复合材料在轨道交通上的应用与发展

      复合材料是由基体材料(聚合物材料、金属、陶瓷)和增强体(纤维、晶须、颗粒)复合而成的具有优异综合性能的新型材料，是本世纪中发展最迅速的新材料之一。我国轨道交通建设已进入繁荣期，这为复合材料产业提供了一个大有可为的崭新空间。用复合材料做成的构件重量轻、强度高、刚性大，对减轻车厢重量，降低噪声、振动，提高安全性、舒适性，减少维修等均有重要作用，已成为理想的高速轨道交通用结构件。除用作轨道交通内部设施和装饰材料外，其在承重结构上的应用也越来越广泛。

1　复合材料的性能特点

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、泡沫结构则比传统的铝结构质量减轻30％。而且复合材料具有高疲劳强度和低缺口敏感度，极大提高了安全性能。
　　先进复合材料表而富含树脂，而树脂具有良好的耐腐蚀性能、耐候性能及阻燃、低毒、低发烟性能。根据具体的使用环境状况，有针对性地选择树脂来生产复合材料，可使树脂基复合材料达到所要求的耐腐蚀性能、耐候性能及阻燃性能。由于复合材料的抗疲劳、抗冲击和耐久性能好，使用复合材料还可以延长车辆的寿命(耐老化还意味着减少维修次数)。新的防火材料可以防止火焰扩散，消除烟雾，增加安全性。
　　先进复合材料的可设计性很强，为适应多方面的用途要求提供灵活性。先进复合材料产品设计时可从选材、结构形式及成型工艺等方而全而考虑，充分发挥各自材料的优点，避免它们的缺点。因此，先进复合材料不仅给设计人员提供了一种比强度、比模量高的材料，而且还提供了一种在一定程度上可随意设计的材料。同时可通过有限元计算，在减重的同时达到结构优化的目的，使列车性能更优越。列车外形可采用符合空气动力学的轮廓，降低整车重心，增加车辆稳定性；而内装饰可设计成更流畅、美观的外形，增加乘客的舒适感。使用复合材料可减少甚至消除结构支撑，增加客车空间，便于装配，减低内部噪声。
　　多部件一体化是降低成本的有效途径。在中批量生产的车型中，用先进复合材料取代铝材可以降低成本40％左右，从产品研制到形成批量生产的开发周期也大大缩短。复合材料部件安装简便，可与钢制品一起进行高温烤漆，热膨胀系数近似于钢材，较容易与钢材组合使用；且与薄钢板相比，被物体碰撞后不易留下凹痕。

