軌道車輛車體新材料應(yīng)用及發(fā)展研究

周 洲，顏淵巍，劉小芳，王宇鵬，林立鈿，楊 軍

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007）

1 引言

隨著多制式軌道車輛的發(fā)展，對(duì)于輕量化、阻燃、環(huán)保的需求日益增加，且側(cè)重點(diǎn)不同。對(duì)于地鐵車輛而言，由于長期運(yùn)行于地下，阻燃安全成為更加關(guān)注的問題[1]；對(duì)于磁浮列車而言，由于其能量轉(zhuǎn)化效率以及載重限制，輕量化則成為更需要改善的問題[2-3]；對(duì)于動(dòng)車組而言，減振舒適已成為代表國際發(fā)展水平的標(biāo)志，特別是乘客乘坐環(huán)境，例如地板減振、座椅舒適成為動(dòng)車組發(fā)展的一個(gè)趨勢[4-5]。因此，發(fā)展適合不同車輛需求與要求的材料，系統(tǒng)性解決多制式整車需求已成為未來軌道車輛發(fā)展方向。

文章針對(duì)多制式軌道車輛發(fā)展需求，提出四大類車體用新型材料，纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料、芳綸蜂窩夾層材料、有機(jī)硅泡沫材料與聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）泡沫夾層材料。從輕量化、阻燃、減振等角度闡述4類材料系統(tǒng)性解決不同車輛需求的情況，為車輛設(shè)計(jì)與選材提供依據(jù)。

2 纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料是一種將熱塑性殼體類微球發(fā)泡與纖維增強(qiáng)技術(shù)結(jié)合到酚醛樹脂中的新型軌道車輛用材料，具備阻燃、防火、隔聲及輕量化特性，體密度最低可至75??kg/m3，圖1為其微觀結(jié)構(gòu)圖。該材料目前主要應(yīng)用于軌道車輛的風(fēng)道、地板、頂板及端墻產(chǎn)品上，與傳統(tǒng)的鋁蜂窩材料及玻璃鋼產(chǎn)品相比，具有明顯優(yōu)勢。

圖1 纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料微觀圖

早在1997年，美國密爾沃基復(fù)合材料公司便開始纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料的相關(guān)研究，并開發(fā)多種產(chǎn)品[6]，在阿爾斯通的一款城軌車輛上運(yùn)行多年，在國內(nèi)車型上也小批量應(yīng)用，但由于成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋁蜂窩材料產(chǎn)品，難以在國內(nèi)大批量應(yīng)用。瑞典ACT公司和瑞典Artboard公司均為復(fù)合材料輕質(zhì)板材的著名制造商，其產(chǎn)品主要供給歐洲各大內(nèi)飾件制造商。此外，中國玻璃纖維專業(yè)情報(bào)信息網(wǎng)發(fā)布消息顯示，德國Spheretex公司推出他們的最新設(shè)計(jì)產(chǎn)品Sphere.core?SBC?HT，該材料和Artboard公司的輕質(zhì)材料具有異曲同工之處，它可以和各種增強(qiáng)層結(jié)合，生產(chǎn)出強(qiáng)度大且均質(zhì)的板材，具有非常高的強(qiáng)度?-?重量比。同時(shí)，模具很容易被清洗，周期時(shí)間也很短。使用比較簡單的技術(shù)裝備，就可把Sphere.core?SBC?HT加工成無縫層壓板。其合作伙伴德國?Vosschemie?公司則專門將其用于制造復(fù)合材料輕質(zhì)板材，應(yīng)用于汽車和運(yùn)輸行業(yè)。

在2013年，株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司最早開始在國內(nèi)牽頭研究纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料，并將其命名為Timecore，目前已建立相關(guān)的生產(chǎn)線。另外，國內(nèi)其他公司也緊隨其后做相關(guān)研究開發(fā)。例如濟(jì)南圣泉集團(tuán)股份有限公司開發(fā)的“輕芯鋼”等[7]。

目前，纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料已經(jīng)在國內(nèi)基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，由于其阻燃、輕量化、隔聲以及國產(chǎn)低成本化等優(yōu)勢，在國內(nèi)已開始得到認(rèn)可與批量應(yīng)用。

2.2 典型應(yīng)用

纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料以其輕量化、阻燃、隔聲、隔熱等特性，在國內(nèi)軌道車輛上得到關(guān)注與批量應(yīng)用，特別是對(duì)于有載重要求的地鐵而言，低地板、單軌車是優(yōu)先選擇方案。該材料主要在地板、風(fēng)道、頂板與端墻上具有應(yīng)用優(yōu)勢[8-9]。

