輕量化碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域研究進(jìn)展

衛(wèi) 海

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710026)

軌道交通行業(yè)的迅速發(fā)展拉近世界了各國與我國之間的關(guān)系。我國各城市內(nèi)部發(fā)展也迎來了全新的發(fā)展，城鎮(zhèn)化發(fā)展的速度也加快了腳步。在歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展后，已將輕量化、智能、綠色、低碳、系列、平臺與標(biāo)準(zhǔn)列為軌道交通行業(yè)未來發(fā)展目標(biāo)。軌道交通在未來發(fā)展期間，在滿足舒適性、高效率的同時(shí)，還應(yīng)將低碳環(huán)保作為未來發(fā)展的主要目標(biāo)?；诖?，為了使傳統(tǒng)軌道交通耗能大、質(zhì)量大的缺點(diǎn)完美規(guī)避，研究并開發(fā)全新的新型輕質(zhì)材料以及加工工藝是當(dāng)下最核心的問題。軌道交通車輛在全面升級為輕量化后，車體全部的質(zhì)量得到有效降低，軸重也會因車體質(zhì)量下降而下降，軌道交通車輛的時(shí)速得到大幅度上升；在滿足當(dāng)下快時(shí)代社會發(fā)展的需求外，成本還得到了有效降低。此外，車體整身質(zhì)量在得到降低的同時(shí)對軌道的損耗也會降低，軌道的維護(hù)成本也會得到有效降低。降低對軌道磨損的同時(shí)，車體振動也會得到降低，這樣一來就可以為乘客提供更為舒適的環(huán)境，車輛在行駛過程中的穩(wěn)定性與安全性也得到了提升。

1 碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀

如今我國將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在軌道交通車輛中的現(xiàn)象已經(jīng)十分普遍。如圖1所示，我國軌道交通車輛中的客艙，其在制備過程中所使用的材料80%為碳纖維復(fù)合材料，可承受載荷為850 N，所承受的平均載荷為每延米1 000 N，承受縱向?yàn)?、橫向?yàn)?、垂直為2的沖擊；且組裝完成后期車身整體外形優(yōu)雅，辨識度較高。

圖1 碳纖維復(fù)合材料在車輛中的應(yīng)用

近幾年，綜合性能穩(wěn)定的輕量化碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在國內(nèi)軌道交通車輛中的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，如圖2所示。此材料的安全性系數(shù)極高，它的耐腐蝕、抗震、防火、防水、隔音、隔熱等性能都十分突出，并且在市場中的應(yīng)用范圍極廣，得到了高度認(rèn)可。

圖2 碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在國內(nèi)電車中的應(yīng)用

2018年9月18日下午，在德國舉行的柏林國際軌道交通技術(shù)展上，中車四方股份公司正式發(fā)布碳纖維復(fù)合材料地鐵車輛“CETROVO”，此列車從車頭到車尾全部采用輕量化碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制備而成，與傳統(tǒng)的鋁合金列車相比，整車減重35%，具有環(huán)保節(jié)能,運(yùn)行噪音小等特點(diǎn)，是全新一代列車車體;示意圖如圖3所示。

圖3 全新一代地鐵列車車體

如今的列車整體從內(nèi)到外的每個部件以及墻板、頭罩、裙板等均可以采用碳纖維夾芯復(fù)合材料來制作，目前轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)以及車體上的承力部件也正在進(jìn)一步的研發(fā)中。

2 碳纖維夾芯復(fù)合材料性能優(yōu)勢

碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料總體由3部分組成，最外層由蒙皮制成，使用高模量與高強(qiáng)度的材料制成，如碳纖維織物等。中間部分所使用的材料通常為芯材，它的主要作用就是確保整體結(jié)構(gòu)的截面慣性距離充足。其次為列車的膠接層，此層主要是將蒙皮與芯材連接在一起，利用熱壓罐將其成型，該復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高比模量、抗疲勞性、抗震降噪性以及耐腐性等突出特點(diǎn)。