2　复合材料在国内外应用发展概况及应用实例

在80年代前，复合材料主要用于航天、航空、先进武器系统等军事领域，随着轨道车辆综合性能的提高，复合材料已在轨道交通中广泛应用。根据法国国营铁路公司(SNCF)的线路运行试验和Schin-dlerWaggon公司在瑞士联邦铁路线上进行的运行试验，轨道车辆车体结构可以使用复合材料，其技术已达到实用化程度。复合材料车体结构具有重量轻、舒适度好、安全性高、成本低等优良特性，可以取代铝合金结构进行实用化生产。在车厢内饰件方面，日本新干线的高速客车中，采用GFRP(玻璃纤维增强塑料)复合材料制作车窗内饰、洗漱间、厕所、小便池、水箱、集便箱、车前头盖板。双层客车两端顶、兼作空调风道的大花板，餐车空调盖板的天花板等部位亦被采用。为了减少受电弓周围的空气动力噪声，而在车顶上安装的受电弓滑板亦采用GFRP材料制造。我国蓝箭、中华之星以及和谐号高速列车的一部分辅助件也采用了复合材料，如司机台仪表框、车门窗框、车顶罩、蓄电池箱等，目前还只是局限于车内装修装饰件、座椅和车头罩等。在轨道交通的站台、轨线设施中还需要大量绝缘、耐腐蚀的复合材料型材构件、制品。本文将从车厢内饰件、车辆车体和轨线设施三部分分别论述国内外复合材料在轨道交通中的应用。
　　车厢内饰件
　　目前复合材料在轨道交通领域用途最广泛的仍然是内饰件，车厢内饰件的制造要求是造型复杂和采用高比刚度的板材，其主要应用部位情况如下：
　　(1)车门、车窗
　　国外客车车门主要采用FRP复合材料制作，我国目前已有专门的研发、生产和应用。这种车门具有重量轻、强度高、使用可靠、制造方便等优点。英国XP64型客车、MKIII型客车均安装了聚酯FRP复合材料门。法国的Mietra客车采用FRP复合材料夹层模制整体车门。前苏联26m长的轻型客车车门为三层夹层结构，中间填充泡沫塑料，内外壳为FRP复合材料。
　　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。英国客车车宙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。
　　(2)座椅
　　国外FRP复合材料座椅较为普遍。如英国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。
　　(3)客车墙板、顶板、地板
　　国外客车端板一般采用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端板。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。
　　(4)厕所、盥洗间、集便箱
　　厕所、盥洗间、集便箱是极易腐蚀部件，最适于采用FRP复合材料制造。国外客车的厕所、盥洗间地板及集便箱大都采用FRP复合材料。德国新研制的客车卫生间大量使用FRP复合材料，其墙板、地板、便器及便器盖均采用FRP复合材料。美国、英国、日本、荷兰等国使用FRP复合材料整体卫生间。卫生间的顶板、墙板、地板均采用FRP复合材料制造，粘结连接为一整体。整体卫生间能可靠地保护相连接的金属构件，使之不会产生腐蚀破坏。集便箱采用FRP复合材料制造可提高使用寿命。日本新干线车辆的集便箱由FRP复合材料制造，其结构为在FRP复合材料制椭圆形外壳周围，用加热方法粘接聚氯乙烯泡沫塑料，并在上面再手糊一层FRP复合材料的夹层结构。
　　(5)卧铺、茶桌、行李架
　　日本12系14型卧车的上铺和中铺采用FRP复合材料制造。581系电动车的卧铺框架也是FRP复合材料制造。法国的大西洋TGV-A装用的可折叠式茶桌采用FRP复合材料制造，重量只有铝茶桌的1／2。德国Apm123型空调客车和高速运输的客车及一、二等混编列车都是采用FRP复合材料层压板制造。
　　(6)制动盘和刹车片
　　世界各国对高速轨道交通列车制动盘进行了大量的研究工作，其重点主要放在制动盘材料的选取上，法、德、日、英等国在这一领域走在世界前列。上述国家不仅对传统的摩擦制动材料进行了一系列的材料改进和优化工作，而且致力于开发新型材料，如颗粒增强铝基复合材料和碳/碳复合材料，以减轻列车簧下重量，降低牵引功率损耗。德国铁路部门投巨资，由KnoorBremse公司研制了高速列车用碳纤维复合材料盘形制动器，日本、法国开发研制的碳纤维复合材料刹车片已成功应用于新干线和TGV高速列车制动。我国湖南大学陈振华教授主持完成的高速列车铝基复合材料制动盘及其闸片项目，通过了来自铁道部等单位的专家组的鉴定，鉴定专家一致认为该项目整体达到国际先进水平，建议尽快装车试运行。
