高速列車新型蜂窩壁板材料的研究現(xiàn)狀

陸思曉　翟純純　胡增榮

摘 要：隨著技術(shù)的發(fā)展，列車速度越來(lái)越快。為了高速運(yùn)行的列車有更好的舒適度，減小對(duì)線路的破壞，減少維修工作量和提高運(yùn)輸效率，要求其質(zhì)量越輕越好。如今高速鐵路上運(yùn)行的車輛的車體系統(tǒng)要占整個(gè)車輛質(zhì)量的50%以上，所以大面積采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料是減輕車輛主體質(zhì)量的有效途徑。文章介紹了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展概況，研究了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的力學(xué)性能；最后從蜂窩材料本身出發(fā)，對(duì)其性能進(jìn)行討論并與其他材料進(jìn)行了簡(jiǎn)單比較。

關(guān)鍵詞：高速列車；蜂窩材料；性能；現(xiàn)狀

引言

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)源于蜜蜂的六邊形蜂巢。在遙遠(yuǎn)的古希臘時(shí)期，數(shù)學(xué)家佩波斯就提出：蜂窩的六邊形形狀，充滿了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)思想。這種呈六邊形形狀的蜂窩只需要采用很少量的蜂蠟就可以建成，當(dāng)時(shí)人們就將這一猜想被稱為“蜂窩猜想”。通過(guò)后人的研究證明，蜜蜂在建造蜂巢過(guò)程中采用了最少的蜂蠟，而蜜蜂所建造的空間卻是最大的，而且它的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也非常好。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究自然蜂窩六邊形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，人們成功研制出各種蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，將蜂窩夾層結(jié)構(gòu)用于新材料和新產(chǎn)品的研發(fā)，可以用來(lái)改善現(xiàn)有產(chǎn)品的特性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上遇到的困難也可以部分類比蜂窩結(jié)構(gòu)來(lái)解決[1]。

蜂窩材料具有傳統(tǒng)材料不具備的很多優(yōu)點(diǎn)，逐漸受到很多領(lǐng)域的青睞。目前蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料作為輕量化材料應(yīng)用于航空領(lǐng)域的一些零部件。在鐵路運(yùn)輸行業(yè)，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的材料也逐漸被廣泛的使用。

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是由兩片薄而強(qiáng)的面板、蜂窩芯子、粘合劑組成，根據(jù)所使用的蜂窩芯子的材料的不同，主要類型有紙芯型蜂窩夾層、鋁合金芯蜂窩夾層和Nomex蜂窩夾層等不同夾層結(jié)構(gòu)的蜂窩板。Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是一種性能優(yōu)異的蜂窩材料，但是它的價(jià)格也較貴，過(guò)去常常用于航空領(lǐng)域。目前歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)將普通紙蜂窩、鋁蜂窩和Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用于軌道車輛上，并取得了良好效果。

比較遺憾的是，我國(guó)科研人員對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的開發(fā)的開端相對(duì)較晚，而且其科研目的幾乎都是與飛行領(lǐng)域相關(guān)的。最早，北航研究所就國(guó)內(nèi)在制造直升機(jī)時(shí)機(jī)身所需的Nomex蜂窩只能依靠國(guó)外進(jìn)口的瓶頸，對(duì)我國(guó)相對(duì)落后的蜂窩復(fù)合材料制造方法進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化，制備出了性能更優(yōu)異的蜂窩復(fù)合材料。在過(guò)去我國(guó)在軌道車輛上采用過(guò)普通的鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，隨著我國(guó)科技進(jìn)步，目前一些設(shè)計(jì)師開始將性能更好的Nomex蜂窩應(yīng)用到高速列車列車上，但是由于價(jià)格貴，所以使用還很少[2]。

蜂窩復(fù)合材料擁有很多優(yōu)良性能，決定了其在許多領(lǐng)域里的多樣化應(yīng)用。1960年左右，西方工業(yè)國(guó)家就早已廣泛的將蜂窩板應(yīng)用于建筑工程、海洋工程、家居設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，但我國(guó)一直到九十年代左右才開始有應(yīng)用于民用領(lǐng)域的趨勢(shì)。目前，蜂窩板主要應(yīng)用在飛機(jī)、軌道車輛車身、輪船、汽車和建筑等五個(gè)方面。

列車輕量化一直是設(shè)計(jì)師追求的一個(gè)目標(biāo)，因?yàn)檐圀w質(zhì)量越大，在運(yùn)行過(guò)程中受到的阻力就越大，如能減少車體自身質(zhì)量，就可以大大減少為抵抗空氣阻力所做的功，減少的能源消耗，同時(shí)還可以減少軌道的磨損和降低噪音。最初輕量化是在采用耐候鋼和高強(qiáng)鋼方面下功夫，之后又開始采用不銹鋼，但是這都只能靠有限的提高強(qiáng)度和有限的減少腐蝕量以減低薄板的厚度，因此輕量化的效果是有限的，而且使加工和焊接難度變大。要大幅度減輕重量，必須采用輕合金，如采用合理截面的空心鋁材、鎂鋁材料制造的蜂窩材料，將在大大提高強(qiáng)度及剛度的同時(shí)，減少質(zhì)量并減少制造的難度[3]。

