復合材料

杜慧勇　吳鶴翔　王鐵峰　李克純　馬博　房毓臣

摘 要：為了適應國內交通行業的高速發展，滿足輕量化的設計的需求，以復合材料為代表的各種新型材料開始越來越多的應用在軌道交通行業。復合材料-三明治夾芯板目前已在國外交通行業上得到較為廣泛的應用。本文對比其他復合材料，細述了復合材料-三明治夾芯板的結構特點及優勢，展望了復合材料-三明治夾芯板在國內新研發軌道車輛及巴士上的應用。

關鍵詞：復合材料；夾芯板；車輛輕量化；功能集成

1 引言

面對交通行業日益激烈的市場競爭，采用復合材料與粘接技術[1-2]，使多種材料完美結合，在不降低材料強度的條件下，實現車輛的輕量化要求，提高車輛的美觀度與安全舒適性，是業內設計師們迫切追求的。

近年來，鋁合金、纖維增強材料、合成樹脂等復合材料逐步進入了交通行業。復合材料-三明治夾芯板以其設計靈活、方便，易成型，生產成本低、效率高等優勢，脫穎而出，產業化趨勢日趨明顯。

2 國內現有車輛上使用復合材料的概況

2.1 概述

國內在交通行業上采用復合材料起步較晚，與發達國家相比有較大的差距。進入90年代以來，國家對車輛的輕量化、隔音降噪[3]、阻燃、節能環保以及美觀度、舒適度等提出了更高要求，復合材料以集成多種功能的優勢，開始在各種車輛上得到廣泛應用。

目前，國內車輛上使用的復合材料主要有金屬和非金屬兩大類。金屬類主要有鋁鎂合金，鋁合金等；非金屬類主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨等；纖維增強材料主要有碳纖維、玻璃纖維等。復合材料在車輛上的應用范圍主要包括：整體司機室、車頂及側墻、內裝、衛生間、蓄電池箱、地板、裙板、操作臺、車門、窗框等非承載結構或低承載結構[4]。

2.2 國內車輛上使用的復合材料存在的問題

（1）金屬類價格高，質量重；

（2）非金屬類要么太軟，要么太硬，或者成本高；

（3）纖維增強材料不利于循環利用及環保；

（4）設計及生產成本較高；

（5）各種特殊功能、性能兼顧難；

3 復合材料-三明治夾芯板的結構

三明治夾芯板是由多種金屬或非金屬材料依靠粘接技術復合而成的新型復合材料。三明治夾芯板一般由上下兩層金屬板及夾芯層材料組成的（見圖1），金屬板材料不同、金屬板厚不同、芯層材料的不同或芯層材料厚度不同，制成的三明治夾芯板性能也不同。根據其性能不同，造價不同，在軌道車輛上的使用部位也不同。

復合材料-三明治夾芯板的金屬上板（用于車輛外部）外部可以涂裝油漆，增加防滑與絕緣的功能；也可以粘接鋁合金型材，用于車輛外部設備的安裝，金屬上板內部可以通過粘接預埋件來局部加強復合夾芯板剛性，或用于復合夾芯板外部設備（空調、風道等）的安裝接口。

復合材料-三明治夾芯板的金屬下板（用于車輛內部）外部可以噴涂防火材料等涂料，內部可以粘接預埋件局部加強復合夾芯板的剛性，也可以用于車輛內部裝飾板、燈槽、線槽與扶手桿等設備的安裝接口。

復合材料-三明治夾芯板最薄可以做到3mm厚，稱之為鋁塑板，可用于車輛內部裝飾；最厚可以做到40mm以上厚度，用于車輛頂蓋；20～30mm左右厚度的復合夾芯板適用于車輛地板、側墻板、裙板等。

4 復合材料-三明治夾芯板的優勢

● 輕量化優勢明顯（見表1）；

● 優秀的抗腐蝕和抗疲勞性；

● 優秀的防煙火，隔熱保溫與隔聲降噪特性；

● 表面防火和絕緣涂層；

● 功能集成；

● 模塊化設計，預組裝和粘結技術；

● 最小的工具設備投資；

● 易于維護和更換；

● 循環利用、環保；

5 復合材料-三明治夾芯板的應用

5.1 地板

5.1.1 利用三明治夾芯板制成車輛地板。

5.1.2 結合三明治夾芯板的優勢，集成電加熱地板。

5.2 側墻

5.2.1 制成側墻蒙皮，與側墻骨架粘接后共同擔負起車輛側墻的功能。

5.2.2 三明治夾芯板內預埋鋁合金型材，直接復合成型為結構側墻。

5.3 車頂

5.3.1 車頂承載情況下（車頂須安裝受電弓等），三明治夾芯板僅作為頂蓋蒙皮，配合金屬骨架粘接出復合材料頂蓋。

5.3.2 車頂低承載情況下，車頂內部預埋管、線、鋁合金型材等，集成出主體為三明治夾芯板的車輛頂蓋。

5.4 復雜曲面的車輛前、后端

制成模具，利用模具復合出曲面復雜的車輛前、后端圍板，與設計圖符合度達95%。

5.5 裙板系統

車輛裙板一般為曲面或平面折彎結構，利用模具復合出的裙板，與設計圖符合度達98%。

5.6 各種箱體與柜體的蒙皮；

夾芯板制成鋁塑板作為箱體或柜體的蒙皮，達到提高外觀平整度，輕量化的目的。

5.7 車輛司機室操作臺的臺面

若是25mm厚的司機室操縱臺面板，外觀平整度高且顯得厚重，但實際重量輕，應能征服每位司機的心。

6 結語

復合材料-三明治夾芯板將逐步運用在各種軌道車輛及大巴車上，以其高強度、輕量化、功能集成、節能環保等特點步入大家的生活。中車大連機車車輛有限公司在160公里動力集中動車組動力車上采用復合材料-三明治夾芯板做機械間頂棚的裝飾板，獲得巨大成功，得到了鐵路總公司的認可，該機械間內裝結構已申報國家發明專利，并獲得受理；中車四方股份有限公司供青海德令哈、廣東佛山的有軌電車車頂板，是以三明治夾芯板為主材制造的，經運用考核，狀態良好，目前車頂板已進入批量生產階段。以復合材料-三明治夾芯板為主體的車輛大部件研制成功，將為軌道車輛、大巴車等車輛應用三明治夾芯板提供寶貴經驗。

目前中車旗下各公司正在研發以復合材料-三明治夾芯板為主體的機車頂蓋與動車頂蓋；地板、電加熱地板；磁浮列車的側墻板及裙板。鄭州宇通客車股份有限公司也正在積極研究復合材料-三明治夾芯板在新型大巴車上的應用。

未來幾年，復合材料-三明治夾芯板在軌道交通行業的應用必將迅速形成產業規模，為人們出行提供更舒適的條件。

參考文獻：

[1]魏培欣，宗艷，常虹，等.膠粘劑在軌道交通車輛上的應用[J].粘接，2016（1）：79-81.

[2]歐燕飛，李躍.淺析粘接體系的引入與實施[J].工程技術：文摘版，2016，13（9）：315.

[3]蘇景順；常用噪聲評價量的比較[J]；噪聲與振動控制；1999年02期.

[4]譚慶昌.機械設計[M].吉林科學技術出版社，2000：366-384.