城市轨道交通车辆采用的工程新材料

韩晓明 上海轨道交通设备发展有限公司 (200233)

韩晓明（1980年~） 男，毕业于江苏大学机电学院，现为上海电气集团上海轨道交通设备发展有限公司设计师，长期从事轨道交通车辆整车车体内装饰系统研发工作。

0 引 言

2011年至2014年间，我国城市轨道交通建设将完工62条在建线路，建设里长将倍数于此前竣工总量。截至2011年8月，全国共有30个城市轨道交通近期建设规划获批。其中，20个城市在规划期内调整、扩大了建设规模。将来国内会有越来越多的城市开通城市轨道交通线路。

巨大的市场需求推动了城市轨道交通车辆制造业的发展，城轨车辆内装饰件对材料的要求很高，不仅要求美观，而且轻量化、防火、防烟毒的要求也很高。越来越多的新材料被应用到轨道车辆上来。本文重点对近年来城轨车辆内装饰的新材料作简要介绍。

1 中空夹芯复合材料

1.1 简介

目前城轨车辆上使用的复合材料主要有玻璃钢和铝蜂窝板。传统的夹芯复合材料通常为两块复合材料增强面板和密度较低的芯材粘接形成，面板和芯材间的界面胶结强度较低，层间性能较差，在外载荷作用下，尤其是受到冲击后，如工具坠落、碎石、冰雹、撞击等，面板和芯材会产生分层，使得力学性能全面下降，极易导致结构破坏。

中空夹芯复合材料（见图1）具有良好的整体结构，优异的综合性能，可广泛取代传统的蜂窝及泡沫夹层复合材料。中空夹芯复合材料是通过树脂复合形成的三明治结构芯材（见图2），该材料的面层与芯层整体连接成型，极大地克服了传统蜂窝、泡沫芯材等夹芯复合材料易分层、耐冲击性能差的缺点，具有高性能（保温、隔声、阻燃）、高强度（比强度、比刚度、抗冲击、耐疲劳）、可设计（纤维体系、芯体结构形式、树脂体系）、可填充与预埋（填充泡沫、埋设导线、探头）、易于成型（平面、拐角、异形曲面）等特点，是一类高性能先进复合材料。

图1 中空夹芯复合材料

图2 中空织物芯材

中空复合材料与铝蜂窝性能对比见表1。

表1 中空复合材料与铝蜂窝性能对比

中空复合材料与玻璃钢材料的性能对比见下表2。

表2 中空复合材料与玻璃钢材料的性能对比

1.2 中空复合材料在城轨车辆上的应用

由于中空夹芯复合材料具有隔声、隔热、阻燃、质轻、环保等优点，目前时速200km/h、300km/h动车组上已经使用中空夹芯复合材料作为内装饰材料。随着城轨车辆阻燃和轻量化的要求越来越高，中空夹芯复合材料也可以应用在城轨车辆内饰上。应用范围有：

内侧墙板

用中空夹芯符合材料做的墙板，外观上与玻璃钢、铝蜂窝做的墙板无任何区别，但重量可以轻30%以上，见图3、图4。

图3 内侧墙板

图4 墙板断面

（2）内顶板

内顶板整体可以做成中空织物复合材料，在安装螺栓的位置可以做成实心层来增加强度，见图5、图6。

图5 中顶板

图6 中顶板断面

2 铝塑板复合材料

2.1 简介

铝塑板全称铝塑复合板，简称铝塑板，是由经过表面处理并涂装。

烤漆的铝板作为表层，无毒塑料板作为芯层，经过一系列工艺过程。

加工复合而成的新型材料，见图7。由于铝塑板是由性质不同的两种材料(金属与非金属)组成，它既保留了原组成材料(金属铝、非金属聚乙烯塑料)的主要特性，又克服了原组成材料的不足，进而获得了众多优异的材料性能。

图7 铝塑板

铝塑板力学性能指标见下表：

表3 铝塑板力学性能

2.2 铝塑板在城轨车辆上的应用

铝塑板在城轨车辆上的应用范围有：

（1）内侧墙板

由于铝塑板不能冲压，用铝塑板做墙板，在窗框的地方比较难处理，所以需要预先做一个窗框，然后用结构胶粘到铝塑板上，刮腻子，喷漆后效果还是比较好的，见图8、图9。

图8 内侧墙板

图9 墙板断面

(2)中顶板

铝塑板有很好的刚度，很适合用作顶板的材料，高速列车上很多内顶板就是铝塑板结构的，它们的生产工艺已经很成熟，能够用在地铁车辆上。图10、图11所示的是铝塑板顶板的一种结构，铝塑板和铝型材之间用结构胶粘接牢固;如有必要，铝塑板上可以再粘几块加强板提高刚度。

