秦廣泰，楊茂現(xiàn)，黃秋霞

（中車四方車輛有限公司，山東 青島 266111）

1 夾芯復(fù)合材料概述

1.1 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

英國(guó)第一次將夾芯材料應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)，面板采用桃花芯木，芯子采用巴薩木。意大利新一代高速列車如ETR470、ETR500 等，其側(cè)板、頂板、行李間等均采用了Hexcel 公司生產(chǎn)的Hexlite310 夾芯材料，使得每輛車的重量減少了2/3。日本從1989 年開始使用蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)和碳纖維復(fù)合材料，并用這些材料做成了6m 長(zhǎng)的客車樣車供研究之用。

我國(guó)在20 世紀(jì)60 年代成功采用了夾芯結(jié)構(gòu)建造了直徑44m 的球形雷達(dá)罩。由四方主機(jī)廠自主研制的200 公里EMU動(dòng)車組大部分內(nèi)飾件都采用了夾芯結(jié)構(gòu)，如司機(jī)室及客室地板采用了夾芯鋁蜂窩結(jié)構(gòu)，端墻采用KLEGECELL 泡沫夾芯材料，檢查門板采用聚氯乙烯發(fā)泡芯材復(fù)合板等。長(zhǎng)客股份生產(chǎn)的CRH5 動(dòng)車組客室頂板、間壁、行李架底板等部位都使用了蜂窩復(fù)合板結(jié)構(gòu)。

2 基于纖維層壓板為面層鋁蜂窩/PET 為芯材的復(fù)合材料

目前，用于夾芯結(jié)構(gòu)表層的材料主要有：鋁面板、玻璃鋼、其它復(fù)合材料等，芯材主要有泡沫、蜂窩和輕木三類，其中，泡沫又包括聚酯發(fā)泡（PET），聚氯乙烯（PVC）等，蜂窩包括芳綸紙蜂窩（Nomex）、鋁蜂窩等。下面重點(diǎn)介紹基于纖維層壓板為面層鋁蜂窩/PET 為芯材的復(fù)合材料性能特征。

2.1 纖維層壓板性能特點(diǎn)

纖維層壓板主要是由改性酚醛樹脂為主體黏結(jié)劑、阻燃增強(qiáng)纖維及其他助劑組成，經(jīng)特殊工藝得到的一種輕質(zhì)復(fù)合材料，厚度可以根據(jù)產(chǎn)品強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)，一般為0.6 ～2mm。具有黏性強(qiáng)、阻燃、低煙、表面光潔度高、理化性能好等性能。

2.2 鋁蜂窩性能特點(diǎn)

鋁蜂窩芯材在軌道交通領(lǐng)域已經(jīng)普遍使用，其結(jié)構(gòu)具有選材精良、工藝先進(jìn)和構(gòu)造合理的優(yōu)勢(shì)，不僅在大尺度、平整度有出色的表現(xiàn)，而且在形狀、表面處理、色彩、安裝系統(tǒng)等方面有眾多的選擇。鋁蜂窩芯規(guī)格是由鋁箔厚度以及蜂窩孔格尺寸來(lái)確定，不同規(guī)格的鋁蜂窩具有不同的密度以及不同的力學(xué)性能，其造價(jià)也存在著較大的差異。

表1 鋁蜂窩、PET 泡沫與膠合板性能對(duì)比

2.3 PET 性能特點(diǎn)

PET 芯材是一種新型閉孔聚合物泡沫三明治板，具有良好的剪切、壓縮性能。傳統(tǒng)的PET 泡沫在生產(chǎn)時(shí)使用氟化物作為發(fā)泡劑，會(huì)對(duì)環(huán)境有一定的污染，最新的PET 發(fā)泡技術(shù)可以利用二氧化碳作為發(fā)泡劑，可以做到溫室氣體零排放，非常利于環(huán)保，如3A AIREX 系列產(chǎn)品。同時(shí)，在使用壽命內(nèi)可以長(zhǎng)時(shí)間承受100℃左右的高溫。PET 泡沫在使用過(guò)程中可以選擇不同的密度，一般密度越高力學(xué)性能越好，但重量和成本也越高。

2.4 鋁蜂窩、PET 與膠合板性能比較

常規(guī)25 型鐵路客車，地板多以膠合板為主，下面將鋁蜂窩、PET 泡沫復(fù)合材料的物理性能與膠合板進(jìn)行比較詳細(xì)見(jiàn)表1。

由表1 可見(jiàn)，鋁蜂窩和PET 泡沫在重量、力學(xué)性能等各方面都優(yōu)于膠合板，可以作為地板材料在軌道車輛領(lǐng)域推廣使用。

3 基于纖維層壓板為面層的復(fù)合材料地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 地板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

