纤维预浸料在高速列车上的推广及应用
[摘 要] 随着速度等级的不断提升，高速动车组在车辆运行过程中会出现车体局部振颤、车内噪声偏大等问题，这无疑对车体及车内装饰件的选材和结构优化提出了更高的要求。纤维预浸料作为车内装饰件的一种新型轻量化内饰材料，在航天、豪华游轮等领域已经得到成熟应用；目前，在轨道交通领域应用较少，且原材料主要依靠进口。近年来随着国产纤维技术的成熟应用及市场化发展，国产纤维复合材料在高速轨道列车轻量化、降低成本方面的应用也必将更为广泛。文章从复合材料的选取、产品制作、与原有铝制复合结构工艺差异性等做对比，重点阐述纤维预浸料的复合以及复合结构优化相结合来加以分析和推介，并提出合理化建议。
[关键词] 新型内饰材料；轻量化；高速动车组；复合结构；推广与应用
[作者简介] 孙明道，南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛，266111；林松，南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛，266111
[中图分类号] U270.4 [文献标识码] A [文章编号] 1007-7723（2013）01-0027-0004
随着车辆运营速度等级的不断提升，车辆减重已经迫在眉睫，车辆轻量化作为结构优化设计的一个重要组成部分，其重要性已经引起越来越多的关注。轻量化设计及制造是高速轨道交通发展的一个重要方向，其必要性在于：
轻量化能减轻轨道载荷，减小钢轨磨耗和轨道变形，可显著降低线路建设费用和铁路的维护保养费用；轻量化对降低动力耗能成本费用有较大影响，降低了地基振动，提高了减噪性能；轻量化有利于提高舒适度，提高车辆的行走性能，特别是减轻簧下质量，能抑制车辆高速运行时轮轨冲击载荷的增大。
一、纤维预浸料的性能特点及发展趋势
（一）纤维预浸料的性能及特点
1. 纤维预浸料的分类
按物理状态分类，分单向预浸料、单向织物预浸料、织物预浸料；按树脂基体不同，分热固性树脂预浸料和热塑性树脂预浸料；按增强材料不同，分碳纤维（ 织物） 预浸料、玻璃纤维（ 织物） 预浸料、芳纶（ 织物） 预浸料；按纤维长度不同，分短纤维（ 4176mm 以下） 预浸料、长纤维（ 1217mm） 预浸料和连续纤维预浸料；按固化温度不同， 分中温固化（ 120 ℃） 预浸料、高温固化（ 180 ℃） 预浸料以及固化温度超过200 ℃ 的预浸料等。
2. 纤维预浸复合材料的构成
纤维预浸复合材料是由基体材料、夹芯材料和纤维增强体复合而成，是本世纪发展最迅速的新材料之一。其中，基体材料的主要作用是支撑增强材料，对增强材料起保护作用，其分为热固性树脂和热塑性树脂；夹芯材料主要指结构泡沫、纸/铝蜂窝、聚合物材料等；纤维增强体主要起承载作用，主要品种有碳纤维、芳纶、硼纤维、碳化硅纤维和玻璃纤维等。
3. 纤维预浸料的性能及特点
纤维预浸复合材料具有重量轻、强度高、刚性大的特点，在航天、航空、交通运输、基础建设中发挥了巨大的作用，成为这些领域产品性能提高和升级换代的关键材料，是高速列车轻量化的理想材料。
（二）预浸料相关技术发展趋势分析
目前，纤维预浸料复合材料在高速轨道列车的车体结构中应用较少，且纤维预浸料及其复合材料主要依靠进口。
在国外，纤维预浸复合材料已在轨道交通中广泛应用。法国国营铁路公司（SNCF）对于未来的TGV 高速列车，考虑到迫切需要进一步减轻车体重量，认为只能采用碳纤维复合材料的双层TGV 挂车，并进行线路运行试验，对其耐火性、抗冲击强度等进行运行测试。纤维预浸复合材料在高速轨道交通领域主要应用于车体内部装饰、车内设备等非结构零件材料，同时也将逐步向车体等结构件延伸、扩大。
二、纤维预浸复合结构与铝制复合结构的性能差异
判断一种材料的性能优劣，不仅体现在自身的高性能参数，而且主要体现在其复合成品后的各项性能参数与现有的产品相比明显高得多。以车内装饰件的端部间壁为例，对纤维预浸复合结构与铝制复合结构进行如下对比。
（一）纤维预浸复合结构及复合材料的试制
1. 纤维预浸材料的保存与使用
纤维预浸材料的保存与使用对环境要求高。预浸料保存需在-18℃左右，保存的时间为6个月左右，而在室温（15～25℃）下就开始软化。为此，下料过程中需在冷库的周边完成，操作完成后及时将余料放进冷库待用。
2. 纤维预浸料的复合结构样式
高速动车组现有间壁绝大部分为铝制复合结构，即双面铝板加芯材的复合结构，纤维预浸复合结构与其相似，为：纤维预浸料+胶膜+芯材+胶膜+纤维预浸料复合结构。经过实验验证后的纤维预浸料理想化厚度为：0.15mm、0.3mm；胶膜及芯材复合后的产品总厚度通常有如下几种样式：5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm等。芯材主要有铝蜂窝、纸蜂窝和泡沫芯；现选取0.3mm厚玻璃纤维为预浸料，与芯材复合后的组合样式有：
结构1：玻璃纤维预浸料厚0.3+纸蜂窝芯材+玻璃纤维预浸料厚0.3 总厚度5
结构2：玻璃纤维预浸料厚0.3+纸蜂窝芯材+玻璃纤维预浸料厚0.3 总厚度10
结构3：玻璃纤维预浸料厚0.3+纸蜂窝芯材+玻璃纤维预浸料厚0.3 总厚度15
结构4：玻璃纤维预浸料厚0.3+纸蜂窝芯材+玻璃纤维预浸料厚0.3 总厚度20
结构5：玻璃纤维预浸料厚0.3+纸蜂窝芯材+玻璃纤维预浸料厚0.3 总厚度25
结构6：玻璃纤维预浸料厚0.3+泡沫芯材+玻璃纤维预浸料厚0.3 总厚度5
结构7：玻璃纤维预浸料厚0.3+泡沫芯材+玻璃纤维预浸料厚0.3 总厚度10
结构8：玻璃纤维预浸料厚0.3+泡沫芯材+玻璃纤维预浸料厚0.3 总厚度15