1、1纤维预浸料在高速列车上的推广及应用摘 要 随着速度等级的不断提升，高速动车组在车辆运行过程中会出现车体局部振颤、车内噪声偏大等问题，这无疑对车体及车内装饰件的选材和结构优化提出了更高的要求。纤维预浸料作为车内装饰件的一种新型轻量化内饰材料，在航天、豪华游轮等领域已经得到成熟应用；目前，在轨道交通领域应用较少，且原材料主要依靠进口。近年来随着国产纤维技术的成熟应用及市场化发展，国产纤维复合材料在高速轨道列车轻量化、降低成本方面的应用也必将更为广泛。文章从复合材料的选取、产品制作、与原有铝制复合结构工艺差异性等做对比，重点阐述纤维预浸料的复合以及复合结构优化相结合来加以分析和推介，并提出合理化建
2、议。 关键词 新型内饰材料；轻量化；高速动车组；复合结构；推广与应用 作者简介 孙明道，南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛，266111；林松，南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛，266111 中图分类号 U270.4 文献标识码 A 文章编号 1007-7723（2013）01-0027-0004 随着车辆运营速度等级的不断提升，车辆减重已经迫在眉睫，车辆轻量化作为结构优化设计的一个重要组成部分，其重要性已经引起越来2越多的关注。轻量化设计及制造是高速轨道交通发展的一个重要方向，其必要性在于： 轻量化能减轻轨道载荷，减小钢轨磨耗和轨道变形，可显著降低线路建设费用和铁路的维
3、护保养费用；轻量化对降低动力耗能成本费用有较大影响，降低了地基振动，提高了减噪性能；轻量化有利于提高舒适度，提高车辆的行走性能，特别是减轻簧下质量，能抑制车辆高速运行时轮轨冲击载荷的增大。 一、纤维预浸料的性能特点及发展趋势 （一）纤维预浸料的性能及特点 1. 纤维预浸料的分类 按物理状态分类，分单向预浸料、单向织物预浸料、织物预浸料；按树脂基体不同，分热固性树脂预浸料和热塑性树脂预浸料；按增强材料不同，分碳纤维（ 织物） 预浸料、玻璃纤维（ 织物） 预浸料、芳纶（ 织物） 预浸料；按纤维长度不同，分短纤维（ 4176mm 以下） 预浸料、长纤维（ 1217mm） 预浸料和连续纤维预浸料；按固
4、化温度不同，分中温固化（ 120 ） 预浸料、高温固化（ 180 ） 预浸料以及固化温度超过 200 的预浸料等。 2. 纤维预浸复合材料的构成 纤维预浸复合材料是由基体材料、夹芯材料和纤维增强体复合而成，是本世纪发展最迅速的新材料之一。其中，基体材料的主要作用是支撑增强材料，对增强材料起保护作用，其分为热固性树脂和热塑性树脂；夹芯材料主要指结构泡沫、纸/铝蜂窝、聚合物材料等；纤维增强体主要3起承载作用，主要品种有碳纤维、芳纶、硼纤维、碳化硅纤维和玻璃纤维等。 3. 纤维预浸料的性能及特点 纤维预浸复合材料具有重量轻、强度高、刚性大的特点，在航天、航空、交通运输、基础建设中发挥了巨大的作用，成
5、为这些领域产品性能提高和升级换代的关键材料，是高速列车轻量化的理想材料。 （二）预浸料相关技术发展趋势分析 目前，纤维预浸料复合材料在高速轨道列车的车体结构中应用较少，且纤维预浸料及其复合材料主要依靠进口。 在国外，纤维预浸复合材料已在轨道交通中广泛应用。法国国营铁路公司（SNCF）对于未来的 TGV 高速列车，考虑到迫切需要进一步减轻车体重量，认为只能采用碳纤维复合材料的双层 TGV 挂车，并进行线路运行试验，对其耐火性、抗冲击强度等进行运行测试。纤维预浸复合材料在高速轨道交通领域主要应用于车体内部装饰、车内设备等非结构零件材料，同时也将逐步向车体等结构件延伸、扩大。 二、纤维预浸复合结构与
6、铝制复合结构的性能差异 判断一种材料的性能优劣，不仅体现在自身的高性能参数，而且主要体现在其复合成品后的各项性能参数与现有的产品相比明显高得多。以车内装饰件的端部间壁为例，对纤维预浸复合结构与铝制复合结构进行如下对比。 （一）纤维预浸复合结构及复合材料的试制 1. 纤维预浸材料的保存与使用 4纤维预浸材料的保存与使用对环境要求高。预浸料保存需在-18左右，保存的时间为 6 个月左右，而在室温（1525）下就开始软化。为此，下料过程中需在冷库的周边完成，操作完成后及时将余料放进冷库待用。 2. 纤维预浸料的复合结构样式 高速动车组现有间壁绝大部分为铝制复合结构，即双面铝板加芯材的复合结构，纤维预
