復(fù)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(yīng)國內(nèi)交通行業(yè)的高速發(fā)展，滿足輕量化的設(shè)計(jì)的需求，以復(fù)合材料為代表的各種新型材料開始越來越多的應(yīng)用在軌道交通行業(yè)。復(fù)合材料-三明治夾芯板目前已在國外交通行業(yè)上得到較為廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)比其他復(fù)合材料，細(xì)述了復(fù)合材料-三明治夾芯板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)勢，展望了復(fù)合材料-三明治夾芯板在國內(nèi)新研發(fā)軌道車輛及巴士上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；夾芯板；車輛輕量化；功能集成

1 引言

面對(duì)交通行業(yè)日益激烈的市場競爭，采用復(fù)合材料與粘接技術(shù)[1-2]，使多種材料完美結(jié)合，在不降低材料強(qiáng)度的條件下，實(shí)現(xiàn)車輛的輕量化要求，提高車輛的美觀度與安全舒適性，是業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)師們迫切追求的。

近年來，鋁合金、纖維增強(qiáng)材料、合成樹脂等復(fù)合材料逐步進(jìn)入了交通行業(yè)。復(fù)合材料-三明治夾芯板以其設(shè)計(jì)靈活、方便，易成型，生產(chǎn)成本低、效率高等優(yōu)勢，脫穎而出，產(chǎn)業(yè)化趨勢日趨明顯。

2 國內(nèi)現(xiàn)有車輛上使用復(fù)合材料的概況

2.1 概述

國內(nèi)在交通行業(yè)上采用復(fù)合材料起步較晚，與發(fā)達(dá)國家相比有較大的差距。進(jìn)入90年代以來，國家對(duì)車輛的輕量化、隔音降噪[3]、阻燃、節(jié)能環(huán)保以及美觀度、舒適度等提出了更高要求，復(fù)合材料以集成多種功能的優(yōu)勢，開始在各種車輛上得到廣泛應(yīng)用。

目前，國內(nèi)車輛上使用的復(fù)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(qiáng)材料主要有碳纖維、玻璃纖維等。復(fù)合材料在車輛上的應(yīng)用范圍主要包括：整體司機(jī)室、車頂及側(cè)墻、內(nèi)裝、衛(wèi)生間、蓄電池箱、地板、裙板、操作臺(tái)、車門、窗框等非承載結(jié)構(gòu)或低承載結(jié)構(gòu)[4]。

2.2 國內(nèi)車輛上使用的復(fù)合材料存在的問題

（1）金屬類價(jià)格高，質(zhì)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(qiáng)材料不利于循環(huán)利用及環(huán)保；

（4）設(shè)計(jì)及生產(chǎn)成本較高；

（5）各種特殊功能、性能兼顧難；

3 復(fù)合材料-三明治夾芯板的結(jié)構(gòu)

三明治夾芯板是由多種金屬或非金屬材料依靠粘接技術(shù)復(fù)合而成的新型復(fù)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(jù)其性能不同，造價(jià)不同，在軌道車輛上的使用部位也不同。

復(fù)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(shè)備的安裝，金屬上板內(nèi)部可以通過粘接預(yù)埋件來局部加強(qiáng)復(fù)合夾芯板剛性，或用于復(fù)合夾芯板外部設(shè)備（空調(diào)、風(fēng)道等）的安裝接口。

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

復(fù)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(nèi)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(fù)合夾芯板適用于車輛地板、側(cè)墻板、裙板等。

4 復(fù)合材料-三明治夾芯板的優(yōu)勢

● 輕量化優(yōu)勢明顯（見表1）；

● 優(yōu)秀的抗腐蝕和抗疲勞性；

● 優(yōu)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(shè)計(jì)，預(yù)組裝和粘結(jié)技術(shù)；

● 最小的工具設(shè)備投資；

● 易于維護(hù)和更換；

● 循環(huán)利用、環(huán)保；

5 復(fù)合材料-三明治夾芯板的應(yīng)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(jié)合三明治夾芯板的優(yōu)勢，集成電加熱地板。

5.2 側(cè)墻

5.2.1 制成側(cè)墻蒙皮，與側(cè)墻骨架粘接后共同擔(dān)負(fù)起車輛側(cè)墻的功能。

5.2.2 三明治夾芯板內(nèi)預(yù)埋鋁合金型材，直接復(fù)合成型為結(jié)構(gòu)側(cè)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(fù)合材料頂蓋。

5.3.2 車頂?shù)统休d情況下，車頂內(nèi)部預(yù)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(fù)雜曲面的車輛前、后端

制成模具，利用模具復(fù)合出曲面復(fù)雜的車輛前、后端圍板，與設(shè)計(jì)圖符合度達(dá)95%。

5.5 裙板系統(tǒng)

車輛裙板一般為曲面或平面折彎結(jié)構(gòu)，利用模具復(fù)合出的裙板，與設(shè)計(jì)圖符合度達(dá)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(dá)到提高外觀平整度，輕量化的目的。

5.7 車輛司機(jī)室操作臺(tái)的臺(tái)面

若是25mm厚的司機(jī)室操縱臺(tái)面板，外觀平整度高且顯得厚重，但實(shí)際重量輕，應(yīng)能征服每位司機(jī)的心。

6 結(jié)語

復(fù)合材料-三明治夾芯板將逐步運(yùn)用在各種軌道車輛及大巴車上，以其高強(qiáng)度、輕量化、功能集成、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)步入大家的生活。中車大連機(jī)車車輛有限公司在160公里動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車上采用復(fù)合材料-三明治夾芯板做機(jī)械間頂棚的裝飾板，獲得巨大成功，得到了鐵路總公司的認(rèn)可，該機(jī)械間內(nèi)裝結(jié)構(gòu)已申報(bào)國家發(fā)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(jīng)運(yùn)用考核，狀態(tài)良好，目前車頂板已進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。以復(fù)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(yīng)用三明治夾芯板提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

目前中車旗下各公司正在研發(fā)以復(fù)合材料-三明治夾芯板為主體的機(jī)車頂蓋與動(dòng)車頂蓋；地板、電加熱地板；磁浮列車的側(cè)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(fù)合材料-三明治夾芯板在新型大巴車上的應(yīng)用。

未來幾年，復(fù)合材料-三明治夾芯板在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用必將迅速形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，為人們出行提供更舒適的條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏培欣，宗艷，常虹，等.膠粘劑在軌道交通車輛上的應(yīng)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(shí)施[J].工程技術(shù)：文摘版，2016，13（9）：315.

[3]蘇景順；常用噪聲評(píng)價(jià)量的比較[J]；噪聲與振動(dòng)控制；1999年02期.

[4]譚慶昌.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2000：366-384.