高速列车新型蜂窝壁板材料的研究现状

陆思晓　翟纯纯　胡增荣

摘 要：随着技术的发展，列车速度越来越快。为了高速运行的列车有更好的舒适度，减小对线路的破坏，减少维修工作量和提高运输效率，要求其质量越轻越好。如今高速铁路上运行的车辆的车体系统要占整个车辆质量的50%以上，所以大面积采用蜂窝夹层结构材料是减轻车辆主体质量的有效途径。文章介绍了蜂窝夹层结构材料的发展概况，研究了蜂窝夹层结构复合材料的力学性能；最后从蜂窝材料本身出发，对其性能进行讨论并与其他材料进行了简单比较。

关键词：高速列车；蜂窝材料；性能；现状

引言

蜂窝夹层结构源于蜜蜂的六边形蜂巢。在遥远的古希腊时期，数学家佩波斯就提出：蜂窝的六边形形状，充满了严谨的数学思想。这种呈六边形形状的蜂窝只需要采用很少量的蜂蜡就可以建成，当时人们就将这一猜想被称为“蜂窝猜想”。通过后人的研究证明，蜜蜂在建造蜂巢过程中采用了最少的蜂蜡，而蜜蜂所建造的空间却是最大的，而且它的结构稳定性也非常好。

经过长期研究自然蜂窝六边形结构的特点，人们成功研制出各种蜂窝结构复合材料，将蜂窝夹层结构用于新材料和新产品的研发，可以用来改善现有产品的特性，结构设计上遇到的困难也可以部分类比蜂窝结构来解决[1]。

蜂窝材料具有传统材料不具备的很多优点，逐渐受到很多领域的青睐。目前蜂窝夹层结构复合材料作为轻量化材料应用于航空领域的一些零部件。在铁路运输行业，蜂窝夹层结构的材料也逐渐被广泛的使用。

蜂窝夹层结构复合材料是由两片薄而强的面板、蜂窝芯子、粘合剂组成，根据所使用的蜂窝芯子的材料的不同，主要类型有纸芯型蜂窝夹层、铝合金芯蜂窝夹层和Nomex蜂窝夹层等不同夹层结构的蜂窝板。Nomex蜂窝夹层结构复合材料是一种性能优异的蜂窝材料，但是它的价格也较贵，过去常常用于航空领域。目前欧美发达国家，已经将普通纸蜂窝、铝蜂窝和Nomex蜂窝夹层结构复合材料用于轨道车辆上，并取得了良好效果。

比较遗憾的是，我国科研人员对蜂窝夹层结构复合材料的开发的开端相对较晚，而且其科研目的几乎都是與飞行领域相关的。最早，北航研究所就国内在制造直升机时机身所需的Nomex蜂窝只能依靠国外进口的瓶颈，对我国相对落后的蜂窝复合材料制造方法进行升级优化，制备出了性能更优异的蜂窝复合材料。在过去我国在轨道车辆上采用过普通的铝蜂窝夹层结构复合材料，随着我国科技进步，目前一些设计师开始将性能更好的Nomex蜂窝应用到高速列车列车上，但是由于价格贵，所以使用还很少[2]。

蜂窝复合材料拥有很多优良性能，决定了其在许多领域里的多样化应用。1960年左右，西方工业国家就早已广泛的将蜂窝板应用于建筑工程、海洋工程、家居设计等领域，但我国一直到九十年代左右才开始有应用于民用领域的趋势。目前，蜂窝板主要应用在飞机、轨道车辆车身、轮船、汽车和建筑等五个方面。

列车轻量化一直是设计师追求的一个目标，因为车体质量越大，在运行过程中受到的阻力就越大，如能减少车体自身质量，就可以大大减少为抵抗空气阻力所做的功，减少的能源消耗，同时还可以减少轨道的磨损和降低噪音。最初轻量化是在采用耐候钢和高强钢方面下功夫，之后又开始采用不锈钢，但是这都只能靠有限的提高强度和有限的减少腐蚀量以减低薄板的厚度，因此轻量化的效果是有限的，而且使加工和焊接难度变大。要大幅度减轻重量，必须采用轻合金，如采用合理截面的空心铝材、镁铝材料制造的蜂窝材料，将在大大提高强度及刚度的同时，减少质量并减少制造的难度[3]。