　　有研究称，对于行驶时速在250～300km／h之间的高速列车，采用价格适中的陶瓷颗粒增强铝基复合材料制作制动盘，不仅可以减轻列车自重，而且具有优良的制动性能，但需要在降低成本、改善性能及结构匹配等方面进行系统研究。对于时速超过350km／h以上的超高速列车，应采用碳/碳复合材料制作制动盘，复合材料应采用低廉的工艺方法制备，材料表面应进行致密化处理和抗氧化处理，并应对制动器结构进行改进，以保证材料表而不吸湿，抗氧化，弥补其摩擦系数波动较大等特点。
　　(7)空调风道及其他部件
　　德国城间运输用的新型二等空调开敞式客车都是采朋FRP复合材料层压板制成。高速列车是通过受电弓滑板从路网导线上获取电能，驱动牵引电机运行来带动列车行驶，因此滑块质量稳定是高速列车正常行驶的前提。目前受电弓滑板较成熟的技术是采用树脂基复合材料，而具有创造性和新颖性的则是采用石墨基炭-炭复合材料，在高速列车滑板制造技术和工艺研究上取得了重大突破，解决了国际性难题。另外，国外客车还用FRP复合材料制造其他的小部件，如法国国际联运用的二等客车毛巾架和垃圾箱、德国开敞式客车的窗帘框及槽等。
　　车辆车体
　　复合材料在轨道交通的一些次结构上的应用在国内外已有多年历史，但在车辆车体结构上的应用，目前国外有应用实例，而国内只局限于用在车头盖。车辆车体结构的重量在整车中所占的比例较大，通常在15％～30％左右。因此，提高车辆速度需要解决车辆轻量化，就必颂优先考虑车体结构的轻量化。过去人们习惯把铝合金作为车体轻量化的首选材料，由于车辆轻量化的要求越来越高，于是人们把目光注视到复合材料上来。
　　(1)转向架
　　转向架由构架、驱动装置、轮轴、弹簧、制动装置及与车体连接的装置构成。转向架构架的主梁一般由6～12mm的钢板焊接而成，转向架的质量占车辆质量的25％。现在法国、德国、日本等国家正在试制铝合金或FRP制的转向架，除质量可以减轻50％以外，CFRP转向架还具有减振效果。然而这种转向架除了成本和制作方法的问题外，其可靠性及耐久性等问题也尚无定论，迄今尚未进入实用化阶段。
　　法国正在研制FRP车轮，轮心为FRP材料，与钢制轮壳用胶粘剂粘接。这种车轮除能减轻弹簧质量20％以外，还有降噪及缓和轮轨冲击等效果。美国采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制造心盘垫、车钩托板磨耗板、缓冲器与钩尾框间磨耗板。此材料耐磨性比其它塑料高15倍，比钢制品高4倍。应用UHMW PE制造的心盘垫、磨耗板已运行了80万公里而未发生损坏地不需润滑、维护。此外美国转向架轴承也采用UHMW PE材料制作，完全能满足转向架旁承承受高负荷的要求。美国铁路还采用尼龙制造转向架框、制动拉杆磨耗套等。轴承保持架采用塑料制造的趋势已很明显，法国使用纤维增强尼龙制造轴承保持架，比黄铜保持架耐磨、寿命更长。
　　(2)车体
　　瑞士Schindler车辆公司在汉诺威博览会上展示了采用缠绕技术制造的泡沫夹芯三明治结构FRP整体铁蹄车辆车体。该车体成型使用一台专门设计的重35t、长25m的缠绕机和一个重16t、直径3.8m的矩形模芯，电缆管和空调管在成型时敷设在泡沫层中，窗口待脱膜后切出。与铝制车体相比，这种采用FRP整体缠绕成型的车体可减轻车体20％～25％的重量。另外用钢或铝制作车体，在焊接地板、车顶和侧墙时需大量的手工作业，只有很少的部位可以使用焊接机器人。用本工艺可实现生产高度自动化，构件数量大大减少，使车辆制造减少计划、设计和后勤费用，并缩短生产时间，车辆车体重量的降低，也降低了机车能源消耗和轮、轨的磨损。目前该公司对车体按标准进行一系列实验，包括耐火实验、车体的三点弯曲实验和整段车体的结构承载能力实验等，结果令人满意。目前该公司计划将这种车辆打入欧洲轻轨交通市场。德国Adtranz公司开发了一种命名为Regio Shuttle的FRP和金属混合结构的客车车体。该车体采用钢型材做车身构架(采用钢材是因为钢材比铝合金容易焊接)。用酚醛FRP三明治夹芯板做车体板，车体板采用特殊的弹性粘合剂固定在钢结构框架上。这种新设计的车体结构充分发挥了这两种材料的长处。
　　(3)车头盖
