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              軌道交通建設開啟復合材料業發展空間
              新聞來源:轉載網絡    點擊數:10001    更新時間:2009-7-7 14:55:14

                      當前我國正處在軌道交通建設的繁榮時期,已經成為世界上最大的城市軌道交通市場。
                      中國已有9個城市開通了城市軌道交通。據悉,到2010年,中國新建城市軌道交通線路將達到1000公里以上。軌道交通產業在江蘇發展尤為迅速。在日前35家央企與江蘇省簽訂的總投資額達220億元的45個重大合作項目中,涉及了軌道交通。此外,常州軌道交通產 業已拿下2012年英國倫敦奧運會地鐵工程全部內飾工程接單,南京軌道交通產業成功競標獲得印度孟買18列106輛寬體大運量城軌車輛訂單。上海鐵路局到 2012年,將投資1400億元以上資金建設高等鐵路網。軌道交通已成為復合材料產品潛力巨大的市場。
                      當今,軌道交通產業異軍突起,發展勢頭強勁。對于復合材料產業而言,這是一個嶄新的、大有可為的應用領域。
                      世界生產高速列車的重點企業,主要分布在日本、德國、法國和加拿大。據德國交通銀行(DVB)近幾年對世界高速鐵路投資分析顯示,世界高速列車產業多集 中在歐亞地區:在1999年~2009年的10年時間里,全球鐵路投資規劃總額高達4520億美元,是半個世紀以來前所未有的。其中,歐洲高達1950億 美元,約占47%;亞太地區為1640億美元,約占37%;北美為640億美元,約占14%.可見,高速列車及鐵路已成為各國投資的最大熱點。我國土地資 源緊張,在交通運輸方面,發達國家已開始限制高速公路發展,加大對鐵路的投資。這是因為與高速公路相比,鐵路有如下突出的優點:高速公路占地約為雙線鐵路 的1.6倍,但其運輸能力僅為鐵路的1/3;高速公路易受天氣影響,安全性比鐵路小得多;高速公路對環境的污染是同等規模鐵路的400倍;二者投資基本持 平,鐵路略高,但鐵路對沿線經濟發展的帶動作用是高速公路所望塵莫及的。
                      復合材料是由基體材料(聚合物材料、金屬、陶瓷)和增強體(纖 維、晶須、顆粒)復合而成的具有優異綜合性能的新型材料,是近年發展最迅速的新材料之一。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,充分發揮組成材料性能的優勢,獲得單一材料---金屬、聚合物、陶瓷等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。當前,復合材料已在航天、航空、交通運輸、基礎建設中發揮了巨大的作用,成為這 些領域產品性能提高和升級換代的關鍵材料。
                      復合材料在高速客車中的應用在高速軌道交通領域,復合材料正成為越來越重要的一類材料,除用 作內部設備和裝飾材料外,在承重結構上的應用也越來越廣泛。用復合材料做成的構件,重量輕、強度高、剛性大,是一種理想的高速軌道交通用結構件。復合材料 制造出的產品,不需進行機械加工,生產效率高,制造成本低。在軌道交通車輛中廣泛應用復合材料,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。
                      法國阿爾斯通公司研發新的一代名為“AGV”的高速列車,其速度比原有“TGV”高速列車更快,性能更穩定,更 舒適。為了提高車速,“AGV”列車上采用了不少復合材料以減輕重量,這使其運轉和維修也更加方便。法國的大西洋“AGV-A”裝用的可折疊式茶桌采用 FRP復合材料制造,重量只有鋁茶桌的1/2.德國“Apm123”型空調客車和高速運輸的客車及一、二等混編列車都是采用FRP復合材料層壓板制造。由 于大量使用復合材料,這些列車最大限度地減少了機車噪聲及振動,車速更快,列車運行也更穩定、噪聲也更小。
