淺析城市軌道車(chē)輛內(nèi)裝輕量化新材料的應(yīng)用

包 鳴（南車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)部，江蘇 南京 210031）

淺析城市軌道車(chē)輛內(nèi)裝輕量化新材料的應(yīng)用

包 鳴
（南車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)部，江蘇 南京 210031）

摘 要：本文簡(jiǎn)要分析了城市軌道車(chē)輛內(nèi)裝系統(tǒng)中現(xiàn)有的材料與新型的材料，通過(guò)對(duì)比得出新材料在車(chē)輛輕量化設(shè)計(jì)中所能發(fā)揮的作用，新型材料應(yīng)得到廣泛的推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：輕量化新材料；聚碳酸酯；碳纖維材料；復(fù)合鋁板

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，節(jié)能、環(huán)保逐步成為關(guān)注的重點(diǎn)，而車(chē)輛的輕量化設(shè)計(jì)無(wú)疑是節(jié)能的一種有效方式。內(nèi)裝系統(tǒng)作為車(chē)輛的一個(gè)組成系統(tǒng)，在輕量化方面也應(yīng)作出自己的貢獻(xiàn)。城市軌道車(chē)輛內(nèi)裝系統(tǒng)是乘客進(jìn)入列車(chē)后直觀感知的系統(tǒng)，與乘客有著最直接的聯(lián)系，譬如車(chē)窗、屏風(fēng)、座椅、扶手等。內(nèi)裝系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)，通常從材料輕量化這方面入手考慮，新型材料的應(yīng)用對(duì)內(nèi)裝系統(tǒng)的輕量化起到舉足輕重的作用。

1 聚碳酸酯材料的應(yīng)用

聚碳酸酯，即俗稱的PC材料，與傳統(tǒng)的玻璃相比，聚碳酸酯板材具有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)：

（1）輕量化優(yōu)勢(shì)：同等厚度面積的PC重量?jī)H為玻璃的一半，減重效果明顯。

（2）力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)：作為由有機(jī)大分子鏈結(jié)構(gòu)組成的PC材料，韌性和強(qiáng)度大大強(qiáng)于玻璃，主要體現(xiàn)在拉伸強(qiáng)度，沖擊強(qiáng)度等方面。在實(shí)際的使用過(guò)程中，PC不會(huì)發(fā)生自爆，且受外力沖擊不會(huì)崩碎，安全性更高。

（3）隔熱性優(yōu)勢(shì)：PC k值較玻璃低10%左右，可以更好的隔絕冬天的熱量損失以及夏天的熱量傳入。冬天或夏天空調(diào)環(huán)境中觸碰感覺(jué)較玻璃來(lái)說(shuō)，不會(huì)很涼。

（4）隔聲性優(yōu)勢(shì)：阻隔分貝值較玻璃高10%左右，可以更好的隔絕噪音。

（5）抗劃傷方面：經(jīng)過(guò)硬化涂敷的PC材料，可接近于玻璃的抗劃傷效果。

綜上所述：聚碳酸酯材料在具有玻璃一系列性能特征的同時(shí)，重量?jī)H為玻璃的一半，在輕量化方面優(yōu)勢(shì)巨大。內(nèi)裝系統(tǒng)的車(chē)窗、屏風(fēng)、行李架均可以使用聚碳酸酯材料來(lái)代替現(xiàn)有的鋼化玻璃。

圖1 聚碳酸酯客室車(chē)窗

圖2 聚碳酸酯行李架

圖3 不銹鋼拉絲扶手

圖4 鋁合金氧化扶手

2 NGC型鋁合金型材的應(yīng)用

目前城市軌道交通車(chē)輛上的扶手，材質(zhì)多為不銹鋼，重量較大。NGC型鋁合金型材因其機(jī)械性能、防腐性能及成形焊接性能方面的特點(diǎn)，具備了替代不銹鋼作為扶手基材的可能，使用鋁合金扶手將比不銹鋼扶手減重50%以上。

（1）NGC型鋁合金型材的化學(xué)成分（表1）。

（2）NGC型鋁合金型材的機(jī)械性能

表2可以看出NGC型合金的機(jī)械性能與目前國(guó)際高強(qiáng)度鋁合金性能相近。

（3）NGC型鋁合金型材的焊接性能（見(jiàn)表3）。

表3可以看出NGC型合金的焊縫強(qiáng)度達(dá)到母材的91.1%。

（4）NGC型鋁合金型材的耐蝕性能（見(jiàn)表4）。

NGC型合金、防銹鋁LF5合金、Us5083按《輕金屬材料和加工手冊(cè)》規(guī)定的快速腐蝕條件，用3%氯化鈉+1%過(guò)氧化氫（重量比）作腐蝕介質(zhì)，在25℃，全浸96小時(shí)，腐蝕速度對(duì)比：

（5）NGC型鋁合金扶手的表面處理工藝：

為了提高鋁合金扶手的表面硬度和耐磨性，通常還需進(jìn)行硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理，氧化膜厚度在20μm，硬度（HV）3500MPa以上的稱為硬質(zhì)氧化膜，表面處理工藝順序：機(jī)械拋光→拉絲→除油→清洗→化學(xué)拋光→水洗→中和→硬質(zhì)陽(yáng)極氧化→水洗→封孔→烘干。硬質(zhì)陽(yáng)極氧化膜受溶液組成、濃度、溫度、電流密度等多種條件的影響，而其中影響最大的是溫度。溶液溫度越低，氧化膜的硬度就越高。