图10 中顶板

图11 中顶板断面

3 镁合金

3.1 简介

镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金。其特点是：密度小（1.8g/cm3左右），比强度高，弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。目前使用最广的是镁铝合金，其次是镁锰合金和镁锌锆合金。主要用于航空、航天、运输、化工、火箭等工业部门。在实用金属中是最轻的金属，镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4。它是实用金属中最轻的金属，高强度、高刚度。在不减少零部件的强度下，可减轻铝或铁的零部件的重量。镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度与铝合金和钢相当。在弹性范围内，镁合金受到冲击载荷时，吸收的能量比铝合金件大，所以镁合金具有良好的抗震减噪性能。在相同载荷下，减振性是铝的100倍，钛合金的300～500倍。电磁屏蔽性佳，3C产品的外壳（手机及电脑）要能够提供优越的抗电磁保护作用，而镁合金外壳能够完全吸收频率超过100db的电磁干扰。质感佳，镁合金的外观及触摸质感极佳，使产品更具豪华感，而且，在空气中更不容易腐蚀。

3.2 镁合金性能

表4 镁合金与铝合金性能对比

3.3 镁合金在城轨车辆上的应用

镁合金挤压型材（图12）可以用作内饰材料，目前城轨车辆上的顶板横梁、通风格栅等部件材料一般都是铝型材；但有些车对轻量化的要求比较高，而镁合金密度小，强度、刚度高，可以用镁合金型材代替铝型材达到减重效果。车辆内饰上可以用镁合金型材的部位有顶板横梁、灯体型材、通风格栅、侧顶型材等，见图13、图14。

图12 镁合金挤压型材

图13 顶部横梁

图14 镁合金在车辆顶部的应用

在中国北车唐山轨道客车有限公司下线的国内首列实用型中低速磁悬浮列车上也使用了镁合金材料，由于磁悬浮列车要求轻量化设计，在结构上考虑减重的同时，灯体尝试采用了镁合金型材（见图15）。

图15 磁悬浮车镁合金灯体

目前镁合金的价格要比铝合金贵，但从整车减重的效果来看还是值得的，相信随着以后镁合金材料成本的降低，生产工艺的成熟，镁合金一定会有越来越广泛的应用在城轨车辆上。

4 碳纤维

4.1 简介

碳纤维，顾名思义，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维是一种新型非金属材料（见图16）。它一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂，金属，陶瓷，混凝土等材料中构成复合材料。碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、传热和热膨胀系数小等优异性能。既可作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用。因此，近年来碳纤维的应用的发展十分迅速，在航空航天、汽车、能源、建筑、运动器材等众多领域得到了广泛的应用。

图16 碳纤维

4.2 碳纤维性能

(1)轻质高强，其比重为铁的四分之一，拉伸强度为铁的10倍，尤其是高弹模量碳纤维，其抗拉强度比钢材大68倍，弹性模量比钢材大1．8～2．6倍。

(2)化学性能非常稳定，耐高温和低温以及耐腐蚀性高，在600℃高温下其性能保持不变，在-180℃低温下仍很柔韧，不与恶劣环境下酸、碱、盐发生腐蚀性反应。

(3)可加工性能好。例如，由于碳纤维布质轻又可折可弯，可适应不同构件形状，成型很方便，可根据受力需要粘贴若干层，而且施工时不需要大型设备，也不需要采用临时固定，对原结构无新的损伤。

此外，碳纤维的其他特性还包括高强度的X射线穿透性、较高的抗热、导电性及抗磨蚀性能等。碳纤维与铁道车辆常用的部分金属材料的部分力学性能指标的比较如表5所示。

表5 碳纤维与其他材料性能对比

4.3 碳纤维在城轨车辆上的应用

碳纤维较早应用在交通运输工业，美国福特公司于1969年用碳纤维制作了GT40型赛车，利用层合板制作的板簧，大大延长了赛车的使用寿命。目前，用在交通运输方面主要是汽车骨架、发动机前盖、螺旋桨芯轴、车轮、缓冲器、弹簧片、引擎零件、船舶的增强材料等。见图17、图18。

图17 发动机前盖

图18 发动机缸盖

轨道交通领域，国内已在高速列车上应用碳纤维材料，制造的产品是高速列车流线型车头中的前端车钩头盖（见图19、图20）。

图19 高速列车前端

图20 高速列车头罩

从近期来看，碳纤维材料可以用来制造承受一定载荷的部件或构件，如高强度的流线型车头前端头盖、座椅骨架等。远期来看，制造次重要的承载荷部件或构件，如铁道车辆车体中次重要承载构件、转向架构架中的部分承载构件。将来如果碳纤维的成本降下来的话，甚至可以用作车体内装饰材料，一定程度上解决轻量化问题。

图21

目前碳纤维在内饰上的应用还主要局限在高档汽车或汽车的改装上（见图21）；在城轨车辆上几乎是一片空白。单从技术上讲，碳纤维材料的优势显而易见，重量轻、耐腐蚀、强度高；碳纤维材料可以取代目前城轨车辆上常用的玻璃钢、铝板、铝蜂窝等材料用作内饰件如墙板、顶板、间壁、座椅、座椅骨架、司机台等。

5 结 论

轨道交通产业的发展为新材料的应用提供了广阔的市场，而新材料的研发与应用已经成为我国轨道交通产业能否跨越式发展的重要课题之一。就前面提到的新材料本身的性能而言，其强度、刚度、耐疲劳等性能均可满足轨道交通车辆的需求，而结构的设计、各部位对载荷的要求、铺层的设计、接头的设计等方面才是制约其应用推广的关键。不断开拓创新，探索先进的材料应用技术将是未来城轨车辆产业的发展目标之一。