復材在軌道交通領域地位迅速竄升 國內應用尚有局限

  隨著我國軌道交通建設進入繁榮期,上大的城市軌道交通市場已經形成,并為復合材料產業提供了一個大有可為的嶄新空間。記者從環氧樹脂行業協會了解到,復合材料正在成為國內外航天、航空、交通運輸、基礎建設領域產品性能提高和升級換代的關鍵材料。

  材料地位迅速竄升

  環氧樹脂行業協會專家介紹,用復合材料做成的構件重量輕、強度高、剛性大,對減輕車廂重量,降低噪聲、振動,提高安全性、舒適性,減少維修等均有重要作用,已成為理想的高速軌道交通用結構件。除用作軌道交通內部設備和裝飾材料外,其在承重結構上的應用也越來越廣泛。

  復合材料由基體材料(聚合物材料、金屬、陶瓷)和增強體(纖維、晶須、顆粒)復合而成,是具有優異綜合性能的新型材料。由于它的各種性能和功能可以根據需要進行設計,通過選擇合適的基體和增強體,合適的組成配比和排列分布,即可充分發揮復合材料的性能優勢,獲得單一材料難以達到的綜合性能,如高比強度、高比模量、耐腐蝕、隔熱、耐磨等,因此為復合材料制品提供了很大的設計自由度。
                           
  國外全方位普及應用
                           
  在發達新研發的軌道交通設備上,大到車體,小到便池都能見到復合材料的影子。

  法國新推出的新一代高速列車裝上了用FRP(纖維增強復合塑料)制造的可折疊式茶桌,其重量只有鋁茶桌的一半。德國新型空調客車和高速運輸客車是由FRP層壓板制造的。日本新干線高速客車的臥鋪、茶桌、行李架均由FRP制作。在車廂內飾件方面,日本新干線采用GFRP(玻璃纖維增強塑料)復合材料制作車窗內飾、洗漱間、廁所、小便池、水箱、集便箱、車前頭蓋板;雙層客車兩端頂兼作空調風道的天花板、餐車空調蓋板的天花板等部位也采用了復合材料。

  車體結構對保證安全、快速運送旅客起著重要作用,須具備足夠的強度、剛性、輕量化和不燃性,且應容易維修或不需維修,制造費用低,氣密性高。用FRP制造軌道的車體,全部滿足這些要求。目前國外高速客車車門主要采用玻璃鋼制作,如英國客車安裝了聚酯玻璃鋼門;法國客車采用玻璃鋼夾層模制整體車門。同時,先進已開始使用聚碳酸酯(PC)板材作為車窗材料。它不僅有良好的透光性,易加工,還有突出的抗沖擊強度和抗蠕變性能。高速客車的座椅過去采用鋼制骨架,現在國外玻璃鋼座椅已較為普遍。

  此外,在軌道交通的站臺、軌線設施中,發達也應用了大量絕緣、耐腐蝕的復合材料型材構件和制品。
                           
  國內應用尚有局限

  據環氧樹脂行業協會專家介紹,目前復合材料在國內應用尚局限于車內裝修裝飾件、座椅和車頭罩等,且只在“藍箭”動車組及“之星”高速列車上得到應用。前者機車的車頭蓋是采用RTM工藝成型的前鼻端,由手糊工藝整體成型導流罩;后者動力車的車頭端蓋為手糊成型。上述高速列車的一部分輔助件也采用了復合材料,如司機臺儀表框、車門窗框、車頂罩、蓄電池箱等。

  鑒于國外復合材料在高速列車上的應用發展方向已從復合材料裝飾件邁向全復合材料高速列車,國內相關行業已開始應用現有技術和工藝,為高速軌道車輛研發配套車門和整體衛生間等車體設備及裝飾件,今后還將深入研究具有自主知識產權的復合材料制造技術及其產品,提高復合材料在高速軌道領域的應用水平,促進我國高速軌道交通事業的發展。
                       
  抓住三個突破口

  針對國內現狀,環氧樹脂行業協會負責人提出,復合材料要在高速軌道交通領域得到大規模應用,尤其在大型、關鍵結構件上的應用,尚需解決一系列問題。

  先要優化設計,這是復合材料拓展應用的基礎,是實現減重和安全性的保證。國內復合材料的強度、剛度、耐疲勞等性能均可滿足軌道列車的需求,制約其應用推廣的關鍵是結構的設計、各部位對載荷的要求、鋪層的設計、接頭的設計。

  美國、日本和歐洲等和地區的產品設計技術成熟,水平較高而且專業化,計算機輔助設計軟件己經商業化。近年來我國復合材料工業雖然取得了長足的發展,但在產品設計方面還存在著設計不合理、適用性差和原材料浪費嚴重等現象。大型、復雜、通用的復合材料產品設計軟件有待研究開發。

   其次,大力研發產品質量更穩定、生產效率更高、成型加工費用更低的新材料和新工藝。國際上復合材料成型工藝已不僅限于手糊、模壓、纏繞等,新的工藝方法,如RTM、樹脂傳遞模塑、RRIM、滾動模壓SMC成型、拉擠、熱壓罐等相繼出現。國內科研單位亟須突破傳統工藝的制約。

  再次,基體樹脂應由傳統樹脂向高性能的環氧乙烯基酯樹脂發展,增強材料也需由玻璃纖維向高性能的碳纖維、芳綸纖維等發展。這些高性能材料的使用,將大大改善復合材料的結構、性能,提高成型速度和制造質量,加速復合材料在車輛上的實用化進程。

  我國研究開發、生產復合材料構件已有50年的歷史,在復合材料研發、制品生產、原材料等方面均有優勢,具備發展復合材料產業的良好基礎。隨著軌道交通業的迅猛發展,國內有能力迅速開發出高性能的原材料來滿足車輛工業的需求。