2.1 高比模量

以樹脂、碳纖維織物為基礎(chǔ)，將2種不同的材料先進(jìn)行融合，然后進(jìn)行制備工作，所制備出的材料為碳纖維夾芯復(fù)合材料。以這兩種材料為基礎(chǔ)所制備出的碳纖維夾芯復(fù)合材料的綜合性能都要優(yōu)于傳統(tǒng)鋁合金。因?yàn)檐壍澜煌ǖ娜吭O(shè)計(jì)均需要符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，因此在使用碳纖維夾芯復(fù)合材料制備時(shí)還需經(jīng)過強(qiáng)度等效設(shè)計(jì)原則，來按照最佳鋪層的厚度、順序、角度以及形狀來設(shè)計(jì)，確保碳纖維復(fù)合材料始終滿足我國軌道交通領(lǐng)域高力學(xué)與高強(qiáng)度的設(shè)計(jì)指標(biāo)。此外，采用此材料還可以使車身質(zhì)量得以下降，輕量化目標(biāo)也得以實(shí)現(xiàn)。

2.2 耐疲勞性

碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料靜態(tài)拉伸強(qiáng)度中僅抗疲勞性占到了78%左右；而傳統(tǒng)的鋁合金材質(zhì)靜態(tài)拉伸強(qiáng)度中的耐疲勞強(qiáng)度僅僅只占48%左右。因此，利用碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料所制備出的零件使用壽命更高，其穩(wěn)定性與安全性較高。

2.3 抗震降噪性能

碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的內(nèi)部泡沫密度較小，所含有的小縫隙偏多，其中小縫隙可實(shí)時(shí)儲存空氣；但是對于固相介質(zhì)材料來說，氣象介質(zhì)所傳播的速度就會大大降低，這代表碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的隔音效果十分良好。

2.4 耐腐蝕性能

采用單體分子聚合而成的高分子樹脂作為復(fù)合材料的基體材料，能夠使得碳纖維夾芯復(fù)合材料具備較好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐濕熱性能以及耐酸堿性能，應(yīng)用碳纖維夾層復(fù)合材料的部分維修成本也會不斷下降，使用壽命長且實(shí)用性更強(qiáng)。

3 輕量化等效設(shè)計(jì)原則

3.1 設(shè)計(jì)原則

在對輕量化碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料設(shè)計(jì)期間，應(yīng)將替換傳統(tǒng)鋁合金作為第一原則。碳纖維夾芯復(fù)合材料與鋁合金相比，如若兩種剛度都在不降的情況下，確保鋪層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)符合軌道交通領(lǐng)域設(shè)計(jì)原則是十分關(guān)鍵的問題，可通過詳細(xì)分析材料數(shù)據(jù)，最終獲取剛度、強(qiáng)度和車體質(zhì)量最為合適的結(jié)構(gòu)。本文以鋁合金材料作為相較對象來進(jìn)行統(tǒng)一分析，如表1所示。

表1 材料性能參數(shù)

3.2 力學(xué)分析

剛度等效：傳統(tǒng)鋁合金結(jié)構(gòu)受力參數(shù)在分析期間，只是簡單的將變形作為首要考慮的重要因素，通過選取最為科學(xué)的合度等效來替換材料，使碳纖維夾芯材料與傳統(tǒng)鋁合金的結(jié)構(gòu)簡化；而復(fù)合材料只需要考慮剛度問題，以此為基礎(chǔ)逐漸推算，可將結(jié)構(gòu)參數(shù)推出。

已知剛度等效原理：

≤

(1)

式中：為材料的剛度。

=·

(2)

式中：為材料的截面慣性矩；為材料的彈性模型。

(3)

式中：板材的厚度為；板材的截面寬度為。

(4)

式中：等效后的減重率為；鋁合金與碳纖維復(fù)合材料整體質(zhì)量分別為、。

根據(jù)表1可算出2種材料的剛度參數(shù)，碳纖維復(fù)合材料為61 GPa，假設(shè)鋁合金材料厚度為12 mm，截面寬度為100 mm，則：

=·=71×100×12/12=1 022 400 N/mm

(5)

=·=61×[100-(100-2)×(-2)]12

(6)