地板一般分塊鋪裝，最大幅寬1220mm×2440mm，設(shè)計(jì)總厚度多為18mm，結(jié)構(gòu)為2mm 面板+15mm 芯材+1mm 面板，結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。地板四周預(yù)埋鋁型材，以增加地板承載強(qiáng)度。安裝時(shí)地板只在車體兩側(cè)采用螺釘固定見(jiàn)圖2 所示，減少了地板自身的機(jī)械破壞。地板之間采用拼接形式連接，拼接處預(yù)埋型材。

圖1 夾芯地板結(jié)構(gòu)圖

圖2 地板安裝圖

3.2 地板強(qiáng)度分析

地板雖然不是重要設(shè)備部件，但是以現(xiàn)有的工藝水平檢修還比較麻煩，因?yàn)榈匕灏惭b屬于先工序，安裝順序在墻板、頂板、設(shè)備之后，使用過(guò)程中一旦出現(xiàn)問(wèn)題就要將地板上所有設(shè)備件拆除后才可進(jìn)行，因此地板強(qiáng)度至關(guān)重要。下面以某項(xiàng)目中地板結(jié)構(gòu)為例，采用Ansys 軟件來(lái)校核纖維層壓板為面層的復(fù)合材料地板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。

通常地板強(qiáng)度需滿足每平方米面積上能夠承載6kN 垂直載荷。以一塊尺寸為18mm×1180mm×1130mm 地板為例進(jìn)行分析，地板骨架采用5 道縱梁2 道橫梁組成，地板與兩側(cè)鋁梁采用結(jié)合約束，與中間鋁梁設(shè)定為摩擦。

進(jìn)一步提取兩種材料在垂向的撓度曲線，如圖5、圖6 所示，可以看出，鋁蜂窩芯材地板的垂向最大位移為0.004mm，PET 泡沫芯材地板的垂向最大位移為0.037mm，均小于地板允許變形經(jīng)驗(yàn)值2mm，因此地板結(jié)構(gòu)滿足剛度要求。

圖5 鋁蜂窩地板撓度曲線

圖6 PET 地板撓度曲線

3.3 地板隔音減振分析

有關(guān)試驗(yàn)表明，整個(gè)車輛外的聲場(chǎng)以地板處最大，因此地板的隔音降噪是減少車輛內(nèi)部噪聲的關(guān)鍵。夾芯復(fù)合材料芯材一般為多孔結(jié)構(gòu)，像鋁蜂窩為正六邊形蜂巢結(jié)構(gòu)，PET為高分子聚合物泡沫，聲波進(jìn)去后會(huì)發(fā)生反射，然后經(jīng)過(guò)聲波的疊加后，聲音就會(huì)衰減，進(jìn)而起到隔音降噪的作用。但是，材料的隔聲量與材料密度成正比而與客車輕量化存在矛盾。在地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般在地板與車體之間增加如隔音氈、三聚氰胺發(fā)泡等材料來(lái)增加隔音性能。

車輛運(yùn)行中引起地板振動(dòng)的因素很多，而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)本身對(duì)振動(dòng)的影響原因尚不明確。因此，為了減小地板的振動(dòng)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，地板下部一般布置彈性橡膠減振器。在地板受到?jīng)_擊產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，減振器可吸收能量進(jìn)而降低地板的振動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

以纖維層壓板為面層鋁蜂窩/PET 為芯材的復(fù)合材料應(yīng)用于軌道車輛地板結(jié)構(gòu)，就其本身的強(qiáng)度、剛度等性能而言，均可滿足車輛需求。而材料制造成本、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、安裝方式等因素成為制約其推廣的關(guān)鍵。在未來(lái)的應(yīng)用中，如果能采用高強(qiáng)度纖維代替地板內(nèi)部鋁型材骨架，地板整體重量會(huì)更輕更有利于車輛輕量化設(shè)計(jì)。夾芯復(fù)合材料在重量、強(qiáng)度等方面有一定優(yōu)勢(shì)，且可塑性好，成型容易。由于夾芯材料應(yīng)用范圍以及相關(guān)芯材性能的多樣化，還沒(méi)有一種材料能滿足所有設(shè)計(jì)的需求，只能是以現(xiàn)有的工藝水平或者成本選擇一種最適合的材料。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，在以后的發(fā)展過(guò)程中夾芯材料還面臨很大的挑戰(zhàn)，怎樣以低密度和低成本來(lái)實(shí)現(xiàn)比其他工程材料更高的性能，仍然存在許多挑戰(zhàn)。