2.2.1 地板

圖2 纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料地板組成

纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料地板一般采用三明治結(jié)構(gòu)，夾芯采用體密度為200～270?kg/m3纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料，面板采用1～2?mm厚的環(huán)氧/酚醛復(fù)合材料，如圖?2所示。

與傳統(tǒng)鋁蜂窩材料與膠合板材料相比，纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料更輕，面密度一般小于9??kg/m2，而鋁蜂窩材料面密度為 12??kg/m2，膠合板材料面密度為 18?kg/m2；導(dǎo)熱系數(shù)更低，一般小于0.07?W/（m?· k），而鋁蜂窩材料小于0.20?W/（m?· k），膠合板材料小于0.15?W/（m?· k），同時(shí)具備一定結(jié)構(gòu)性防火性能，對(duì)比如表1所示。其中，纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料與鋁蜂窩材料具有明顯優(yōu)勢，如圖3所示，面密度同為12??kg/m2時(shí)，鋁蜂窩材料隔聲量為25??dB，纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料隔聲量可以到 30??dB[10]，當(dāng)隔聲量為25??dB時(shí)，纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料面密度可以控制在 7??kg/m2左右。

表1 不同材料地板性能對(duì)比

圖3 纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料地板與鋁蜂窩材料地板隔聲及面密度對(duì)比

目前國內(nèi)開始廣泛關(guān)注纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料地板，并在一些車型上取代鋁蜂窩材料地板，例如上海臨港新片區(qū)中運(yùn)量T1線，蕪湖市軌道交通1號(hào)、2號(hào)線，廣州地鐵7號(hào)線等。

2.2.2 風(fēng)道

纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料風(fēng)道通常采用體密度為75～160??kg/m3的泡沫，當(dāng)體密度為 75??kg/m3時(shí)，須在表面附著一層壓花鋁箔，并通過拼接方式將板材組裝成風(fēng)道產(chǎn)品，圖4為典型的纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料風(fēng)道。

圖4 風(fēng)道產(chǎn)品圖

與目前進(jìn)口的聚異三聚氰酸酯（PIR）風(fēng)道、鋁合金風(fēng)道相比，具備選擇更多、隔聲更好、阻燃更優(yōu)的特點(diǎn)，不同材料風(fēng)道的對(duì)比如表2所示。國內(nèi)目前在 160??km/h 動(dòng)力集中動(dòng)車組、250?km/h動(dòng)車組，佛山地鐵2?號(hào)、3號(hào)線上都有相應(yīng)應(yīng)用。

表2 不同材料風(fēng)道對(duì)比

2.2.3 其他應(yīng)用

由于纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料的獨(dú)特性能，該材料也可用于地鐵的間壁、頂板以及輪艙罩等隔熱產(chǎn)品。對(duì)于間壁及輪艙罩產(chǎn)品，尤為強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)性防火，即在火災(zāi)情況下，盡可能延長產(chǎn)品失效時(shí)間，給乘客更多的逃生機(jī)會(huì)。因此，對(duì)于鋁蜂窩材料而言遇到極大挑戰(zhàn)，鋁合金材料熔點(diǎn)為600??℃左右，結(jié)構(gòu)性防火試驗(yàn)爐內(nèi)溫度在15?min時(shí)就已經(jīng)達(dá)到800?℃左右。因此，纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料可以作為一種理想的防火材料用于間壁與輪艙罩產(chǎn)品的開發(fā)，圖5為纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料與鋁蜂窩材料間壁結(jié)構(gòu)性防火對(duì)比。