等效處理后的碳纖維復(fù)合材料厚度為;外層蒙皮厚度為,假設(shè)為15 m。

經(jīng)對比計(jì)算可得，碳纖維復(fù)合材料的總厚度為17 mm; 用外層蒙皮厚度為14 mm的PVC泡沫填充來代替，減重率達(dá)到了80%，所得剛度約為1 144 421N/mm。這代表≥，表明碳纖維復(fù)合材料完全符合車輛的剛度要求。

4 碳纖維夾芯復(fù)合材料的加工工藝

4.1 共固化

碳纖維夾芯復(fù)合材料在制備過程中鋪層模具的順序被稱為共固化，主要按照蒙皮、膠膜、夾芯材料、膠膜、蒙皮來進(jìn)行鋪層，鋪層完成以后在將模具放置專用的工具上,然后設(shè)置符合標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定來使其凝固成型，再進(jìn)行脫模修型，最終獲得完整的碳纖維夾芯復(fù)合材料。此加工工藝工序少、生產(chǎn)周期較短，而且產(chǎn)品外形也有保障，復(fù)合材料一體化的特點(diǎn)得以展現(xiàn)。

4.2 二次固化

二次固化可將復(fù)合材料的強(qiáng)度提升至更高，在復(fù)合材料共固成型后，可將夾芯材料與蒙皮進(jìn)行二次粘接固化，最后脫模成型。在共固化成型后，防止出現(xiàn)夾芯材料抗壓能力小的現(xiàn)象，從而使蒙皮在壓力更高的環(huán)境下進(jìn)行二次固化，保證剛性符合標(biāo)準(zhǔn)。

5 車體成型技術(shù)及工藝選擇

碳纖維夾芯復(fù)合材料制備期間最核心的部分便是車體成型；而車體較大的CFRP列車，可通過模塊化與成型的方式來利用粘接等工藝使模塊裝配相連接。此外，車體模塊化的加工過程可以簡化操作，使制作過程中含有的風(fēng)險(xiǎn)降低，但是需要注意模塊過多的情況下，所需要的各種零件也會增加，裝備期間需要連接的數(shù)量也會不斷增加。如若車體在制造過程中需要劃分不同模塊來制作，在使用裝配連接于一體時(shí)，車體結(jié)構(gòu)通常會因?yàn)閯偠炔粡?qiáng)而導(dǎo)致車體晃動，這可能會導(dǎo)致車體裝配連接不穩(wěn)定，同時(shí)也是剛度最弱的部分。

除此之外，增強(qiáng)骨架和三明治結(jié)構(gòu)也是制備過程中最為常見的工藝。骨架工藝通常使用的材料可為碳纖維復(fù)合材料，也可為鋁合金材料；骨架與骨架之間的連接均采用三明治夾芯結(jié)構(gòu)，構(gòu)成的車體呈骨架強(qiáng)、蒙皮弱。采用這種結(jié)構(gòu)最突出的優(yōu)勢就是車體的剛度可得到保障，而且骨架的一體化也得到有效增強(qiáng)。此外，骨架與骨架之間使用三明治夾芯結(jié)構(gòu)，車輛整體重量在降低的同時(shí)，抗震降噪與耐熱等方面的性能也十分突出，均可滿足當(dāng)代軌道交通車輛的需求。

6 結(jié)語

軌道交通領(lǐng)域輕量化碳纖維夾芯復(fù)合材料的應(yīng)用并不是輕而易舉的，從后期的維護(hù)到運(yùn)營所需成本的利益都要進(jìn)行合理的分析評估，方能執(zhí)行?，F(xiàn)有的碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在使用成本方面仍有提升的空間。采用預(yù)浸料的方式來減少廢料的處理或者使用成本較低的碳纖維材料使自動化制造能力提升等都是有效降低碳纖維夾芯復(fù)合材料制作成本的方法。綜上所示，輕量化碳纖維夾芯復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用過程中應(yīng)對各部件設(shè)計(jì)性能統(tǒng)一分析，只有這樣才能制備出低成本、高性能碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料產(chǎn)品。