隨著軌道交通車(chē)輛的不斷創(chuàng)新發(fā)展，NGC型鋁合金扶手在車(chē)輛上的應(yīng)用必定會(huì)得到更加廣泛的推廣。

表1 高強(qiáng)耐蝕可焊鋁合金型材成份

表2 NGC-Ⅰ-Ⅱ型高強(qiáng)鋁合金力學(xué)性能

表3 NGC-Ⅰ型鋁合金焊接性能

表4

表5

表6

3 碳纖維材料的應(yīng)用

碳纖維是一種纖維狀碳材料。它是一種強(qiáng)度比鋼的大、密度比鋁的小、比不銹鋼還耐腐蝕、比耐熱鋼還耐高溫、又能像銅那樣導(dǎo)電，具有許多寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能的新型材料。

碳纖維不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。與傳統(tǒng)的玻璃纖維（GF）相比，楊氏模量是其3 倍多；它與凱芙拉纖維（KF-49）相比，不僅楊氏模量是其2倍左右，而且在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。

碳纖維密度不到鋼的1/4，碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3000MPa以上，是鋼的7～8倍，抗拉彈性模量為23000～43000MPa亦高于鋼。因此碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000MPa/（g/cm3）以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59MPa/（g/cm3）左右，其比模量也比鋼高。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，從這個(gè)意義上已預(yù)示了碳纖維在工程機(jī)械的廣闊應(yīng)用前景。

目前城市軌道車(chē)輛上的司機(jī)室面罩所使用材料為玻璃纖維增強(qiáng)的熱固塑料，該結(jié)構(gòu)密度低，強(qiáng)度好，城軌車(chē)輛的面罩一般在250kg～320kg左右。為達(dá)到更輕量化的目的，可以采用碳纖維增強(qiáng)的熱固塑料，碳纖維相比玻璃纖維而言密度更小，性能更加卓越。

如表5所示，碳纖維的密度約為鋼的1/5，玻璃纖維的2/3，抗拉強(qiáng)度卻能達(dá)到鋼的7-8倍左右，玻璃纖維的2倍以上。

使用碳纖維替代玻璃纖維去制作地鐵車(chē)輛的司機(jī)室面罩，在保證面罩相關(guān)性能要求的前提下，輕量化方面優(yōu)勢(shì)明顯。隨著軌道交通的不斷發(fā)展，碳纖維在車(chē)輛內(nèi)裝件上的應(yīng)用必將愈發(fā)廣泛。

4 復(fù)合鋁板的應(yīng)用

復(fù)合鋁板，又稱鋁塑復(fù)合板，是由多層材料復(fù)合而成，上下層為經(jīng)過(guò)化學(xué)處理的涂裝鋁板 ，中間層為無(wú)毒低密度聚乙烯（PE）芯板，在專用鋁塑板生產(chǎn)設(shè)備上加工而成的復(fù)合材料。

復(fù)合鋁板具有如下所述的性能特點(diǎn)：

（1）剝離強(qiáng)度高

鋁塑復(fù)合板最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)-剝離強(qiáng)度，因特殊的復(fù)合工藝被提高到了極佳狀態(tài)，使鋁塑復(fù)合板的平整度、耐候性方面的性能都相應(yīng)提高。

（2）防火性能卓越

鋁塑板中間是阻燃的物質(zhì)PE塑料芯材，兩面是極難燃燒的鋁板層，因此具有良好的防火性能。

（3）耐沖擊性

耐沖擊性強(qiáng)、韌性高、彎曲不損面漆。

（4）易保養(yǎng)

自清潔性好，只需用中性的清洗劑和清水即可，清洗后板材永久如新。

（5）材質(zhì)輕

鋁蜂窩板每平方米的重量在11kg左右，復(fù)合鋁板每平方米的重量?jī)H在3.5kg～5.5kg左右，輕量化優(yōu)勢(shì)明顯。

城市軌道車(chē)輛的內(nèi)裝墻板基材通常有復(fù)合鋁板、鋁蜂窩板、玻璃鋼等，其中復(fù)合鋁板在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、防火環(huán)保的前提下具有明顯的輕量化優(yōu)勢(shì)。各種材質(zhì)的內(nèi)裝墻板主要性能對(duì)比見(jiàn)表6。

綜上所述，復(fù)合鋁板作為內(nèi)裝墻板的一種新材料，應(yīng)得到廣泛的推廣。

圖5 溶液溫度-硬度線性圖

圖6 復(fù)合鋁板

結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代材料工藝的不斷革新，新材料也是日新月異，城市軌道車(chē)輛的內(nèi)裝系統(tǒng)，還有很多的新材料可以應(yīng)用，例如3D玻璃纖維復(fù)合地板、熱塑墻板、麻纖維復(fù)合板、超薄軟座椅、HPL防火板。新材料的應(yīng)用，必將給城市軌道車(chē)輛內(nèi)裝系統(tǒng)的美觀性、安全性、舒適性帶來(lái)極大幅度的提升。

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中圖分類號(hào)：U465

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