圖5 不同材料結(jié)構(gòu)性防火對(duì)比圖

3 芳綸蜂窩夾層材料

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀

芳綸蜂窩夾層材料是由芳綸蜂窩芯與雙面復(fù)合材料蒙皮粘接而成，結(jié)構(gòu)具備阻燃、質(zhì)輕、高強(qiáng)度、高彎曲剛度等特點(diǎn)。該材料逐漸在軌道車輛上進(jìn)行應(yīng)用，其應(yīng)用不僅體現(xiàn)在內(nèi)飾等非承力部件上，例如側(cè)墻、頂板、裙板等，還在地板、車身等承力部件上進(jìn)行應(yīng)用[11]。德國Transrapid磁懸浮列車的天花板和地板等便采用杜邦的Nomex芳綸蜂窩夾層材料結(jié)構(gòu)，保證磁懸浮列車對(duì)車體的阻燃及重量要求[12]；法國TGV高速列車、美國海灣高速列車BART的邊墻、天花板和行李架等內(nèi)部結(jié)構(gòu)件，歐洲隧道旅游車內(nèi)飾件也均采用芳綸蜂窩夾層材料做為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)件等[13]。在國內(nèi)，軌道車輛芳綸蜂窩夾層材料的應(yīng)用時(shí)間較晚，2015年韓國與中國合作設(shè)計(jì)生產(chǎn)的CRH5高速列車以ETR-500為原型，采用Nomex芳綸蜂窩夾層材料設(shè)計(jì)和制造動(dòng)車的側(cè)板、行李架、隔板和壁柜[14]，另外，跨座式列車裙板、250?km/h動(dòng)車組中頂都開始批量應(yīng)用芳綸蜂窩夾層材料。與國外相比，在夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝成型，以及成品阻燃設(shè)計(jì)方面仍存在一定差距。

3.2 典型應(yīng)用

芳綸蜂窩夾層材料結(jié)構(gòu)由于其輕量化、阻燃、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，主要應(yīng)用在動(dòng)車頂板、裙板等具有大曲面設(shè)計(jì)要求，以及窗框、司控臺(tái)等輕量化要求高的產(chǎn)品上，相比于鋁合金可以減重30%以上，同時(shí)滿足機(jī)械性能及防火要求，圖6為芳綸蜂窩夾層材料的應(yīng)用。

圖6 芳綸蜂窩夾層材料應(yīng)用

其中典型的輕量化產(chǎn)品窗框，相比于玻璃鋼與鋁蜂窩等材料，具有明顯的輕量化優(yōu)勢，如表3所示?？梢钥闯?，采用芳綸蜂窩夾層材料的窗框面密度只有4.5??kg/m2，比鋁蜂窩材料輕55%，比玻璃鋼材料輕43%。

表3 不同材料窗框?qū)Ρ?/p>

4 有機(jī)硅泡沫材料

4.1 發(fā)展現(xiàn)狀

有機(jī)硅泡沫材料是一種具備無機(jī)與有機(jī)特性的柔性發(fā)泡材料，具有低熱釋放、低煙、低毒的阻燃優(yōu)點(diǎn)，能滿足EN?45545-2-2013，R21，HL3軌道交通車輛材料防火測試標(biāo)準(zhǔn)，總揮發(fā)性有機(jī)化合物（TVOC）僅為聚氨酯泡沫材料的1%，達(dá)到食品級(jí)別要求。由于其無機(jī)屬性，可以在?-55?～?200??℃長期使用，耐候性極佳，同時(shí)抗壓縮永久變形僅為1?%，可提供長期舒適性以及安全性。由于其優(yōu)異性能，有機(jī)硅泡沫材料被應(yīng)用在車輛的座椅墊及減振墊等產(chǎn)品上，主要在國外車輛及出口高端車型等應(yīng)用較多，座椅墊有機(jī)硅泡沫材料微觀結(jié)構(gòu)如圖7所示。一直以來該材料被美國羅杰斯公司壟斷。2020年，由株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司研制出的有機(jī)硅泡沫座椅墊應(yīng)用于京雄線一等座及VIP座椅上，才打破國外材料行業(yè)壟斷。

圖7 有機(jī)硅泡沫材料微觀結(jié)構(gòu)圖

4.2 典型應(yīng)用

目前，該材料通過調(diào)整發(fā)泡密度可得到具有不同力學(xué)性能的產(chǎn)品，因此可以用于軌道車輛的不同產(chǎn)品，有機(jī)硅泡沫材料體密度介于80?～?500?kg/m3之間，低密度可以應(yīng)用在座椅墊上，高密度可應(yīng)用在地板減振墊上。與傳統(tǒng)的聚氨酯泡沫材料相比，其材料具備更好的阻燃、環(huán)保、耐永久變形能力，以及更長的使用壽命，性能對(duì)比如表?4所示。

高密度的有機(jī)硅泡沫材料可應(yīng)用于地板減振墊上，如圖8所示，該產(chǎn)品具備良好的抗壓縮變形能力，同時(shí)提供較好的減振降噪作用，其性能對(duì)比如表5所示。在體密度同為0.352?g/m3情況下，力學(xué)性能基本能保持一致，在永久變形能力上還略優(yōu)于進(jìn)口材料。通過在香港地鐵上的應(yīng)用，車內(nèi)噪聲降低1?～3??dB。