　　英国的Intercity25是最早采用FRP整体成型的驾驶审端盖的机车之一，其芯材料使用聚氨酯泡沫，外蒙皮整体成型，内蒙皮分三件拼合，电线和各种导管固定在泡沫芯材中。采用这种方法制造的驾驶室比传统钢结构驾驶牵重量轻30％～35％，同时这种FRP整体成型的驾驶室端盖具有很好的抗冲击能力，能承有客观存在重0.9kg的立方体钢块以350m／h的速度冲击。意大利ETR500高速列车的车头前突部分采用的是芳纶纤维增强环氧树脂的FRP复合材料，用这种材料模型成型的符合空气动力学线型要求的车头具有优异的抗冲击能力，当列车以300m／h速度行驶时有很好的尺寸稳定性。我国蓝箭机车的车头盖是采州RTM工艺成型的前鼻端，手糊工艺整体成型导流罩；中华之星动力车的车头盖和导流罩也是复合材料制成，大白鲨高速电动车组采用流线形头形，车头盖用复合材料制作。这些产品重量轻、强度高，阻燃性好、耐腐蚀、耐温性好。
　　轨线设施
　　复合材料在轨道交通领域用于轨线设施最多的是地铁轨线中，主要应用有电缆支架、疏散平台、DC1500V，供电轨的支座及防护构件、复合轨枕等。
　　(1)电缆支架、疏散平台
　　英吉利海峡隧道中使用FRP复合材料电缆槽，总长度450公里，总重量超过2200吨。其技术要求非常严格，要求耐蚀、防火、高强、绝缘，且外形较复杂，最终选择了FRP复合材料拉挤型材，取得了满意的效果。
　　地铁车站隧道的主体结构钢筋、隧道内的金属管线、构件极容易被腐蚀，因此采用复合材料电缆支架、地铁护罩和疏散平台基本解决了区间隧道潮湿环境的金属锈蚀问题及区间隧道各种设备产生的电化腐蚀问题，减少了运营维护的工作量，大大加强了运营的安全性。复合材料疏散平台与电缆支架轻质高强，可现场切割，满足区间隧道有限空间的设备安装需要，且安装简单方便。复合材料疏散平台满足区间隧道防火要求，导热系数低、火场环境温度下有可满足乘客安全疏散的机械强度。利用复合材料性能的“可设计性”使材料达到最优的性能组合，可针对轨道交通实际工况和使用方式，要求复合材料疏散平台与电缆支架达到高强度、高刚度、电绝缘性、防火性、耐腐蚀性、耐老化性、耐疲劳性等，同时可满足疏散平台而的时摩擦性。目前国内广州地铁对不受潮湿环境、杂散电流电化腐蚀等影响的非金属材料进行了研究，并将电缆支架、管线支架与疏散平台构件组合设计，形成电缆支架、管线支架与疏散平台一体化的组合式复合材料构件，大量应用于地铁三、四号线中。
　　(2)供电轨的支座及防护构件
　　供电轨的支座与防护装置需在高电压条什下工作，材料的绝缘强度是必须保证的指标，供电方式尚需延伸到地下线路，因此其防火性能也类同于电缆支架。此外，为保证列车的受电靴与供电轨之间具有良好的动态接触关系，还需具备机械强度和抗冲击能力。在北京地铁的5号线支撑防护系统中也应用了大量复合材料，北京地铁5号线为上接触方式，在地而及高架段采用复合材料绝缘子支撑，复合材料绝缘子是用玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂膜塑料高温模压制成型。为满足隧道内潮湿的使用条件，隧道区段采用复合材料的整体绝缘支座，整体绝缘支架采用SMC片状模塑料(璃纤维增强不饱和聚酯片材)在高温高压下使用金属对模的模压成型法压制成型，玻璃纤维含量一般可达30％。5号线全线采用玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料制成的防护罩及防护罩支架。防护罩支架安装于接触轨上，具有相当高的承载能力，与整体绝缘支架所采用复合材料一致，也是采用聚酯片材压制成型，防护罩采取连续拉挤工艺制造。
　　(3)复合轨枕
　　复合轨枕在国外铁路轨道上已开始铺设应用多年。加拿大已批量生产复合轨枕，日本用合成木材FFU复合轨枕已铺设多年，并应用大号码高速道岔复合岔枕，FFU用玻璃长纤维加强的聚氨酯树脂的发泡体制成，具有高强度，耐久性的特性，FFU轨枕重量轻加工性优越，易于现场调整，能维持高精度轨道在车辆高速行驶时的稳定性，并可替代木材，保护森林资源。
　　(4)走道格栅、护栏格栅
　　走道格栅护栏格栅采用复合材料拉挤型材，具有外形美观、耐腐蚀、免维修等优点，虽然价格略高于普通碳钢格栅，但低于不锈钢格栅，是一种常见的复合材料制品，在国外应用普遍。

3　结　语

复合材料在轨道交通上的麻川发展方向从复合材料装饰件到仝复合材料的高速列车，都展示了巨大的优势及其在轨道交通领域广泛的应用前景。国内除应用现有技术和工艺，为高速轨道车辆研发、配套车门、整体卫生间等车体设备和装饰件外，应深入研究具有自主知识产权的复合材料制造技术及其批量化产品，促进我国高速轨道交通事业的发展。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。