【专业讲堂】一文简述铁路行业中的复合材料优势及应用实例详解

1978年，伦敦地铁支线列车在英国推出了第一辆装有轻质铝蜂窝复合材料门的生产列车。作为最新的实例，南极团队太阳能车几乎由轻质复合材料板制成。

为了满足日益增长的乘客需求，包括通用厕所、CET水箱、电源插座、空调、更多的桌子、倾斜机构、改进的碰撞结构和碰撞区，以及座位规则的改变，这些均使得列车变得更重。例如，与1970年的Mk 3机车相比，2000年的庞巴迪航行者列车重了40%。

为了保证列车重量不能继续增加。车身外壳、外门、转向架、HVAC、耦合器、驾驶室、内衬、内门和乘客内饰（包括座椅）是使用复合材料减轻重量的关键区域（图1）。

图1 列车中主要轻量化区域

用于替代 Electrostar 的庞巴迪新AVENTRA平台质量在30-35吨之间，与之前42吨的设计相比，减少了17%到28%。此外，新平台的耗电量比319级等效平台少50%，并有助于缩短行程时间。西门子最新Desiro City平台的重量比英国现有车队的平均重量轻25%，并使用再生制动、节能照明等方式使能源消耗降低了50%。

复合材料座椅、使用纤维复合材料的复合材料门、支架靠背、天花板面板、驾驶室前部和车身末端、车身侧板和具有增强功能的地板，包括地板覆盖物、加热、隔热/隔音和更容易清洁的选项，是实现铁路车辆进一步成本效益减重的其他领域。

未来几年解决铁路行业需求的替代轻质复合材料包括酚醛SMC（片状模塑料）、符合最新EN 45545防火标准的改性环氧玻璃预浸料、碳纤维/酚醛预浸料、阻燃泡沫芯，以及具有良好FST性能的最新热塑性材料。与整体复合材料相比，有几种轻质核心材料能够提供刚度并降低整个面板重量。Balsa、Nomex蜂窝、铝蜂窝、泡沫和软木复合材料是轻质核心材料的几个典型示例（图2）。

图2 核心材料有望成为列车轻量化关键材料之一

虽然天然纤维和生物树脂增强材料处于新兴阶段，但根据初步测试，它们可以解决铁路应用的FST要求。Cytek的XMTM30树脂系统是符合EN 45545 HL3类规范的生物可再生可持续资源。它可以与天然纤维相结合，创造一个真正的生物可持续系统。Cytek MTM®348FR和XMTM30适用于制造用于内部和外部结构和非结构应用的轻质复合材料组件。

轻质铝蜂窝材料是传统材料（如胶合板）的轻质替代解决方案。轻质铝蜂窝地板的主要优点是翻新成本低、使用寿命长（特别是在潮湿区域），以及在给定支撑间距下每平方米的荷载增加（图3）。

图3 铝蜂窝材料

铝蜂窝粘结结构是传统材料的轻质替代品，包括金属制造、胶合板和铝铸件，用于外门和内门（图4）。铝蜂窝粘结结构的主要优点是操作过程中的惯性小，使用寿命结束时可回收，并且由于重量轻，对操作机构的要求较低。

图4 铝蜂窝粘接结构

铝蜂窝可以取代轿车隔墙和挡风玻璃中的胶合板和金属制品。铝蜂窝的优点在于重量轻，易于安装，使用寿命结束时可回收，不易改变湿度条件，并且由于厚度减小而增加了可用乘客空间。

在窗台中，酚醛预浸料和酚醛SMC可替代传统材料，如图5所示的湿铺层和GRP。其主要优点包括增强的重量控制、更一致的厚度控制、更好的公差控制，改善的表面光洁度，减少了喷漆/精加工时间。

图5 酚醛预浸料和SMC

可使用最新的酚醛预浸料和热塑性塑料代替金属制品和湿铺层玻璃钢作为轻型备用材料（图6）。这些轻质材料的主要优点是公差更紧、表面光洁度更高、重量更轻，从而减少返工。

图6 酚醛预浸料应用实例

铝蜂窝复合材料可作为卫生间模块/座舱中GRP湿铺层的轻质替代品，如图7所示。适用于新设计/配置或改造，无需高昂的工具费用，可选择多种饰面，如HPL、Novagraph/贴花、油漆，重量显著减轻，最高达100 kg，这些轻质材料的主要优点是在使用寿命结束时可回收利用。

图7 铝蜂窝复合材料在卫生间模块中应用实例

铝蜂窝复合材料还可以为厨房和餐饮单位中的胶合板和金属制造提供轻质替代解决方案，如图 8 所示。使用铝蜂窝复合材料的主要优点是使用寿命长、饰面选择范围广、防火性能更好、安装方便。

图8 铝蜂窝复合材料在厨房模块中应用实例

（参考来源：TRB Lightweight Structures）