复合材料在轨道交通上的应用

       车辆结构的轻量化是现代车辆制造技术所追求的目标。这是因为轻量化才能减少材料消耗和车辆制造成本，同时车辆耗能必定与车辆轻量化成反比。而复合材料具有质量轻、强度高、耐腐蚀、成本低，以及易于设计、加工、改型等特点，在现代车辆制造中被越来越多地采用。目前，城市轨道交通车辆的制造技术也朝着舒适、安全、低自重、轻噪声方向快速发展。我国近年来在轨道交通车辆制造技术上得到了快速发展，但与发达国家相比，总体上设计和制造尚有一些差距，尤其是先进复合材料在车辆制造中的应用水平有更大的差距。
一、复合材料的优势
　　1质轻强度高
　　先进复合材料的相对质量密度在1．5～2．0之间，只有普通碳钢的1／4～1／5，而机械强度却达到或超过普通碳钢的水平。车体是车辆的大型承载构件，在质量上占有很大比例。为达到轻量化的要求，除了铝合金外，先进复合材料已成为车体的首选材料之一。为了增加运输乘客的能力，可使用不同的先进复合材料对车辆各部件重新设计，涉及到的材料包括碳纤维、玻璃纤维、环氧树脂和酚醛树脂等，而用蜂窝、泡沫结构比传统的铝结构质量减轻30％。
　　2可设计性强
　　纤维复合材料的最显著特点是高比强度和高比刚度，并且它可以在一个很宽的范围内变化，因此复合材料可以通过材料选择、结构设计、铺层设计等方法解决各种技术难题。现在使用的纤维从弹性模量为70 GPa、强度为3500 MPa的玻璃纤维到模量为600 GPa、强度为2000MPa的高模量碳纤．其性能范围很宽。根据已知的有关复合定律，通过选择材料，可以改变其性能，因此每个结构件都可以根据要求找到一种最佳的铺层结构。
　　3安全性高(高疲劳强度和低缺口敏感度)
　　疲劳特性是涉及安全性的主要问题。其实在复台材料被用于轨道车辆的结构件之前，就曾被用于制造航天飞机、军用飞机、民用飞机中的结构件，应用于高应力领域。承受连续振动的金属结构件上有了缺口，很快就会导致裂纹扩展并出现早期破坏．而在复合材料中，力被转移到邻近层．因此缺口的影响大大降低。由于复台材料对扩展裂纹的敏感度很低，即使出现损伤，也不致被立即破坏。由此可见复合材料的安垒性和可靠性高。
　　
二、复合材料在城市轨道交通的应用
　　1流线型动力车车体及拖车车厢
　　采用FRP(玻璃纤维增强塑料)复合材料制作的车体，其优点可概括为：①轻质高强。(它的相对质量密度仅是钢的1／4～l／5，而强度并不小；比强度为铅合金的2倍，是钢的4倍，符合轨道交通轻量化的要求)。②具有良好的抗撞击性。③工艺简单、成本低，可一次成型；生产设备投资费用约为铝合金车体的1／30～1／40。④可设计性，为车体结构的优化设计提供了广阔的自由度。⑤耐酸、耐碱、耐腐蚀，使用寿命超过不锈钢材料。⑥有抗磁、绝缘、隔音、导热系数低等多种性能。
　　2 机车车头的防撞吸能装置
　　近年来乘车安全性受到世界范围内的普遍重视。在高速列车的动力机车头部设计防撞吸能装置，成为高速列车设计制造的重要一环。
　　3 其它部件的应用
　　复合材料还可应用于车体的客车车厢结构地板，车厢门窗、框，高性能拖车转向架等部件。
　　4.车厢内装饰板、卫生设施及其他设备中的应用包括车厢顶板、内侧墙板、地板系统；行李架、卧铺支柱、桌、座椅；车厢内的通风设备、空调风管，以及各种电气箱、绝缘面板、灯柱、电话亭等；水箱、冷藏箱、整体厕所、盥洗室、集便系统、垃圾桶等。
三、复合材料在轨道交通中的应用实例
　　复合材料在轨道交通领域的最初应用主要集中在列车内部设备、装饰等非承力结构。随着城市轨道交通与复合材料的迅速发展，为满足轨道交通车辆轻量化的要求，大型复合材料承载构件(例如车头、导流部件)的研究，试制试验和应用工作不断展开。
　　1 用于列车辅助件和非主承力件
　　纤维复合材料已被用作列车内部设备、装修装饰材料和一些辅助件。日本新干线的高速列车中，FRP复合材料主要应用于车窗内饰框、洗簌间、厕所、小便池、水箱、集便箱、车前头盖板等。双层客车两端的车顶板、兼做空调风道的天花板、餐车空调盖板的侧天花板等部件也采用该材料。为了减少受电弓的空气动力噪声，车顶上安装的手电弓罩亦采用FRP材料制造。
　　法国制造的欧洲标准客车Y型车的内窗框用FRP复合材料制造。英国客车车窗装饰外包层采用阻燃的聚脂树脂和E玻璃纤维。日本京浜800型快车上首先使用FRP复合材料整体成型的内框。日本681系电动车客室内是使用FRP复合材料最多的车辆，其中就包括内窗框。
　　英国XP64型客车、MKIII型客车、法国“珊瑚号”、日本部分客车和30系地铁车、前苏联二等客车等均用FRP复合材料制造座椅。我国蓝箭、中华之星和和谐号高速列车的座椅亦用复合材料制造。
　　国外客车墙板一般采用FRP复合材料和泡沫塑料夹层结构。如德国汉堡高速铁路上的客车墙板。捷克、瑞士、荷兰等国也用FRP复合材料做客车内墙板。
　　英国有的客车上内顶板采用白色FRP复合材料。日本特快电动车上的内顶采用的是FRP复合材料大型部件。法国新型Mistra客车上采用FRP复合材料顶板。瑞士标准客车、奥地利BM02系列空调车侧走廊顶板也都采用FRP复合材料制造。
　　采用FRP复合材料制造客车地板因成本高，国外只有少数国家采用。如英国的XP64型客车采用FRP复合材料制作地板。我国目前已有企业开发出仿大理石玻璃钢地板用于铁路客车。
　　2、用于制备列车车辆的承重结构
　　纤维增强复合材料在承重结构上的应用也越来越多，其技术已基本接近实用化程度。减轻车辆自身质量是机车车辆工业的目标，而车体部分质量占车辆的15%~35%，因此，车体和转向架等部分是应用新材料的主要研究领域。
　　2.1高速机车司机室，车顶，车体
　   1992年投产的意人利ETRS00高速机车头部采用Kevlar纤维和环氧树脂模压成型，其刚性和抗冲击性均好。为了实现车辆的低重心,日本铁道综台技术研究所与东日本客运铁道公司用CFRP（碳纤维增强聚合物)制成车顶。日本铁道综合技术研究所生产的CFRP车体较铝合金车体质量减轻了30％。酚醛基CFRP有良好的耐高温性能。铝合金在400℃和40MPa的应力下会产生大的挠度曲变形，而酚醛基CFRP在500℃和150MPa的应力下也只有很小的变形。
四、结语
　　当前我国正处于轨道交通建设的繁荣时期，已经成为世界上最大的城市轨道交通市场。对于复合材料产业而言，这是一个崭新的、大有可为的应用领域，作为复合材料行业的工作者应抓住这一契机，提高复合材料在高速轨道领域的应用水平。