                      日本新干線高速客車的臥鋪、 茶桌、行李架均由FRP制作,其中12系14型臥車的上鋪和中鋪采用FRP復合材料制作。581系電動車的臥鋪框架也是FRP復合材料。在車廂內飾件方 面,日本新干線的高速客車中,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亦采用復合材料。為了減少受電弓周圍的空氣動力噪聲,在車頂上安裝的受電弓內亦采用GFRP材料制造。 在軌道交通的站臺、軌線設施中,也應用了大量絕緣、耐腐蝕的復合材料型材構件、制品。車體結構是保證安全、快速運送旅客所需空間的重要部件,須具備足夠的強度、高剛性,輕量化,不燃性,容易維修或不需維修,制造費用低,氣密性高等性能和條件。而用FRP復合材料制造軌道的車體,即能達到 上述條件要求。其良好的性能表現可概括為:輕質高強,復合材料的密度為1.4~2.2g/cm3,它的密度僅是鋼的1/4~1/5,而強度并未減弱;比強 度為鋁合金的2倍,是鋼的4倍,符合軌道車輛輕量化的要求;其工藝簡單,成本低,可一次成型;生產設備投資費用約為鋁合金的1/30~1/40;其可設計 性能為車體結構的優化設計提供了廣闊自由度;耐腐蝕的特性保障最終制品有較長的使用壽命;具有耐酸、耐堿、耐大氣腐蝕性,其使用壽命超過不銹鋼材料;導熱 系數低,只有金屬的1/100~1/1000,是一種優良的絕熱材料;膨脹系數小,在有溫度差下工作時所產生的熱應力比金屬小得多;通過合理的選擇和改 性,能非常容易地達到軌道車輛的防火性能要求;有抗磁、絕緣、隔音等多種性能。
                      目前,高速客車車門主要采用玻璃鋼制作,如英國客車安裝 的聚酯玻璃鋼門;法國客車采用玻璃鋼夾層模制整體車門;俄羅斯26米長的輕型客車車門為3層夾層結構,中間填充保溫泡沫塑料,內外層為玻璃鋼;丹麥鐵路新 型電動車的車門為雙扇車門,由玻璃鋼、蜂窩夾層材料及鋁框組成。在車窗及窗玻璃的設計上,法國、英國及日本鐵路客車上均采用了玻璃鋼窗 框,有些還使用了阻燃性聚酯玻璃鋼。玻璃是車輛車窗的傳統材料,隨著車速的不斷提高,列車穿越隧道時會產生巨大壓差,行駛過程中帶起的小石塊易造成玻璃的 損壞,先進國家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。瑞士聯邦鐵路曾在460 型電力機車上用2塊厚15mm的PC板作為車窗玻璃,撞擊試驗表明,一個質量為1kg的球狀物體以540km/h速度撞擊車窗,車窗也不會被擊碎。PC板 材質量僅相當于同等厚度玻璃質量的1/12~1/15.此外PC板材還具有良好的隔聲性能、阻燃性能,其受熱熔化時不會引燃其他物質,且不會產生毒氣,耐 候性能優越,短期載荷熱變形溫度達140℃,脆裂溫度低于-110℃,可在-40℃~100℃條件下長期使用。然而,PC板材也存在一些較明顯的缺點,如 膨脹系數大、耐劃痕性能差、成本較高等。盡管如此,PC車窗玻璃在發達國家作為機車車窗玻璃已進入實用化階段,如荷蘭、日本、瑞士等國家均已采用經硅酮涂 層處理的PC窗玻璃。
                高速客車的座椅過去采用鋼制骨架,一個雙人座椅的總質量在50kg以上,一輛日 本新干線電動車全部座椅的質量達2.5噸,作為車體的內飾設備占有較大的比例?,F在國外玻璃鋼座椅已較為普遍,如英國XP64型客車、MK11、 MK111型客車,法國“珊瑚號”客車,日本部分客車和300系地鐵車及前蘇聯二等客車等均使用玻璃鋼座椅。
                      國外客車墻板一般采用玻璃鋼和泡沫塑料夾層結構,如德國漢堡高速鐵路上的客車墻板,捷克、瑞士、荷蘭、英國、日本、法國、奧地利等國的客車墻板也都已采用玻璃鋼制造。
                      大量玻璃鋼制品的應用隨之產生的是阻燃性問題。由于大部分玻璃鋼制品生產原料采用不飽和聚酯樹脂,其阻燃性差、毒性大。近年來,日本、法國、德國、意大 利等國,通過對酚醛樹酯改性及選用新的固化體系,已成功地研制可用手糊成型和可模壓成型的酚醛玻璃鋼制品,不需添加阻燃劑就有較高的阻燃性,且發煙量小, 煙霧毒性小,取得了較好的應用效果,如日本國鐵客車采用手糊成型酚醛玻璃鋼制造墻板及空調通道,采用模壓成型制作酚醛玻璃鋼茶桌、窗框等;意大利 ETRY500型高速列車采用酚醛玻璃鋼預制夾層板制作電話間、儲藏室頂棚、車門;法國部分客車也采用酚醛玻璃鋼制造茶桌和座椅。廁所、洗手間、集便箱、臥鋪、行李架、空調、風道等都是極易腐蝕的部件,最適合用玻璃鋼制造。FRP復合材料整體衛生間包括衛生間的頂板、墻板、地板,均可 采用FRP復合材料制造,粘結連接為一整體。整體衛生間能可靠地保護相連接的金屬構件,使之不會產生腐蝕破壞。集便箱采用FRP復合材料制造可提高使用壽 命,其結構為在用FRP復合材料制作的橢圓形外殼周圍,用加熱方法粘接聚氯乙烯泡沫塑料,并在上面再手糊一層FRP復合材料的夾層結構。低成本凸顯軌道交通用FRP零部件優勢隨著原材料的發展和工藝的進步,復合材料的成本正在逐步降低。
