淺析城市軌道車輛內裝輕量化新材料的應用

包 鳴（南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司動車設計部，江蘇 南京 210031）

淺析城市軌道車輛內裝輕量化新材料的應用

包 鳴
（南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司動車設計部，江蘇 南京 210031）

摘 要：本文簡要分析了城市軌道車輛內裝系統(tǒng)中現(xiàn)有的材料與新型的材料，通過對比得出新材料在車輛輕量化設計中所能發(fā)揮的作用，新型材料應得到廣泛的推廣和應用。

關鍵詞：輕量化新材料；聚碳酸酯；碳纖維材料；復合鋁板

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，節(jié)能、環(huán)保逐步成為關注的重點，而車輛的輕量化設計無疑是節(jié)能的一種有效方式。內裝系統(tǒng)作為車輛的一個組成系統(tǒng)，在輕量化方面也應作出自己的貢獻。城市軌道車輛內裝系統(tǒng)是乘客進入列車后直觀感知的系統(tǒng)，與乘客有著最直接的聯(lián)系，譬如車窗、屏風、座椅、扶手等。內裝系統(tǒng)的輕量化設計，通常從材料輕量化這方面入手考慮，新型材料的應用對內裝系統(tǒng)的輕量化起到舉足輕重的作用。

1 聚碳酸酯材料的應用

聚碳酸酯，即俗稱的PC材料，與傳統(tǒng)的玻璃相比，聚碳酸酯板材具有以下幾方面的優(yōu)勢：

（1）輕量化優(yōu)勢：同等厚度面積的PC重量僅為玻璃的一半，減重效果明顯。

（2）力學性能優(yōu)勢：作為由有機大分子鏈結構組成的PC材料，韌性和強度大大強于玻璃，主要體現(xiàn)在拉伸強度，沖擊強度等方面。在實際的使用過程中，PC不會發(fā)生自爆，且受外力沖擊不會崩碎，安全性更高。

（3）隔熱性優(yōu)勢：PC k值較玻璃低10%左右，可以更好的隔絕冬天的熱量損失以及夏天的熱量傳入。冬天或夏天空調環(huán)境中觸碰感覺較玻璃來說，不會很涼。

（4）隔聲性優(yōu)勢：阻隔分貝值較玻璃高10%左右，可以更好的隔絕噪音。

（5）抗劃傷方面：經過硬化涂敷的PC材料，可接近于玻璃的抗劃傷效果。

綜上所述：聚碳酸酯材料在具有玻璃一系列性能特征的同時，重量僅為玻璃的一半，在輕量化方面優(yōu)勢巨大。內裝系統(tǒng)的車窗、屏風、行李架均可以使用聚碳酸酯材料來代替現(xiàn)有的鋼化玻璃。

圖1 聚碳酸酯客室車窗

圖2 聚碳酸酯行李架

圖3 不銹鋼拉絲扶手

圖4 鋁合金氧化扶手

2 NGC型鋁合金型材的應用

目前城市軌道交通車輛上的扶手，材質多為不銹鋼，重量較大。NGC型鋁合金型材因其機械性能、防腐性能及成形焊接性能方面的特點，具備了替代不銹鋼作為扶手基材的可能，使用鋁合金扶手將比不銹鋼扶手減重50%以上。

（1）NGC型鋁合金型材的化學成分（表1）。

（2）NGC型鋁合金型材的機械性能

表2可以看出NGC型合金的機械性能與目前國際高強度鋁合金性能相近。

（3）NGC型鋁合金型材的焊接性能（見表3）。

表3可以看出NGC型合金的焊縫強度達到母材的91.1%。

（4）NGC型鋁合金型材的耐蝕性能（見表4）。

NGC型合金、防銹鋁LF5合金、Us5083按《輕金屬材料和加工手冊》規(guī)定的快速腐蝕條件，用3%氯化鈉+1%過氧化氫（重量比）作腐蝕介質，在25℃，全浸96小時，腐蝕速度對比：

（5）NGC型鋁合金扶手的表面處理工藝：

為了提高鋁合金扶手的表面硬度和耐磨性，通常還需進行硬質陽極氧化處理，氧化膜厚度在20μm，硬度（HV）3500MPa以上的稱為硬質氧化膜，表面處理工藝順序：機械拋光→拉絲→除油→清洗→化學拋光→水洗→中和→硬質陽極氧化→水洗→封孔→烘干。硬質陽極氧化膜受溶液組成、濃度、溫度、電流密度等多種條件的影響，而其中影響最大的是溫度。溶液溫度越低，氧化膜的硬度就越高。

