楊曉云 陳 飛

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 210031)

0 概述

傳統(tǒng)客室地板(鋁蜂窩地板)一般采用的是高強(qiáng)度合金鋁板作為面板與底板，中間用高分子膠膜和改性環(huán)氧膠內(nèi)粘硬度較高的六角形鋁箔蜂窩芯，經(jīng)輥壓復(fù)合、加壓高溫復(fù)合而成，并在鋁板表面施加裝飾性或防腐蝕性涂層，按工程現(xiàn)場設(shè)計(jì)好的尺寸、形狀和構(gòu)造形式進(jìn)行定做而加工成型的全鋁結(jié)構(gòu)裝飾板材。下文介紹的玄武巖纖維PMI泡沫復(fù)合地板(簡稱“玄武巖地板”)在設(shè)計(jì)時(shí)，為不改變地鐵地板的安裝形式，在結(jié)構(gòu)上仍然選用鋁型材進(jìn)行封邊及安裝，鋁合金面板替換為玄武巖纖維樹脂基復(fù)合板，芯材部分將鋁蜂窩替換為PMI泡沫，并采用復(fù)合材料成型工藝制成[1-3]。

1 玄武巖地板研究的背景

傳統(tǒng)客室地板(鋁蜂窩地板)的主要性能特點(diǎn)有：極高的平整度、受力均勻、抗彎撓、抗壓、無可燃物質(zhì)、防火等級高、尺寸穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)低等，但其同時(shí)存在隔熱效果不佳、易塌陷、易脫膠、可修復(fù)性差、重量較重等缺點(diǎn)，尤其在如今對于軌道車輛節(jié)能、減重、減排等安全環(huán)保要求越來越嚴(yán)苛的背景下，地鐵客室地板急需優(yōu)化產(chǎn)品原料、加工與組裝工藝、維護(hù)與修補(bǔ)工藝等，進(jìn)行地板產(chǎn)品更新?lián)Q代。一種滿足地鐵客室地板新材料、輕量化、隔熱減振效果加強(qiáng)的新型地板——玄武巖纖維地板(以下簡稱“玄武巖地板”)應(yīng)運(yùn)而生。

2 玄武巖地板的加工工藝研究

2.1 玄武巖纖維簡介

玄武巖纖維(Continuous Basalt Fiber,簡稱CBF)在2002年被列入我國863高科技項(xiàng)目，作為一種新型的非金屬增強(qiáng)材料，具有優(yōu)異的保溫隔熱、吸音性、耐候性、防火性、耐酸堿、抗腐蝕、抗老化等性能。玄武巖纖維取自天然礦石而無任何添加劑，是一種無環(huán)境污染的、不致癌的綠色健康纖維產(chǎn)品。在國內(nèi)已作為建筑保溫材料、室內(nèi)外裝飾材料得到廣泛應(yīng)用，玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土應(yīng)用于道路及橋梁地面，現(xiàn)已用于跨海大橋、深水碼頭等。玄武巖纖維PMI泡沫(聚甲基丙烯酰亞胺硬質(zhì)泡沫塑料)夾芯板用的是玄武巖纖維布，即將玄武巖纖維編織成平紋布，這種布的特點(diǎn)是交織點(diǎn)多，質(zhì)地堅(jiān)牢，挺刮，表面平整，較為輕薄，耐磨性好，透氣性好。

2.2 PMI泡沫簡介

PMI泡沫是一種輕質(zhì)、閉孔的硬質(zhì)泡沫塑料，它以甲基丙烯酸(MAA)和甲基丙烯腈(MAN)共聚物為基體樹脂，PMI泡沫塑料具有熱成形好、力學(xué)性能好、閉孔不吸水、抗化學(xué)腐蝕、能量吸收率高、抗沖擊、疲勞壽命優(yōu)異、絕緣隔音等卓越性能，尤其具有良好的成型加工性能，可以通過真空袋中低溫共固化的工藝成型，作為夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的芯層，是高性能夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的理想芯層材料，現(xiàn)已經(jīng)廣泛用于航空航天、高級游輪、軍事、電子等領(lǐng)域。

