復合材料在高鐵中的應用
來源：新材料研習社
高速鐵路列車成為工業(yè)發(fā)達國家緩解公路、水運和空中交通擁擠的一個重要途徑，包括中國在內的世界眾多國家已把高速列車的發(fā)展作為未來列車發(fā)展的一個重要目標。當今，高速、安全、舒適成為當今高速鐵路技術發(fā)展的重點，減輕動車組車輛自重、提高動車組速度是鐵路工業(yè)發(fā)展的目標。
和諧號
復合材料在列車上的應用，按承力特征大致可分為兩類：復合材料非主承力件和復合材料主承力件。其中復合材料非主承力件又可分為主承力件（如車身、地板和座椅等非主承力件）和輔助件（洗漱間、廁所和水箱等輔助構件），而復合材料主承力件主要是指列車車體、司機室和轉向架構架等列車的大型承力構件，它是復合材料取代傳統(tǒng)材料，實現(xiàn)車輛輕量化的關鍵。
1、復合材料在列車輔助件和一般承力件上的應用
日本新干線使用的高速客車中，玻璃纖維增強素料（GFRP）復合材料主要使用在車窗內飾框、洗漱間、廁所、小便池、水箱、集便箱、車前頭蓋板、雙層客車兩端車頂板、空調風道的天花板以及餐車空調蓋板的側天花板等部位。為減少受電弓周圍的空氣動力噪聲，在車頂上安裝的受電弓罩也是采用GFRP材料制造。200系東北、上越新干線客車采用蜂窩夾層材料制造地板、中間間壁門等。
同樣，法國TGV高速列車也大量采用纖維增強塑料（FRP）制造地板、墻板、門窗框架、座椅和車門等。采用FRP制造這些構件，除重量輕外，還具有易于設計、減輕維修作業(yè)，以及可采用整體成型降低成本等優(yōu)點。此外，廁所用玻璃鋼地板，整體衛(wèi)生間在國外已較普及，既解決腐蝕問題，又達到減輕重量的目的。
意大利ETR500型高速列車上，所有的內部結構邊墻、天花板和行李艙都使用了高比剛度復合材料夾層板——兩層Tedlar聚氟乙烯塑料薄層中夾有Nomex蜂窩芯材玻纖酚醛層壓板；歐洲之星列車也使用酚醛蜂窩板做其內部結構件。
英國的鐵路部門通過試驗后發(fā)現(xiàn)，選擇芳綸纖維增強復合材料做受電弓頭，其性能非常令人滿意。近年來，復合材料還被用做抗沖擊部件，并且取得了很好的試驗結果。
2、復合材料制造列車主承力件
目前，纖維增強復合材料在承載結構件上的應用也越來越多，其技術已基本接近實際應用。列車司機室、車體和轉向架構架等作為列車的大型承力構件，在整車結構重量中占有較大比例，車體部分自重占車輛自重的15%~35%，轉向架占車輛自重的25%~35%。因此，這些部分是應用新材料的主要研究領域。
（1）高速列車的司機室。其前端外形要制成鼻狀形，既要輕量化，又要耐沖擊，在此FRP獲得了廣泛的應用。英國城間的125型機車司機室的前端是用層壓的FRP板包覆聚氨酯泡沫芯構成夾層結構，比鋼制件輕30%~35%，并可耐0.9Kg重方鋼塊以300Km/h速度的沖擊；意大利ETR500高速動力車頭部采用Kevlar纖維和環(huán)氧樹脂模壓成型，其剛性和抗沖擊性良好，列車最高速度達300Km/h。
高速列車司機室
（2）復合材料車頂。復合材料在車頂蓋上的應用能降低車輛的重心，增加車體運行的穩(wěn)定性。日本鐵道綜合技術研究所與東日本客運鐵道公司合作，用碳纖維增強塑料（CFRP）制成高速列車車頂，該CFRP車頂通過膠粘與鋁合金框架相連，然后再通過焊接與車體上鋁合金側壁連在一起。試驗表明，采用這種車頂?shù)能圀w具有較高的氣密強度和較低的重心，而且每節(jié)車廂減輕約300~500Kg
（3）復合材料車體。車體的按工藝不同分為兩種：
1、將厚為2.1mm曲面板與縱梁制成一體，將拉擠成型的CFRP外板鉚接在鋁合金框架上，試制車體長6000mm，寬3300mm，高3290mm，重量為680Kg。
2、熱壓成型制成長1000mm，寬3320mm高3300mm的兩個半圓形車體，然后互相鉚接在一起，較之鋁合金車體重量減輕30%。而且酚醛基CFRP較之鋁合金有良好的耐高溫性能，鋁合金在400℃和40MPa的應力之下會產(chǎn)生大的撓曲變形，而酚醛基CFRP在500℃和130MPa的應力變形很小。
車體3D
（4）復合材料轉向架。機車車輛的轉向架是支承車體、保證列車平穩(wěn)運行的重要部件，其構架是對強度和耐疲勞性能要求特別高的大型承載構件，德國AEG和MBB公司就在聯(lián)邦研究技術部的支持下，研制出世界上第一臺復合材料構架的轉向架，型號為HLD-E，設計速度200Km/h。繼德國之后，日本也試制成功CFRP轉向架構架，構架自重為0.3t，比普通鋼制構架減輕了70%，該構架測梁為CFRP層壓材料疊層結構，板厚16.4mm，橫梁采用纏繞成型，最高設計速度160Km/h。
高速列車轉向架