表5 國產(chǎn)與進(jìn)口有機(jī)硅泡沫材料減振墊性能對(duì)比

圖8 地板減振墊

表4 有機(jī)硅泡沫材料與聚氨酯泡沫材料對(duì)比

5 PMI泡沫夾層材料

5.1 發(fā)展現(xiàn)狀

PMI泡沫夾層材料是由甲基丙烯酸和甲基丙烯腈的共聚物經(jīng)加熱發(fā)泡而成。同等密度下，PMI泡沫夾層材料是所有硬質(zhì)泡沫中剛度最大與強(qiáng)度最高的材料。具有獨(dú)特的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，高溫穩(wěn)定性和耐壓性好，熱變形溫度可達(dá)200?℃以上。獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)賦予其良好的耐疲勞性能，特別適用于承受動(dòng)態(tài)載荷的復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)。PMI泡沫夾層材料的性能優(yōu)異，主要應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，在軌道交通領(lǐng)域近年才開始逐漸應(yīng)用，例如，日本新干線E4列車車頭、歐洲快速列車車頭、瑞士Schindler?Techni公司自承載式貨車、德國Duewag公司有軌電車等都有應(yīng)用。而在國內(nèi)，2007年孫春方研究PMI泡沫夾層材料在磁浮車上的應(yīng)用，雖然做了大量的基礎(chǔ)力學(xué)試驗(yàn)，但沒有應(yīng)用落地；2019年由中車株洲電力機(jī)車有限公司聯(lián)合株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司研制出的PMI泡沫夾層材料磁浮車體部件，實(shí)現(xiàn)了PMI泡沫夾層材料在車體上的首次應(yīng)用。

5.2 典型應(yīng)用

PMI泡沫夾層材料與鋁合金蒙皮及型材結(jié)合，形成帶骨架形式的三明治結(jié)構(gòu)，如圖9所示?？梢詰?yīng)用在磁浮車輛的車體側(cè)墻、車頂、側(cè)頂?shù)炔考?，?shí)現(xiàn)大幅度的輕量化及安裝簡潔化。采用1?mm鋁合金蒙皮與體密度為75??kg/m3的PMI泡沫夾層材料組成的夾芯結(jié)構(gòu)，其性能如表6所示。

表6 PMI泡沫夾層材料結(jié)構(gòu)性能

圖9 PMI泡沫夾層材料結(jié)構(gòu)圖

采用該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)國內(nèi)某磁浮車體的頂蓋、側(cè)頂、側(cè)墻、端墻和地板研制，組裝成整車后，車體實(shí)際重量為3.0?～3.2??t，同型號(hào)的鋁合金車體重量為4.2??t，采用PMI泡沫夾層材料結(jié)構(gòu)后，整體減重24%?～28%，單節(jié)車體減重 1.2??t，一列車 4 節(jié)編組車體可減重 4.8??t，輕量化效果非常明顯。相比于碳纖維車體，減重相當(dāng)，但成本更低，連接工藝更加成熟，密封性更好，組裝效率更高。

6 結(jié)語

隨著多制式軌道車輛的發(fā)展，由纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料、芳綸蜂窩夾層材料、有機(jī)硅泡沫材料、PMI泡沫夾層材料組成的系列化車體新材料，能夠滿足車體材料最新的差異化需求：①對(duì)輕量化、結(jié)構(gòu)性防火、高隔聲隔熱有需求時(shí)，可以選擇纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料；②對(duì)輕量化需求較高，具備隔聲阻燃、大曲面設(shè)計(jì)要求時(shí)，可以選擇芳綸蜂窩夾層材料；③對(duì)阻燃、環(huán)保、抗變形、減振有較高需求時(shí)，可以選擇有機(jī)硅泡沫材料；④對(duì)輕量化有極高需求時(shí)，可以選擇PMI泡沫夾層材料。

我國在這四大車體新材料研究中已取得長足的進(jìn)展與突破，但仍有很多技術(shù)問題需要深入研究與探索：①纖維增強(qiáng)酚醛發(fā)泡材料在間壁產(chǎn)品中如何有效提高結(jié)構(gòu)性防火的完整性時(shí)間；②有機(jī)硅泡沫材料的工藝穩(wěn)定性及低成本配方研發(fā)；③芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)成型工藝低成本化；④PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)的成型周期縮短及低成本化等。隨著軌道交通新的阻燃、環(huán)保以及人機(jī)工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)及要求提高，車體新材料必將迎來更大的展現(xiàn)舞臺(tái)。