2.3 玄武巖纖維PMI泡沫復(fù)合地板加工工藝

玄武巖地板的主要組分為玄武巖纖維布(板)、PMI泡沫芯材、鋁型材封邊和阻燃環(huán)氧樹脂。其中玄武巖纖維布和阻燃環(huán)氧樹脂以預(yù)浸料的形式進(jìn)入生產(chǎn)線，經(jīng)過固化爐烘烤成為玄武巖面板。玄武巖纖維PMI泡沫夾芯板使用預(yù)浸料，即用環(huán)氧樹脂在嚴(yán)格控制的條件下浸漬玄武巖纖維布，制成環(huán)氧樹脂與玄武巖纖維布的組合物，是制造玄武巖地板的中間材料。

玄武巖地板的加工工藝為預(yù)浸料袋壓工藝(見圖1)，具體加工流程為：(1)準(zhǔn)備原材料(PMI泡沫、玄武巖預(yù)浸料、鋁型材)；(2)鋪層(按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)將原材料依次平鋪于模具上)；(3)抽真空(用真空袋密封產(chǎn)品，抽真空給予壓力)；(4)烘烤固化(給予溫度，使玄武巖預(yù)浸料固化完成黏結(jié))；(5)后處理(切除工藝毛邊，打磨，打孔等)。

預(yù)浸料袋壓工藝的優(yōu)勢：(1)預(yù)浸料含膠量(樹脂含量百分比)均勻可控，最終產(chǎn)品的質(zhì)量均勻性較穩(wěn)定； (2)阻燃成分分散均勻，不會像大部分阻燃樹脂那樣在抽真空使用過程中發(fā)生阻燃成分沉積等現(xiàn)象，造成阻燃的不均勻性進(jìn)而影響阻燃效果；(3)預(yù)浸料使用方便，不可控因素較少，只需按尺寸需求進(jìn)行裁切鋪層即可。

圖1 預(yù)浸料袋壓工藝

3 玄武巖地板與鋁蜂窩地板性能比對

3.1 產(chǎn)品例行試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)比對

鑒于玄武巖地板暫無適用的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，現(xiàn)使用鋁蜂窩地板對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 玄武巖地板性能參數(shù)對比

結(jié)合上表數(shù)據(jù)分析，除生產(chǎn)成本以及隔音效果外，玄武巖地板的其他各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于或等同于鋁蜂窩地板，尤其在減重、隔熱、防火、穩(wěn)定性、組裝工藝等方面更為優(yōu)異。

3.2 地板布粘接剝離試驗(yàn)比對

地鐵車輛地板的應(yīng)用環(huán)境，很重要的部分是與地板布粘接，起到保護(hù)以及緩沖的作用。為驗(yàn)證粘接性能，與鋁蜂窩地板做了對比分析。經(jīng)打磨、清潔樣板粘接面后，調(diào)配UK88 膠進(jìn)行地板布粘接，粘接完成7天以后進(jìn)行地板布剝離試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 地板剝離試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由此可見，在相同的操作工藝要求下，玄武巖地板與地板布粘接后的剝離力更大，粘接更加可靠，不易脫膠。

4 玄武巖地板的組裝與修補(bǔ)工藝

4.1 玄武巖地板的組裝工藝

鋁蜂窩地板替換為玄武巖地板，只是將鋁合金面板替換為玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂板，將鋁蜂窩替換為PMI泡沫，預(yù)埋及連接仍按照原有方式，不改變原有車體底架及地板兩者的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝配過程和鋁蜂窩地板工序一致，工藝流程如圖2所示。

圖2 鋁蜂窩地板組裝工藝流程

玄武巖地板已在杭州某項(xiàng)目試制車進(jìn)行了整車試裝，試裝如圖3、圖4所示。由于重量較輕，安裝過程搬運(yùn)省力、調(diào)節(jié)方便，提高了組裝工作效率，同時(shí)，由于玄武巖地板表面的玄武巖纖維采取的是預(yù)浸料樹脂工藝，無須過多打磨即具有較高的光滑度，對于后續(xù)的地板布粘接直接大大減少了打磨工序的操作時(shí)間。

圖3 玄武巖地板組裝前

圖4 玄武巖地板組裝后

4.2 玄武巖地板的修補(bǔ)工藝

地鐵客室地板的損傷評估應(yīng)從4個(gè)方面考慮：損傷的部位、損傷的類型、損傷的影響和損傷的程度。根據(jù)這4個(gè)方面，再結(jié)合實(shí)際情況，確定部件損傷的可接受水平：接受、需修補(bǔ)、不可修補(bǔ)。對玄武巖地板等復(fù)合材料地板修理時(shí)要盡量少開孔，對于需要的制孔，要制成圓孔，如果需要方形孔則四角要呈圓弧形，以避免因尖角孔引起的應(yīng)力集中。

