复合材料及其在城市轨道交通中的运用

苟俊琴

复合材料是由两种或多种不同类型、不同形态、不同成分和不同相型的组分材料,通过适当的复合方法而组合成的具有整体结构特性的、使用性能优异的材料体系。目前国内应用最多的是树脂基复合材料,树脂基复合材料已有六十多年的发展历史,其制造技术已基本成熟,是目前应用最广泛、用量最大、技术最为成熟的。同时,复合材料产品具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点,最重要的其独特的性能可设计性是被运用于各种结构的最佳特性之一。

1 复合材料产品使用现状

复合材料在中国的应用相对快速发展的英美等国已属缓慢,但近几年也有了比较大的改善,比如:室外常见的电源箱设备、水沟盖板、井盖、发动机风扇叶片等复合材料产品的使用(见图1～图3),尤其是在航天、汽车等行业的运用也已日趋成熟,目前已逐步形成取代木材及金属合金的趋势。

从目前国际国内应用现状来看,复合材料在欧美国家主要用于航空航天、汽车等行业。据不完全统计,2000年欧洲的复合材料全球占有率约为32%,2000年～2003年间欧美汽车零件的复合材料用量约达25万t。而为满足汽车轻量化的要求,必将会有越来越多的复合材料产品被应用到汽车、航天等行业中;在亚洲如日本等地,复合材料产品被用于住宅类工程中,而住宅类复合材料产品的应用仅2000年的用量已达8万t,可见一斑。

由此可见,复合材料的优异性能及其在全世界航天、汽车、电气等领域的广泛应用是其飞速发展的重要因素。而近几年复合材料产品在轨道交通中的成功使用更是体现了复合材料优于其他如金属材料等产品的优异性。与此同时,随着人们对环保问题的日益重视,高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如,用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料,在北美已被大量使用于家居并有逐步取代木制产品的趋势。

2004年开始,复合材料产品被运用于广州市轨道交通建设中,虽然在中国的轨道交通建设中只是一个小的开始,但却鉴定了复合材料的应用新领域。

2 轨道交通用复合材料分类

1)从组成成分来说,目前轨道交通使用的复合材料产品多为树脂基复合材料。树脂基复合材料主要由树脂基、增强材料、填料与助剂等组成,为纤维增强复合材料的一种,性价比高,应用较普遍。树脂基复合材料与传统的金属材料不同,树脂基复合材料的可设计性、可配置性很强,可根据制品的应用环境条件,设计不同的配方,配置可适应不同要求的材料体系,因此树脂基复合材料性能与结构对制造工艺具有很强的依赖关系,设计时必须系统掌握材料各方面的性能,均衡利弊,实行“选材—设计—制造工艺”一体化的原则,充分利用材料的可设计性来弥补性能的弱点,进而对产品各项性能进行优化,设计出满足要求的优质产品。而这一性能也是树脂基复合材料较大规模应用于潮湿及腐蚀严重的地铁区间隧道的重要特性之一。2)从成型工艺上区分,树脂基复合材料的成型方法常见的有手糊成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、冲压成型等。目前轨道交通中较常用的为模压成型及拉挤成型。拉挤成型复合材料产品在材料性能、受力、防火等各方面均优于模压型复合材料产品,故在轨道交通中常用且主要用于消防要求高的设备,使用较广泛。

3 轨道交通用复合材料产品的优异性能

由于复合材料由多种不同类型组分材料组成的特殊性,使得复合材料产品具有优于其他材料的整体结构特性以及独特优异的使用性能,而同时也具备了轻质、高强、良好绝缘性能、耐腐蚀性及性能可设计等优点。1)耐腐蚀性能、耐候性:可极好地解决潮湿环境及气候循环变化对金属等材质产生的腐蚀问题。不仅延长了结构及设备的使用寿命,且不需采取防腐、防锈等防护措施,全寿命周期基本免维护,减少了维修费用及运营维护工作量。2)电性能:可有效阻止隧道结构及设备在杂散电流等作用下的电化腐蚀,保证地铁结构的耐久性。3)热稳定性:复合材料制品的导热系数只有钢铁的1/100～1/200,是优良的绝热材料。尤其以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料,在500℃时仍能保持足够的强度和模量。4)耐蠕变、消声的作用:可极好的达到材料耐蠕变效果,同时复合材料产品的消声效果也非常明显,可大大降低环境中的噪声。5)加工性能好、综合成本低:复合材料可实现制品一次整体成型,降低工艺消耗,提高结构整体强度,批量生产又可降低产品综合成本。6)可设计性:可通过调整材料配比等方法弥补产品生产或使用中出现的某一方面性能的弱点,进而设计出最优产品。7)优异的防火性能:由于城市轨道交通,尤其是地下隧道消防要求非常严格,而复合材料优秀的防火性能可很好的满足地铁区间隧道火灾等意外情况。8)安装快速、方便:轨道交通工程的设备与列车之间的空隙必须满足列车限界的最小要求,而复合材料产品的可现场切割、易拼装在较好满足各专业安装要求的同时又可降低施工安装的强度,加快工程进度。因此,在轨道交通工程中采用复合材料产品不仅可降低工程的全寿命周期成本,同时在后期的施工中也更体现了复合材料产品安装的快捷、简便,优异的性能是复合材料产品运用于轨道交通建设的基础条件。

4 复合材料产品在轨道交通的运用实况

轨道交通的环境相对来说比较复杂,尤其是地下区间,消防要求高,隧道环境相对室外恶劣:潮湿、电化腐蚀严重。

广州早期的地铁线中,部分隧道内使用的钢支架等设备已出现严重锈蚀,使得运营部门的维护保养负担日渐加重,随着新线的不断建成和投入运行,状况将进一步加剧,成为影响运营安全的一大隐患,故在轨道交通区间选择轻型、强度高、防火性能高、防腐优秀的材料是势在必行的,而复合材料各项优异性能非常适合地铁区间环境的使用。

目前主要运用于区间中的复合材料产品有:各系统用来承托电缆的电缆支架(替换原金属支架)(见图4)、长大区间设置的疏散乘客的生命通道(替换原钢筋混凝土结构)(见图5)、保护地铁三轨的复合材料防护罩、盾构井的玻璃纤维筋。

同时,还有部分轨道交通车辆也采用了复合材料,由此可见,复合材料产品在轨道交通的运用大有前途,不管是从结构强度、产品性能还是产品使用的经济效益都是值得推广的。

5 结语

结合安全、运营、施工、经济等各方面,在轨道交通地铁区间运用新型材料尤其是性能可设计的复合材料,可有效解决区间金属构件腐蚀、设备绝缘安装、运营安全及安装维护等技术难题,运用价值巨大。

[1] 张玉龙.高技术复合材料制备手册[M].北京:国防工业出版社,2003.

[2] 陈绍杰.航空复合材料技术的近期发展——欧洲2005年JEC复合材料展览会见闻[J].航空维修与工程,2005(5):10-12.