浅析城市轨道车辆内装轻量化新材料的应用

包 鸣（南车南京浦镇车辆有限公司动车设计部，江苏 南京 210031）

浅析城市轨道车辆内装轻量化新材料的应用

包 鸣
（南车南京浦镇车辆有限公司动车设计部，江苏 南京 210031）

摘 要：本文简要分析了城市轨道车辆内装系统中现有的材料与新型的材料，通过对比得出新材料在车辆轻量化设计中所能发挥的作用，新型材料应得到广泛的推广和应用。

关键词：轻量化新材料；聚碳酸酯；碳纤维材料；复合铝板

随着城市轨道交通的不断发展，节能、环保逐步成为关注的重点，而车辆的轻量化设计无疑是节能的一种有效方式。内装系统作为车辆的一个组成系统，在轻量化方面也应作出自己的贡献。城市轨道车辆内装系统是乘客进入列车后直观感知的系统，与乘客有着最直接的联系，譬如车窗、屏风、座椅、扶手等。内装系统的轻量化设计，通常从材料轻量化这方面入手考虑，新型材料的应用对内装系统的轻量化起到举足轻重的作用。

1 聚碳酸酯材料的应用

聚碳酸酯，即俗称的PC材料，与传统的玻璃相比，聚碳酸酯板材具有以下几方面的优势：

（1）轻量化优势：同等厚度面积的PC重量仅为玻璃的一半，减重效果明显。

（2）力学性能优势：作为由有机大分子链结构组成的PC材料，韧性和强度大大强于玻璃，主要体现在拉伸强度，冲击强度等方面。在实际的使用过程中，PC不会发生自爆，且受外力冲击不会崩碎，安全性更高。

（3）隔热性优势：PC k值较玻璃低10%左右，可以更好的隔绝冬天的热量损失以及夏天的热量传入。冬天或夏天空调环境中触碰感觉较玻璃来说，不会很凉。

（4）隔声性优势：阻隔分贝值较玻璃高10%左右，可以更好的隔绝噪音。

（5）抗划伤方面：经过硬化涂敷的PC材料，可接近于玻璃的抗划伤效果。

综上所述：聚碳酸酯材料在具有玻璃一系列性能特征的同时，重量仅为玻璃的一半，在轻量化方面优势巨大。内装系统的车窗、屏风、行李架均可以使用聚碳酸酯材料来代替现有的钢化玻璃。

图1 聚碳酸酯客室车窗

图2 聚碳酸酯行李架

图3 不锈钢拉丝扶手

图4 铝合金氧化扶手

2 NGC型铝合金型材的应用

目前城市轨道交通车辆上的扶手，材质多为不锈钢，重量较大。NGC型铝合金型材因其机械性能、防腐性能及成形焊接性能方面的特点，具备了替代不锈钢作为扶手基材的可能，使用铝合金扶手将比不锈钢扶手减重50%以上。

（1）NGC型铝合金型材的化学成分（表1）。

（2）NGC型铝合金型材的机械性能

表2可以看出NGC型合金的机械性能与目前国际高强度铝合金性能相近。

（3）NGC型铝合金型材的焊接性能（见表3）。

表3可以看出NGC型合金的焊缝强度达到母材的91.1%。

（4）NGC型铝合金型材的耐蚀性能（见表4）。

NGC型合金、防锈铝LF5合金、Us5083按《轻金属材料和加工手册》规定的快速腐蚀条件，用3%氯化钠+1%过氧化氢（重量比）作腐蚀介质，在25℃，全浸96小时，腐蚀速度对比：

（5）NGC型铝合金扶手的表面处理工艺：

为了提高铝合金扶手的表面硬度和耐磨性，通常还需进行硬质阳极氧化处理，氧化膜厚度在20μm，硬度（HV）3500MPa以上的称为硬质氧化膜，表面处理工艺顺序：机械抛光→拉丝→除油→清洗→化学抛光→水洗→中和→硬质阳极氧化→水洗→封孔→烘干。硬质阳极氧化膜受溶液组成、浓度、温度、电流密度等多种条件的影响，而其中影响最大的是温度。溶液温度越低，氧化膜的硬度就越高。

随着轨道交通车辆的不断创新发展，NGC型铝合金扶手在车辆上的应用必定会得到更加广泛的推广。

表1 高强耐蚀可焊铝合金型材成份

表2 NGC-Ⅰ-Ⅱ型高强铝合金力学性能

表3 NGC-Ⅰ型铝合金焊接性能

表4

表5

表6

3 碳纤维材料的应用

碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。

碳纤维不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维（GF）相比，杨氏模量是其3 倍多；它与凯芙拉纤维（KF-49）相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。

碳纤维密度不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3000MPa以上，是钢的7～8倍，抗拉弹性模量为23000～43000MPa亦高于钢。因此碳纤维增强复合材料的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000MPa/（g/cm3）以上，而A3钢的比强度仅为59MPa/（g/cm3）左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程机械的广阔应用前景。

目前城市轨道车辆上的司机室面罩所使用材料为玻璃纤维增强的热固塑料，该结构密度低，强度好，城轨车辆的面罩一般在250kg～320kg左右。为达到更轻量化的目的，可以采用碳纤维增强的热固塑料，碳纤维相比玻璃纤维而言密度更小，性能更加卓越。

如表5所示，碳纤维的密度约为钢的1/5，玻璃纤维的2/3，抗拉强度却能达到钢的7-8倍左右，玻璃纤维的2倍以上。

使用碳纤维替代玻璃纤维去制作地铁车辆的司机室面罩，在保证面罩相关性能要求的前提下，轻量化方面优势明显。随着轨道交通的不断发展，碳纤维在车辆内装件上的应用必将愈发广泛。

4 复合铝板的应用

复合铝板，又称铝塑复合板，是由多层材料复合而成，上下层为经过化学处理的涂装铝板 ，中间层为无毒低密度聚乙烯（PE）芯板，在专用铝塑板生产设备上加工而成的复合材料。

复合铝板具有如下所述的性能特点：

（1）剥离强度高

铝塑复合板最关键的技术指标-剥离强度，因特殊的复合工艺被提高到了极佳状态，使铝塑复合板的平整度、耐候性方面的性能都相应提高。

（2）防火性能卓越

铝塑板中间是阻燃的物质PE塑料芯材，两面是极难燃烧的铝板层，因此具有良好的防火性能。

（3）耐冲击性

耐冲击性强、韧性高、弯曲不损面漆。

（4）易保养

自清洁性好，只需用中性的清洗剂和清水即可，清洗后板材永久如新。

（5）材质轻

铝蜂窝板每平方米的重量在11kg左右，复合铝板每平方米的重量仅在3.5kg～5.5kg左右，轻量化优势明显。

城市轨道车辆的内装墙板基材通常有复合铝板、铝蜂窝板、玻璃钢等，其中复合铝板在满足结构强度、防火环保的前提下具有明显的轻量化优势。各种材质的内装墙板主要性能对比见表6。

综上所述，复合铝板作为内装墙板的一种新材料，应得到广泛的推广。

图5 溶液温度-硬度线性图

图6 复合铝板

结语

随着现代材料工艺的不断革新，新材料也是日新月异，城市轨道车辆的内装系统，还有很多的新材料可以应用，例如3D玻璃纤维复合地板、热塑墙板、麻纤维复合板、超薄软座椅、HPL防火板。新材料的应用，必将给城市轨道车辆内装系统的美观性、安全性、舒适性带来极大幅度的提升。

参考文献

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中图分类号：U465

文献标识码：A