地鐵客室地板修補(bǔ)的原則：(1)等強(qiáng)度修理；(2)構(gòu)件修理后的性能及耐久性不變；(3)修理后的構(gòu)件增加的重量應(yīng)最小，氣動影響最小。

玄武巖地板的修補(bǔ)工藝方法通常有挖補(bǔ)法、貼補(bǔ)法、澆灌法三種。

4.2.1挖補(bǔ)法

如果產(chǎn)品出現(xiàn)塌陷，比較適合用挖補(bǔ)法。即用挖掉的方法清除損傷部位，然后再填補(bǔ)新的材料，適用于影響到芯材的損傷。此方法適用范圍廣、效果好，而且應(yīng)力分布均勻，對地板表觀影響小。(1)測量凹坑的長度L和深度d，根據(jù)測量結(jié)果和實(shí)際情況選擇修補(bǔ)角a的大小，一般情況下，修補(bǔ)角a在10°～30°之間(見圖5)；(2)計(jì)算需要挖掉部分的尺寸，這部分為圓臺結(jié)構(gòu)，高度為d，下直徑為L，上直徑為L+2d/(tana)；(3)挖掉該部分，打磨至待填補(bǔ)區(qū)域的形狀較為規(guī)則；(4)用與原區(qū)域一樣組成結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)塊，配合專用粘接填充待填補(bǔ)區(qū)域。

圖5 挖補(bǔ)法修補(bǔ)角

4.2.2貼補(bǔ)法

貼補(bǔ)膠接法比較適用于地板面板纖維層脫層和開膠的情況。因?yàn)椴粋靶静模恍鑼l(fā)生脫層/開

膠的損傷纖維面板替換成新制的固化面板，用常溫樹脂固化粘接即可。

4.2.3灌膠法

灌膠法則比較適用于發(fā)生裂縫損傷處，只需在裂縫處進(jìn)行開孔灌膠處理，樹脂流動填充裂縫并固化后即能滿足性能要求(同時(shí)也適用于臨時(shí)修補(bǔ)局部損傷情況)。

5 結(jié)束語

玄武巖地板作為一種新型材料，之前沒有任何應(yīng)用先例，應(yīng)用到軌道交通行業(yè)尚無標(biāo)準(zhǔn)可循，目前暫時(shí)使用鋁蜂窩地板的標(biāo)準(zhǔn)， 標(biāo)準(zhǔn)缺失造成玄武巖地板推廣困難。鋁蜂窩地板作為傳統(tǒng)的金屬材料，工藝成熟，生產(chǎn)過程機(jī)械化程度高，尺寸、平面度等容易控制，而玄武巖復(fù)合板生產(chǎn)過程需要更多的人力，機(jī)械化程度低，尺寸、平面度不易控制，造成良品率低下，產(chǎn)能較低的同時(shí)成本較高，此問題在玄武巖地板生產(chǎn)達(dá)到一定的量產(chǎn)數(shù)量、 增加自動化生產(chǎn)設(shè)備等條件下可以得到進(jìn)一步改善。

玄武巖纖維PMI泡沫夾芯復(fù)合板采用綠色環(huán)保高科技新材料，利用特殊的復(fù)合材料成型工藝制備，是一種性能優(yōu)異、綠色環(huán)保、安全耐久的新型復(fù)合材料，通過與目前傳統(tǒng)軌道交通用材料各方面性能的對比，其具有明顯的優(yōu)勢，為軌道交通的輕量化提供了新的方案。

在解決標(biāo)準(zhǔn)制定、生產(chǎn)成本等問題后，玄武巖纖維PMI泡沫夾芯憑借其重量輕、強(qiáng)度高、剛性大等優(yōu)點(diǎn)，對減輕軌道車輛整體重量、降低噪聲與振動、提高安全性與舒適性、減少維修等方面均有重要作用和意義，在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用情況將從非承載結(jié)構(gòu)零件向承載構(gòu)件，從零部件向大型結(jié)構(gòu)件延伸擴(kuò)展。