1 蜂窝板的发展概况

在二战初期，随着战况愈加严峻，飞机制造业发展迅猛，因此质量小、强度高、刚度大、稳定性好的材料备受青睐，以保证在战争中的领先地位。上世纪四十年代，Hill首先制造出了蜂窝夹层结构材料，他用巴隆木薄片芯子，用桃木单片做夹层面板。随后被用运用到“飞翼”型飞机上试验，并获成功。有了先例后，不甘示弱的美国科学家将木质的芯子与铝材黏合在一起，形成“铝木蜂窝夹层结构”。一直到二战末期，一种完全由金属制作的蜂窝夹层结构才问世，并在飞机的结构件上加以应用，其主要是铝镁合金。十几年后，塑料制造技术问世，由玻璃钢制作窝芯的蜂窝结构开始萌发。七十年代左右杜邦公司首次尝试芳纶纸蜂窝，也就是俗称的Nomex蜂窝，一举成名。到九十年代杜邦公司通过改变芳纶分子结构和改善浸胶方法，制造出了更为先进的Korex蜂窝。与此同时，日本的科学家在1990年研制出了钎焊铝蜂窝板。

我国在上世纪六十年代开始研制玻璃钢蜂窝板，其主要用于飞机的结构件，并取得了较大的进步。紧接着又开发了铝蜂窝、Nomex蜂窝，并成功应用在飞机的结构件上。

2 蜂窝材料的特性

纸芯型蜂窝、铝芯型蜂窝与Nomex蜂窝3种夹层结构在某些方面必然有些差异，但是它们都具有相似的基本特征。下面简单讨论一下3种蜂窝夹层结构复合材料所具有的基本特性：

（1）重量轻：由于蜂窝复合材料有着较小的密度，因此整体的质量会大幅度减小，在高速动车中结构部件的重量小就意味着运行、运输能力的提高与节能，所以蜂窝板必将在高速动车行业有着极大的发展前景。

（2）强度高：蜂窝板是由大量结构十分合理的工字梁结构组成。因此，蜂窝复合材料可以像结构合理的工字梁那样均匀的承载荷自各方面的载荷，这归功于其优异的抗压强度和减振性能。

