城市轨道交通车辆车体隔热材料及其应用

0 引 言

城市轨道交通车辆上热传递方式主要有3种：热传导、对流和辐射。在车辆静止及运行过程中，热传递的三种方式是同时进行的。

热传导是固体中热传递的主要方式，车辆的热传导是通过车体铝结构以及与其接触的零部件进行的；靠液体或气体的流动来传热的方式叫做对流，气体的对流现象比液体更明显。车辆在静止及运行过程中，空气会通过车体结构的缝隙或空调进入车厢内部，从而产生空气的对流；热辐射是指受热物体以电磁辐射的形式向外界发射并传送能量的过程，物体温度越高，辐射越强。

车辆外部热源主要有：

(1)太阳的辐射；

(2)车下电气设备运行时产生的热量；

(3)空调机组运行时产生的热量。

车辆内部热源主要有：

(1)车内电气设备运行时产生的热量；

(2)乘客散发热量；

(3)空调出风口的热量。

为了减少车辆热传递给乘客带来的不适，减少车辆能量的损耗，提高能量的利用率，车体内外必须在适当位置铺上隔热材料。结合车辆的保温、防火要求，隔热材料还必须具有不燃、无毒、保温及吸声性能好等特点。

1 车辆车体隔热材料设计方法及安装方式

在早期的设计中，隔热材料是完全按照车体钢结构的实际分块进行绘制并标注所有尺寸，配套厂家按图样制作并进行编号，但在实际安装过程中对号非常困难，且因钢结构的误差往往造成尺寸配合不理想，后改为由设计图样规定各种不同厚度规格的总需要量，配套厂家现车测量、定制和安装，目前生产的各型客车均采用这种方式。从理论上看，这种简化设计的方法似乎不合要求，但实际效果比原设计方法好，有利于减少差错，加快生产进度和提高安装质量。

车体隔热材料一般都包有铝箔，安装要求是：严密、密贴、牢固；隔热材料接缝处须用铝箔胶带封边。安装方式主要有以下几种：

(1)防寒钉

采用接触焊把专用铁钉焊接或粘接在车体钢结构顶板或墙板上，穿透隔热材料和压铁再环头固定（见图1）。对于软质和硬质防寒材均采用过防寒钉固定方式。这种方式虽简易可行，但焊点对顶板或墙板腐蚀太大，容易脱落，经常造成返工。

图1 防寒钉

(2)粘接

用双面胶带或胶水等材料将防寒材粘接到车体上，车体侧墙、内部底架的隔热材料大多采用这种安装方式。

(3)压条固定

压条固定是指用铝板或钢板将隔热材料拉铆固定到车体上，一般用于车下隔热材料的固定，可以防止隔热材料在车辆运行过程中脱落，车体内部有运动机构或电气柜区域的隔热材料也可用压条固定以防止隔热材料脱落影响设备的正常工作（见图2）。

图2 隔热材料压条固定

车体隔热材料安装见图3。

图3 车体隔热材料安装

2 隔热材料介绍

2.1 超细玻璃丝棉

玻璃棉：由熔融玻璃制成的一种矿物棉（见图4）。

玻璃棉板：玻璃棉施加热固性粘结剂制成的具有一定刚度的板状制品。

图3 超细玻璃丝棉

2.1.1 基本特性

(1)在高、低温环境中均具有良好的保温性能；

(2)对中频到高频的各种声波、噪声均有良好的吸声效果；但由于其性脆易断，受潮后吸声性能下降严重；

(3)化学性质稳定，不变质，不腐烂，基本无老化现象，不燃烧，不产生有害气体及有毒物质，不易粉化，长期使用性能不变；

(4)玻璃丝吸湿率小，在潮湿条件下含水率低，具有良好的憎水作用。玻璃丝棉通气性能好，有防潮机能；

(5)质地坚挺，富有弹性，对任何方向的压力都具有良好的弹性恢复力；

(6)超细玻璃丝棉属于不燃材料，其氧指数＞50，在燃烧时发烟系数极低，基本无有害气体产生；

(7)超细玻璃丝棉的价格较低，其复合铝箔后防火阻燃性能可以提高，但成本均增加30%。

超细玻璃棉板的主要物理性能指标及试验方法见表1。

表1 超细玻璃棉板的主要物理性能指标及试验方法

2.1.2 使用情况

超细玻璃丝棉在车辆上使用非常广泛，是应用得比较早的隔热材料。可用于车顶、侧墙、端墙、底架等各个部位，由于超细玻璃丝棉呈棉絮状，对皮肤有刺痛感，所以超细玻璃丝绵隔热板都要外包铝箔（见图5），减少对工人的伤害。

图5 安装在车体上的超细玻璃丝绵板

2.2 三聚氰胺树脂发泡材料

三聚氰胺树脂发泡材料是以三聚氰胺树脂泡沫为原料得到的，三聚氰胺自身有很好的阻燃性，因此在生产过程中无需添加阻燃剂，在燃烧过程中产生的烟雾量小，且自动结焦不产生流滴，符合健康环保的要求，还具有良好的吸声性能（见图6）。

