 等，其側板、頂板、行李間等均采用了Hexcel 公司生產的Hexlite310 夾芯材料，使得每輛車的重量減少了2/3。日本從1989 年開始使用蜂窩夾芯結構和碳纖維復合材料，并用這些材料做成了6m 長的客車樣車供研究之用。

我國在20 世紀60 年代成功采用了夾芯結構建造了直徑44m 的球形雷達罩。由四方主機廠自主研制的200 公里EMU動車組大部分內飾件都采用了夾芯結構，如司機室及客室地板采用了夾芯鋁蜂窩結構，端墻采用KLEGECELL 泡沫夾芯材料，檢查門板采用聚氯乙烯發(fā)泡芯材復合板等。長客股份生產的CRH5 動車組客室頂板、間壁、行李架底板等部位都使用了蜂窩復合板結構。

2 基于纖維層壓板為面層鋁蜂窩/PET 為芯材的復合材料

目前，用于夾芯結構表層的材料主要有：鋁面板、玻璃鋼、其它復合材料等，芯材主要有泡沫、蜂窩和輕木三類，其中，泡沫又包括聚酯發(fā)泡（PET），聚氯乙烯（PVC）等，蜂窩包括芳綸紙蜂窩（Nomex）、鋁蜂窩等。下面重點介紹基于纖維層壓板為面層鋁蜂窩/PET 為芯材的復合材料性能特征。

2.1 纖維層壓板性能特點

纖維層壓板主要是由改性酚醛樹脂為主體黏結劑、阻燃增強纖維及其他助劑組成，經特殊工藝得到的一種輕質復合材料，厚度可以根據(jù)產品強度要求設計，一般為0.6 ～2mm。具有黏性強、阻燃、低煙、表面光潔度高、理化性能好等性能。

2.2 鋁蜂窩性能特點

鋁蜂窩芯材在軌道交通領域已經普遍使用，其結構具有選材精良、工藝先進和構造合理的優(yōu)勢，不僅在大尺度、平整度有出色的表現(xiàn)，而且在形狀、表面處理、色彩、安裝系統(tǒng)等方面有眾多的選擇。鋁蜂窩芯規(guī)格是由鋁箔厚度以及蜂窩孔格尺寸來確定，不同規(guī)格的鋁蜂窩具有不同的密度以及不同的力學性能，其造價也存在著較大的差異。

表1 鋁蜂窩、PET 泡沫與膠合板性能對比

2.3 PET 性能特點

PET 芯材是一種新型閉孔聚合物泡沫三明治板，具有良好的剪切、壓縮性能。傳統(tǒng)的PET 泡沫在生產時使用氟化物作為發(fā)泡劑，會對環(huán)境有一定的污染，最新的PET 發(fā)泡技術可以利用二氧化碳作為發(fā)泡劑，可以做到溫室氣體零排放，非常利于環(huán)保，如3A AIREX 系列產品。同時，在使用壽命內可以長時間承受100℃左右的高溫。PET 泡沫在使用過程中可以選擇不同的密度，一般密度越高力學性能越好，但重量和成本也越高。

2.4 鋁蜂窩、PET 與膠合板性能比較

常規(guī)25 型鐵路客車，地板多以膠合板為主，下面將鋁蜂窩、PET 泡沫復合材料的物理性能與膠合板進行比較詳細見表1。

由表1 可見，鋁蜂窩和PET 泡沫在重量、力學性能等各方面都優(yōu)于膠合板，可以作為地板材料在軌道車輛領域推廣使用。

3 基于纖維層壓板為面層的復合材料地板結構設計

3.1 地板結構特點

地板一般分塊鋪裝，最大幅寬1220mm×2440mm，設計總厚度多為18mm，結構為2mm 面板+15mm 芯材+1mm 面板，結構形式如圖1 所示。地板四周預埋鋁型材，以增加地板承載強度。安裝時地板只在車體兩側采用螺釘固定見圖2 所示，減少了地板自身的機械破壞。地板之間采用拼接形式連接，拼接處預埋型材。

圖1 夾芯地板結構圖

圖2 地板安裝圖

3.2 地板強度分析

地板雖然不是重要設備部件，但是以現(xiàn)有的工藝水平檢修還比較麻煩，因為地板安裝屬于先工序，安裝順序在墻板、頂板、設備之后，使用過程中一旦出現(xiàn)問題就要將地板上所有設備件拆除后才可進行，因此地板強度至關重要。下面以某項目中地板結構為例，采用Ansys 軟件來校核纖維層壓板為面層的復合材料地板結構的強度和剛度。

通常地板強度需滿足每平方米面積上能夠承載6kN 垂直載荷。以一塊尺寸為18mm×1180mm×1130mm 地板為例進行分析，地板骨架采用5 道縱梁2 道橫梁組成，地板與兩側鋁梁采用結合約束，與中間鋁梁設定為摩擦。

進一步提取兩種材料在垂向的撓度曲線，如圖5、圖6 所示，可以看出，鋁蜂窩芯材地板的垂向最大位移為0.004mm，PET 泡沫芯材地板的垂向最大位移為0.037mm，均小于地板允許變形經驗值2mm，因此地板結構滿足剛度要求。

圖5 鋁蜂窩地板撓度曲線

圖6 PET 地板撓度曲線

3.3 地板隔音減振分析

有關試驗表明，整個車輛外的聲場以地板處最大，因此地板的隔音降噪是減少車輛內部噪聲的關鍵。夾芯復合材料芯材一般為多孔結構，像鋁蜂窩為正六邊形蜂巢結構，PET為高分子聚合物泡沫，聲波進去后會發(fā)生反射，然后經過聲波的疊加后，聲音就會衰減，進而起到隔音降噪的作用。但是，材料的隔聲量與材料密度成正比而與客車輕量化存在矛盾。在地板結構設計時，一般在地板與車體之間增加如隔音氈、三聚氰胺發(fā)泡等材料來增加隔音性能。

車輛運行中引起地板振動的因素很多，而復合材料結構本身對振動的影響原因尚不明確。因此，為了減小地板的振動，在結構設計時，地板下部一般布置彈性橡膠減振器。在地板受到沖擊產生振動時，減振器可吸收能量進而降低地板的振動。

4 結語

以纖維層壓板為面層鋁蜂窩/PET 為芯材的復合材料應用于軌道車輛地板結構，就其本身的強度、剛度等性能而言，均可滿足車輛需求。而材料制造成本、設計結構、安裝方式等因素成為制約其推廣的關鍵。在未來的應用中，如果能采用高強度纖維代替地板內部鋁型材骨架，地板整體重量會更輕更有利于車輛輕量化設計。夾芯復合材料在重量、強度等方面有一定優(yōu)勢，且可塑性好，成型容易。由于夾芯材料應用范圍以及相關芯材性能的多樣化，還沒有一種材料能滿足所有設計的需求，只能是以現(xiàn)有的工藝水平或者成本選擇一種最適合的材料。長遠來看，在以后的發(fā)展過程中夾芯材料還面臨很大的挑戰(zhàn)，怎樣以低密度和低成本來實現(xiàn)比其他工程材料更高的性能，仍然存在許多挑戰(zhàn)。