隨著軌道交通車輛的不斷創(chuàng)新發(fā)展，NGC型鋁合金扶手在車輛上的應用必定會得到更加廣泛的推廣。

表1 高強耐蝕可焊鋁合金型材成份

表2 NGC-Ⅰ-Ⅱ型高強鋁合金力學性能

表3 NGC-Ⅰ型鋁合金焊接性能

表4

表5

表6

3 碳纖維材料的應用

碳纖維是一種纖維狀碳材料。它是一種強度比鋼的大、密度比鋁的小、比不銹鋼還耐腐蝕、比耐熱鋼還耐高溫、又能像銅那樣導電，具有許多寶貴的電學、熱學和力學性能的新型材料。

碳纖維不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。與傳統(tǒng)的玻璃纖維（GF）相比，楊氏模量是其3 倍多；它與凱芙拉纖維（KF-49）相比，不僅楊氏模量是其2倍左右，而且在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。

碳纖維密度不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3000MPa以上，是鋼的7～8倍，抗拉彈性模量為23000～43000MPa亦高于鋼。因此碳纖維增強復合材料的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000MPa/（g/cm3）以上，而A3鋼的比強度僅為59MPa/（g/cm3）左右，其比模量也比鋼高。材料的比強度愈高，則構件自重愈小，比模量愈高，則構件的剛度愈大，從這個意義上已預示了碳纖維在工程機械的廣闊應用前景。

目前城市軌道車輛上的司機室面罩所使用材料為玻璃纖維增強的熱固塑料，該結構密度低，強度好，城軌車輛的面罩一般在250kg～320kg左右。為達到更輕量化的目的，可以采用碳纖維增強的熱固塑料，碳纖維相比玻璃纖維而言密度更小，性能更加卓越。

如表5所示，碳纖維的密度約為鋼的1/5，玻璃纖維的2/3，抗拉強度卻能達到鋼的7-8倍左右，玻璃纖維的2倍以上。

使用碳纖維替代玻璃纖維去制作地鐵車輛的司機室面罩，在保證面罩相關性能要求的前提下，輕量化方面優(yōu)勢明顯。隨著軌道交通的不斷發(fā)展，碳纖維在車輛內裝件上的應用必將愈發(fā)廣泛。

4 復合鋁板的應用

復合鋁板，又稱鋁塑復合板，是由多層材料復合而成，上下層為經過化學處理的涂裝鋁板 ，中間層為無毒低密度聚乙烯（PE）芯板，在專用鋁塑板生產設備上加工而成的復合材料。

復合鋁板具有如下所述的性能特點：

（1）剝離強度高

鋁塑復合板最關鍵的技術指標-剝離強度，因特殊的復合工藝被提高到了極佳狀態(tài)，使鋁塑復合板的平整度、耐候性方面的性能都相應提高。

（2）防火性能卓越

鋁塑板中間是阻燃的物質PE塑料芯材，兩面是極難燃燒的鋁板層，因此具有良好的防火性能。

（3）耐沖擊性

耐沖擊性強、韌性高、彎曲不損面漆。

（4）易保養(yǎng)

自清潔性好，只需用中性的清洗劑和清水即可，清洗后板材永久如新。

（5）材質輕

鋁蜂窩板每平方米的重量在11kg左右，復合鋁板每平方米的重量僅在3.5kg～5.5kg左右，輕量化優(yōu)勢明顯。

城市軌道車輛的內裝墻板基材通常有復合鋁板、鋁蜂窩板、玻璃鋼等，其中復合鋁板在滿足結構強度、防火環(huán)保的前提下具有明顯的輕量化優(yōu)勢。各種材質的內裝墻板主要性能對比見表6。

綜上所述，復合鋁板作為內裝墻板的一種新材料，應得到廣泛的推廣。

圖5 溶液溫度-硬度線性圖

圖6 復合鋁板

結語

隨著現(xiàn)代材料工藝的不斷革新，新材料也是日新月異，城市軌道車輛的內裝系統(tǒng)，還有很多的新材料可以應用，例如3D玻璃纖維復合地板、熱塑墻板、麻纖維復合板、超薄軟座椅、HPL防火板。新材料的應用，必將給城市軌道車輛內裝系統(tǒng)的美觀性、安全性、舒適性帶來極大幅度的提升。

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中圖分類號：U465

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