7、浸复合结构与其相似，为：纤维预浸料+胶膜+芯材+胶膜+纤维预浸料复合结构。经过实验验证后的纤维预浸料理想化厚度为：0.15mm、0.3mm；胶膜及芯材复合后的产品总厚度通常有如下几种样式：5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm 等。芯材主要有铝蜂窝、纸蜂窝和泡沫芯；现选取 0.3mm 厚玻璃纤维为预浸料，与芯材复合后的组合样式有： 结构 1：玻璃纤维预浸料厚 0.3+纸蜂窝芯材+玻璃纤维预浸料厚 0.3 总厚度 5 结构 2：玻璃纤维预浸料厚 0.3+纸蜂窝芯材+玻璃纤维预浸料厚 0.3 总厚度 10 结构 3：玻璃纤维预浸料厚 0.3+纸蜂窝芯材+玻璃纤维预浸料厚 0.3
8、总厚度 15 结构 4：玻璃纤维预浸料厚 0.3+纸蜂窝芯材+玻璃纤维预浸料厚 0.3 总厚度 20 结构 5：玻璃纤维预浸料厚 0.3+纸蜂窝芯材+玻璃纤维预浸料厚 0.3 总厚度 25 5结构 6：玻璃纤维预浸料厚 0.3+泡沫芯材+玻璃纤维预浸料厚 0.3 总厚度 5 结构 7：玻璃纤维预浸料厚 0.3+泡沫芯材+玻璃纤维预浸料厚 0.3 总厚度 10 结构 8：玻璃纤维预浸料厚 0.3+泡沫芯材+玻璃纤维预浸料厚 0.3 总厚度 15 结构 9：玻璃纤维预浸料厚 0.3+泡沫芯材+玻璃纤维预浸料厚 0.3 总厚度 20 结构 10：玻璃纤维预浸料厚 0.3+泡沫芯材+玻璃纤维预浸料厚
9、0.3 总厚度 25 结构 11：玻璃纤维预浸料厚 0.3+铝蜂窝芯材+玻璃纤维预浸料厚 0.3 总厚度 5 结构 12：玻璃纤维预浸料厚 0.3+铝蜂窝芯材+玻璃纤维预浸料厚 0.3 总厚度 10 结构 13：玻璃纤维预浸料厚 0.3+铝蜂窝芯材+玻璃纤维预浸料厚 0.3 总厚度 15 结构 14：玻璃纤维预浸料厚 0.3+铝蜂窝芯材+玻璃纤维预浸料厚 0.3 总厚度 20 结构 15：玻璃纤维预浸料厚 0.3+铝蜂窝芯材+玻璃纤维预浸料厚 0.3 总厚度 25 3. 纤维预浸料的复合材料选择 表面蒙皮：预浸酚醛树脂的玻璃纤维 泡沫芯材：耐高温 PVC 泡沫板 6纸蜂窝芯材：预浸酚醛树脂的纸
10、蜂窝芯 铝蜂窝芯材：预浸酚醛树脂的铝蜂窝芯 4. 纤维预浸料的复合结构样件及其构成 玻纤维预浸料+泡沫芯材+玻纤维预浸料，如图 1 所示。 玻纤维预浸料+纸蜂窝芯材+玻纤维预浸料，如图 2 所示。 玻纤维预浸料+铝蜂窝芯材+玻纤维预浸料 样件结构组成方式同图 2 相似。 5. 不同厚度、不同芯材的预浸料复合结构的各项性能指标的测试及对比复合材料是轨道交通内装复合结构最常用的结构形式之一，内装件是车内结构的重要组件，不仅起着对车内部件的防护作用，同时也作为车内旅客的一个旅行环境。 （1）纤维预浸复合结构的力学试验项目。为校核复合材料对动车组车辆使用工况的符合性，对纤维预浸复合材料进行抗拉、剥离、
11、抗弯、抗压、耐冲击、隔音、隔热、防火、高低温试验和疲劳强度测试等。 （2）纤维预浸复合结构的力学性能试验及测试。结果见表 1。 （3）纤维预浸复合结构防火性能测试。测试结果见表 2。 （二）铝制品复合结构 目前，不同速度等级的高速动车组间壁类铝制品复合结构，其各项力学性能试验均已测试过，并已通过行业标准和权威部门的验证和认可，在此不一一罗列，仅选择总厚度为 20mm 的芯材分别为铝蜂窝和泡沫芯的铝板复合结构作为测试对比，具体组合形式为： 结构 16：表面板（0.8mm 厚铝板）+铝蜂窝芯材+背面板（0.5mm 厚铝7板）厚 20 结构 17：表面板（0.8mm 厚铝板）+泡沫芯材+背面板（0.
12、5mm 厚铝板）厚 20 1. 铝制品复合结构力学性能试验见表 3 2. 两种结构的性能差异比较 通过表一和表三对比分析，发现芯材相同、总厚度相同的两种间壁类复合结构，纤维预浸料复合结构的各项力学性能指标均高于铝制复合结构的产品各项性能。 三、结 语 通过上述分析对比，除纤维预浸复合结构的复合固化的温度较高外，其他各项性能均已得到了很好的验证和测试，与目前高速动车组所采用的铝制复合结构相比，制作工艺简单便捷；性能除抗压、剥离强度稍差外，弯曲强度、疲劳强度及耐冲击、隔音等远优于铝制复合结构；成本，以玻纤维预浸料复合板为例，随着板厚的递增，成本会有所增加，幅值差异在 50%左右；重量，采用玻纤维预浸料复合板制作实际产品，减重效果非常明显，相对铝制复合板材可以减重 30%40%。产品设计缺陷，通过不同板材的样件试制对比，纤维预浸复合板的边缘圆角不能小于R3R5，过小容易造成预浸料断裂。如果设计中确实需要较小的圆角，可以通过边缘灌胶来实现。 在国产纤维技术的成熟应用及市场化日益发展的今天，国内纤维复合材料应用于轨道车辆上的机率亦越来越大。国产化纤维复合材料在高速轨道列车轻量化、降低成本方面的应用也必将更为广泛。