1 蜂窩板的發(fā)展概況

在二戰(zhàn)初期，隨著戰(zhàn)況愈加嚴(yán)峻，飛機(jī)制造業(yè)發(fā)展迅猛，因此質(zhì)量小、強(qiáng)度高、剛度大、穩(wěn)定性好的材料備受青睞，以保證在戰(zhàn)爭(zhēng)中的領(lǐng)先地位。上世紀(jì)四十年代，Hill首先制造出了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料，他用巴隆木薄片芯子，用桃木單片做夾層面板。隨后被用運(yùn)用到“飛翼”型飛機(jī)上試驗(yàn)，并獲成功。有了先例后，不甘示弱的美國(guó)科學(xué)家將木質(zhì)的芯子與鋁材黏合在一起，形成“鋁木蜂窩夾層結(jié)構(gòu)”。一直到二戰(zhàn)末期，一種完全由金屬制作的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)才問(wèn)世，并在飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件上加以應(yīng)用，其主要是鋁鎂合金。十幾年后，塑料制造技術(shù)問(wèn)世，由玻璃鋼制作窩芯的蜂窩結(jié)構(gòu)開始萌發(fā)。七十年代左右杜邦公司首次嘗試芳綸紙蜂窩，也就是俗稱的Nomex蜂窩，一舉成名。到九十年代杜邦公司通過(guò)改變芳綸分子結(jié)構(gòu)和改善浸膠方法，制造出了更為先進(jìn)的Korex蜂窩。與此同時(shí)，日本的科學(xué)家在1990年研制出了釬焊鋁蜂窩板。

我國(guó)在上世紀(jì)六十年代開始研制玻璃鋼蜂窩板，其主要用于飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件，并取得了較大的進(jìn)步。緊接著又開發(fā)了鋁蜂窩、Nomex蜂窩，并成功應(yīng)用在飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件上。

2 蜂窩材料的特性

紙芯型蜂窩、鋁芯型蜂窩與Nomex蜂窩3種夾層結(jié)構(gòu)在某些方面必然有些差異，但是它們都具有相似的基本特征。下面簡(jiǎn)單討論一下3種蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料所具有的基本特性：

（1）重量輕：由于蜂窩復(fù)合材料有著較小的密度，因此整體的質(zhì)量會(huì)大幅度減小，在高速動(dòng)車中結(jié)構(gòu)部件的重量小就意味著運(yùn)行、運(yùn)輸能力的提高與節(jié)能，所以蜂窩板必將在高速動(dòng)車行業(yè)有著極大的發(fā)展前景。

（2）強(qiáng)度高：蜂窩板是由大量結(jié)構(gòu)十分合理的工字梁結(jié)構(gòu)組成。因此，蜂窩復(fù)合材料可以像結(jié)構(gòu)合理的工字梁那樣均勻的承載荷自各方面的載荷，這歸功于其優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度和減振性能。

（3）表面平整度高和高溫穩(wěn)定性好以及可塑性極好，是制作平面板、曲面板的首選材料，由它制成的結(jié)構(gòu)部件拆裝非常簡(jiǎn)便。

（4）高防腐性、絕緣性：適合應(yīng)用于面臨惡劣運(yùn)行環(huán)境的高速列車[4]。

（5）蜂窩材料結(jié)構(gòu)具有很好的彈性，可以吸收振動(dòng)能量，從而降低噪音，提高隔聲效果。

（6）根據(jù)國(guó)際聯(lián)運(yùn)防火標(biāo)準(zhǔn)UIC564-2-199l《鐵路客車的防火和消防規(guī)則》，可以看出蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料可以達(dá)到A級(jí)，這體現(xiàn)它的防火性能非常好。

（7）蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料具有很好的自熄性、放熱值較低，遇到火災(zāi)后煙密度符合高等級(jí)的國(guó)際鐵路防火標(biāo)準(zhǔn)能夠形成耐火層，它能吸收一部分燃燒釋放出的有毒氣體。

（8）有良好的成型性，列車內(nèi)部有些復(fù)雜同時(shí)又要求其穩(wěn)定性好的的零件可以用它來(lái)制成。

（9）蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料較少使用鉚接，所以減少了應(yīng)力集中，提高了抗疲勞強(qiáng)度[5]。

3 蜂窩板力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

由于航天工業(yè)率先開始使用蜂窩復(fù)合材料，國(guó)內(nèi)外專家一直對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的微觀和整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷探索。在蜂窩板的眾多性能中，平面壓縮性能和抗彎曲性能最為突出。