                      由于采用模塊化的設計技術及整體成型技術,復合材料已大大減少了結構的復雜性,并縮短了生產實際及總裝所需要的工作量,降低了總體成本。同時,復合材料 具有的耐疲勞、耐腐蝕等特性,降低了制品的維護、修理成本。由于減重,提高了運營能力,減少了能耗,復合材料的總壽命周期成本(LCC)也得到了降低。低 成本制造技術的范圍較廣,一般將成型效率高、成品率高、原材料適用性廣的工藝技術稱為低成本技術。對于高速軌道車輛制品而言,低成本制造技術是指多種成型 工藝協作的系統。這主要是因為制造大而復雜的高速軌道車輛產品,通常只有應用多種成型技術才能達到理想的效果(比如減重、高性能等),如德國AEG和 MBB公司在開發轉向架時同時應用了模壓、纏繞、拉擠成型技術,以及粘結技術。因此只有將各種工藝、技術有機融合,復合材料才有可能在高速軌道交通領域得 到更新、更多地應用。
                      目前,我國高速列車上應用的復合材料產品與車型為:“藍箭”動車組及“中華之星”高速列車?!八{箭”機車的車頭蓋 是采用RTM工藝成型的前鼻端,手糊工藝整體成型導流罩;“中華之星”動力車的車頭端蓋是手糊成型。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,目前還是較局限于車內裝修裝飾件、座椅和車頭罩等。
                      復合材料在高速列車上的應用發展方向從復 合材料裝飾件到全復合材料的高速列車,復合材料展示了巨大的優勢及其在高速軌道交通領域應用的廣泛前景。除應用現有技術和工藝,為高速軌道車輛研發、配套 車門、整體衛生間等車體設備和裝飾件外,應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。
                      結合國內現狀,我們認為,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。其中優化設計是復合材料應用的基礎,是實現減重和安全性的保證。前面已介紹過,就復合材料本身的性能而言,其強度、剛度、耐疲勞等性能均可滿 足軌道列車的需求,結構的設計、各部位對載荷的要求、鋪層的設計、接頭的設計等方面,才是制約其應用推廣的關鍵。美國、日本和歐洲等國家的產品設計技術成 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,還明顯存在著設計不合理、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。
                      復合材料在制造上得到日益廣泛的應用,迫切需要 研究開發出產品質量更穩定、生產效率更高、成型加工費用更低的新材料、新工藝?,F在的復合材料成型不僅限于手糊、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;其基體樹脂由傳統的通用鄰苯樹脂、間苯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂向高性能的環氧乙 烯基酯樹脂發展;增強材料也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,大大改善了復合材料的結構、性能,提高了成型速度和制造 質量,加速了復合材料在車輛上的實用化進程。相信,隨著車輛工業發展的需要,將會開發出各種性能的原料材料來滿足適應和推動日益增長車輛工業的需求。 
                      我國研究開發、生產復合材料構件已有50年的歷史,在研究開發技術力量,復合材料制品生產技術設備,原材料生產等方面均有優勢,具備發展復合 材料產業的良好基礎。在為軌道交通工程的服務進程中,應針對軌道交通發展的總體要求和具體目標,以軌道交通建設項目為龍頭,采取相應的為軌道交通提供構件 材料和零部件的確保措施,把握好這一產業發展良機。


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