图6 三聚氰胺树脂发泡材料

2.2.1 性能参数

三聚氰胺树脂发泡材料的性能参数见表2。

表2 三聚氰胺树脂发泡材料的性能参数

2.2.2 使用情况

三聚氰胺泡棉也是常用隔热材料，常用在车体铝结构的车顶和端墙等部位，一般自带铝箔和背胶（见图7）。

图7 安装在车体上的三聚氰胺泡棉板

2.3 岩棉

又称岩石棉，是矿物棉的一种。以天然岩石如玄武岩、辉长岩、白云石、铁矿石、铝矾土及矿物等为主要原料，经高温熔化、纤维化而制成的蓬松状短细纤维（见图8）。

图8 岩棉

2.3.1 基本特性

(1)绝热性能：绝热性能好是岩棉、矿渣棉制品的基本特性，在常温条件下（25℃左右）它们的热导率通常在0.03～0.048W/mK之间；

(2)燃烧性能：岩棉、矿渣棉制品的燃烧性能取决于其中可燃性粘接剂的多少。岩棉、矿渣棉本身属无机质硅酸盐纤维，不可燃，在加工成制品的过程中，有时要加入有机粘接剂或添加物，这些对制品的燃烧性能会产生一定影响；

(3)隔声性能：岩棉、矿渣棉制品具有优良的隔声和吸声性能，其吸声机理是这种制品具有多孔性结构，当声波通过时，由于流阻的作用产生摩擦，使声能的一部分为纤维所吸收，阻碍了声波的传递。

(4)防潮性能：岩棉各项性能非常稳定，具有良好的防潮性能。

2.3.2 性能参数

岩棉的主要性能参数见表3。

表3 岩棉的性能参数

2.3.3 使用情况

目前上海6、8号线地铁车车体隔热材都是用的岩棉。

2.4 矿棉板

矿棉板是以矿渣棉或岩棉为主要原料加适量添加剂，经配料、成型及固化等工序加工而成，广泛用作城轨车辆隔热材（见图9）。

图9 矿棉板

2.4.1 基本特性

(1)降噪隔声性：矿棉板以矿棉为主要生产原料，而矿棉微孔发达，减少声波反射、消除回声、可隔绝噪声；

(2)防火性：防火是衡量隔热材好坏的一个重要特性，矿棉板以不燃的矿棉为主要原料制成，本身不会燃烧，是优秀的防火材料。

2.4.2 性能参数（见表4）

表4 矿棉板性能参数

2.4.3 使用情况

矿棉板对皮肤没有刺激性，比超细玻璃丝棉环保，广泛用作地铁轻轨整车防寒，如北京4号线、北京8号线、沈阳1号线、沈阳2号线、成都1号线、成都2号线等（见图10）。

图10 陶瓷纤维板在车体铝结构上的安装示意

2.5 橡胶发泡材料

橡胶发泡材料是以橡胶为主要原料经过发泡而成的柔性闭泡绝热材料。车辆上用的橡胶发泡材料主要为福乐斯（见图11）。

图11 橡胶发泡材料

2.5.1 基本特性

福乐斯呈灰色，无纤维粉尘，不含甲醛等工质，具有很低的导热系数（ 0 ℃ 时导热系数λ≤0.033W/mK）,同时具备超强的抗水汽渗透能力（湿阻因子μ≥12000）,材料的使用寿命更长、长期运行节能效果更明显、日常维修保养费用更低。福乐斯具备了优异的防潮阻湿性能，即使表面的局部破损，都不会削弱产品抵抗水汽渗透的能力，始终保证导热系数的长期稳定。

福乐斯有着优异的防火性能。根据中国建材防火等级标准GB8624, 福乐斯系列产品可达到难燃B级，符合国家建筑防火规范要求。

2.5.2 福乐斯的性能参数见表5

表5 福乐斯的性能参数

2.5.3 使用情况

福乐斯价格要比玻璃丝绵、岩棉板稍贵，一般仅用在车体排水管、空调机组平台、受电弓平台以及车窗周围型材外露空腔里，但在北车长客股份设计生产的100%低地板轻轨车上的隔热材都用的是福乐斯，这个要根据实际需要来选用。

图12 福乐斯在车体上的安装示意

2.6 陶瓷纤维绝热毯

陶瓷纤维绝热毯是由特制陶瓷纤维长丝经特别的双面针刺工艺加工而成，即使在加热后也保持良好的机械强度。低容重，低热容，大大缩短了窑炉的升温与降温时间；具有良好的抗拉强度、化学稳定性，抗侵蚀性、抗热性和吸声性能；裁剪与安装也很方便，（见图13）。

图13 陶瓷纤维绝热毯

2.6.1 基本特性

陶瓷纤维板最高使用温度1 000～1 600℃，由双面针刺而成，提高了纤维交织程度与抗分层性能；低导热率，良好的隔热性能，高温收缩小。

2.6.2 性能参数见表6。

表6 陶瓷纤维绝热毯性能参数

2.6.3 使用情况

陶瓷纤维板曾用于巴西1A地铁车司机室门区间壁，以及车体底架内外的隔热。

图14 陶瓷纤维板在车体铝结构上的安装示意

2.7 碳纤维

碳纤维：有机绝热纤维经碳化制成的纤维，是一种新型的节能材料，（见图15）。

图15 碳纤维

表7 碳纤维性能参数

2.7.1 基本特性

碳纤维是一种耐高温、耐磨损、耐腐蚀、低密度、高强度、低电阻、高模量、膨胀系数小、有较强的抗拉弹性的绝热保温材料，其用途十分广泛。

2.7.2 使用情况

碳纤维隔热材目前是运用于由南车四方股份联合日本川崎重工生产的CRH2 型动车组的地板、墙板和顶板上，在城轨车辆上还没有应用，可作为将来选用时的参考。

3 结 语

由于新材料层出不穷，可用于隔热的材料种类繁多，如何选用合适的隔热材来满足城轨车辆的使用，这需要设计人员不断进行市场开发，但随着时代的进步，在选择新材料时要把绿色环保和无害化处理放在头等重要的位置上，否则很难具有生命力。