3.1 蜂窩板平壓性能研究現(xiàn)狀

總結(jié)眾多研究人員對(duì)其平壓性進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)可知如下結(jié)論：

（1）綜合考慮芯材的密度及抗壓強(qiáng)度，用鎂合金作為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的芯材的強(qiáng)度和剛度要比鋁合金芯材高；

（2）六邊形蜂窩芯子的壓縮強(qiáng)度和抗壓剛度與其邊長(zhǎng)成反比，

壁厚成正比；

（3）蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的厚度越厚，它的抗壓強(qiáng)度會(huì)隨之增大，但是當(dāng)夾板的厚度增加到一定峰值，它的平壓強(qiáng)度的變化就不那么顯著了；

（4）單芯蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料的抗壓強(qiáng)度和剛度均強(qiáng)于雙芯夾層結(jié)構(gòu)[6]。

3.2 蜂窩板的彎曲性能研究現(xiàn)狀

在很多惡劣工作條件下，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)要承受較大的彎曲形變，且因?yàn)閺澢巫兘o夾板帶來(lái)的變形包含受壓和受拉兩種形變，局部區(qū)域受形變程度較為特殊，因此研究蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在彎曲形變時(shí)的變化也是其性能研究的主要任務(wù)之一。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)鎂芯蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的彎曲性能有著幾種不同的損壞階段，主要有局部芯體剪切、壓入彎曲和面板膠層脫膠三種階段，這主要是因?yàn)殒V合金芯材的最大剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)大于蜂窩夾板用膠的膠結(jié)強(qiáng)度。因此，增加膠結(jié)劑的粘合能力，選擇符合實(shí)際的芯材尺寸是提高蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度和抗彎剛度的兩種主要方法[7]。

4 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與其他結(jié)構(gòu)材料的對(duì)比

4.1 抗彎剛度與輕量化

從表1可以看出蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料的抗彎能力比其它部分列車常用非金屬材料要高很多，而且蜂窩夾層結(jié)構(gòu)相同面積的質(zhì)量更小。

4.2 防火性能

如表2所示，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的防火性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過(guò)其他列車結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，由此可見，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的防火能力非常強(qiáng)。

4.3 穩(wěn)定性

一些復(fù)雜彎曲形面零部件采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制造的話，可以保持形狀的長(zhǎng)期穩(wěn)定，而有些零件是用塑性材料、玻璃鋼和其他工程塑料成型制造的，時(shí)間一長(zhǎng)，它們的形狀或多或少會(huì)有改變。塑性材料在高溫和高濕度的環(huán)境下，表面受侵蝕嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)部件受損，由玻璃鋼和其他工業(yè)塑料制成的結(jié)構(gòu)零件還會(huì)發(fā)生老化現(xiàn)象。那些用工程塑料成型制造的零部件10年左右有的甚至7、8年的時(shí)候就需要檢查，不符合要求的需要更換，而那些用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制作的零部件可以達(dá)到20年以上甚至更久，這既降低了成本也節(jié)約了很多資源。

4.4 環(huán)境適應(yīng)性

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在不同的環(huán)境下能保持性能穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生變形、損壞、老化等問(wèn)題。這是其他工業(yè)塑料所不具備的。在一些復(fù)雜環(huán)境中其他工業(yè)塑料的應(yīng)用將會(huì)受到很大限制，而蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用就可以很好的彌補(bǔ)其他材料在這這些領(lǐng)域里的缺點(diǎn)。

4.5 隔聲減振性

相較于其他工程材料，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有更好的回彈性，使其可以更多地吸收振動(dòng)能量，因此在隔聲減振方面有很廣泛的應(yīng)用前景。所以，蜂窩復(fù)合夾層材料常被用于制造客室地板、空調(diào)風(fēng)道等零部件，以充分發(fā)揮其隔聲、減振的效果[8]。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為舉足輕重的先進(jìn)材料，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在航空航天業(yè)上早已大規(guī)模應(yīng)用，發(fā)達(dá)國(guó)家在軌道車輛的車體上也有所應(yīng)用，因其密度低，比強(qiáng)度高，尤其是抗彎剛度高等突出的優(yōu)異性，其用途逐漸變的更加廣泛。在使用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料設(shè)計(jì)生產(chǎn)軌道車輛車體和客、貨車的結(jié)構(gòu)件的時(shí)候，主要需要注意兩個(gè)重點(diǎn)：首先是根據(jù)實(shí)際情況科學(xué)地設(shè)計(jì)蜂窩板的蜂窩芯子結(jié)構(gòu)，選擇適當(dāng)?shù)男静暮瘢黄浯问窃诓捎迷摬牧显谠O(shè)計(jì)制造用于承受高載荷工況的結(jié)構(gòu)部件時(shí)，要格外重點(diǎn)考慮蜂窩板的各向異性。除了考慮以上兩個(gè)主要問(wèn)題之外，還要按照實(shí)際設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu)需要來(lái)處理好其他次要問(wèn)題。

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