（3）表面平整度高和高温稳定性好以及可塑性极好，是制作平面板、曲面板的首选材料，由它制成的结构部件拆装非常简便。

（4）高防腐性、绝缘性：适合应用于面临恶劣运行环境的高速列车[4]。

（5）蜂窝材料结构具有很好的弹性，可以吸收振动能量，从而降低噪音，提高隔声效果。

（6）根据国际联运防火标准UIC564-2-199l《铁路客车的防火和消防规则》，可以看出蜂窝夹层结构材料可以达到A级，这体现它的防火性能非常好。

（7）蜂窝夹层结构材料具有很好的自熄性、放热值较低，遇到火灾后烟密度符合高等级的国际铁路防火标准能够形成耐火层，它能吸收一部分燃烧释放出的有毒气体。

（8）有良好的成型性，列车内部有些复杂同时又要求其稳定性好的的零件可以用它来制成。

（9）蜂窝夹层结构材料较少使用铆接，所以减少了应力集中，提高了抗疲劳强度[5]。

3 蜂窝板力学性能研究现状

由于航天工业率先开始使用蜂窝复合材料，国内外专家一直对蜂窝夹层结构复合材料的微观和整体结构进行不断探索。在蜂窝板的众多性能中，平面压缩性能和抗弯曲性能最为突出。

3.1 蜂窝板平压性能研究现状

总结众多研究人员对其平压性进行的实验可知如下结论：

（1）综合考虑芯材的密度及抗压强度，用镁合金作为蜂窝夹层结构的芯材的强度和刚度要比铝合金芯材高；

（2）六边形蜂窝芯子的压缩强度和抗压刚度与其边长成反比，

壁厚成正比；

（3）蜂窝夹层结构的厚度越厚，它的抗压强度会随之增大，但是当夹板的厚度增加到一定峰值，它的平压强度的变化就不那么显著了；

（4）单芯蜂窝夹层结构材料的抗压强度和刚度均强于双芯夹层结构[6]。

3.2 蜂窝板的弯曲性能研究现状

在很多恶劣工作条件下，蜂窝夹层结构要承受较大的弯曲形变，且因为弯曲形变给夹板带来的变形包含受压和受拉两种形变，局部区域受形变程度较为特殊，因此研究蜂窝夹层结构在弯曲形变时的变化也是其性能研究的主要任务之一。经研究发现镁芯蜂窝夹层结构的弯曲性能有着几种不同的损坏阶段，主要有局部芯体剪切、压入弯曲和面板胶层脱胶三种阶段，这主要是因为镁合金芯材的最大剪切强度远大于蜂窝夹板用胶的胶结强度。因此，增加胶结剂的粘合能力，选择符合实际的芯材尺寸是提高蜂窝夹层结構的抗弯强度和抗弯刚度的两种主要方法[7]。

4 蜂窝夹层结构复合材料与其他结构材料的对比

4.1 抗弯刚度与轻量化

从表1可以看出蜂窝夹层结构材料的抗弯能力比其它部分列车常用非金属材料要高很多，而且蜂窝夹层结构相同面积的质量更小。

4.2 防火性能

如表2所示，蜂窝夹层结构复合材料的防火性远远高过其他列车结构复合材料，由此可见，蜂窝夹层结构复合材料的防火能力非常强。

4.3 稳定性

一些复杂弯曲形面零部件采用蜂窝夹层结构复合材料制造的话，可以保持形状的长期稳定，而有些零件是用塑性材料、玻璃钢和其他工程塑料成型制造的，时间一长，它们的形状或多或少会有改变。塑性材料在高温和高湿度的环境下，表面受侵蚀严重，结构部件受损，由玻璃钢和其他工业塑料制成的结构零件还会发生老化现象。那些用工程塑料成型制造的零部件10年左右有的甚至7、8年的时候就需要检查，不符合要求的需要更换，而那些用蜂窝夹层结构复合材料制作的零部件可以达到20年以上甚至更久，这既降低了成本也节约了很多资源。

4.4 环境适应性

蜂窝夹层结构复合材料在不同的环境下能保持性能稳定，不会发生变形、损坏、老化等问题。这是其他工业塑料所不具备的。在一些复杂环境中其他工业塑料的应用将会受到很大限制，而蜂窝夹层结构复合材料的应用就可以很好的弥补其他材料在这这些领域里的缺点。

4.5 隔声减振性

相较于其他工程材料，蜂窝夹层结构复合材料具有更好的回弹性，使其可以更多地吸收振动能量，因此在隔声减振方面有很广泛的应用前景。所以，蜂窝复合夹层材料常被用于制造客室地板、空调风道等零部件，以充分发挥其隔声、减振的效果[8]。

5 结束语

作为举足轻重的先进材料，蜂窝夹层结构复合材料在航空航天业上早已大规模应用，发达国家在轨道车辆的车体上也有所应用，因其密度低，比强度高，尤其是抗弯刚度高等突出的优异性，其用途逐渐变的更加广泛。在使用蜂窝夹层结构复合材料设计生产轨道车辆车体和客、货车的结构件的时候，主要需要注意两个重点：首先是根据实际情况科学地设计蜂窝板的蜂窝芯子结构，选择适当的芯材厚；其次是在采用该材料在设计制造用于承受高载荷工况的结构部件时，要格外重点考虑蜂窝板的各向异性。除了考虑以上两个主要问题之外，还要按照实际设计要求及结构需要来处理好其他次要问题。

参考文献

[1]张广平，戴干策.复合材料蜂窝夹芯板及其应用[J].纤维复合材料，2000（2）：26-27.

[2]李勇.直升机用Nomex蜂窝研究[J].航空材料学报，1996，3（1）：47-54.

[3]王玉瑛，吴荣煌.蜂窝材料及孔格结构技术的发展[J].航空材料学报，2000，20（3）：172-177.

[4]郭建明，胡鹏飞，向晓龙，等.蜂窝铝板剥离强度的研究[J].装饰装修材料，2003，8：53-54.

[5]迎春.镁合金蜂窝板的制备及力学性能研究[D].大连交通大学，2009.

[6]朱峰，陈琼，吕原君.基于FEA的单蜂窝芯压溃分析[J].广西轻工业，2008（1）.

[7]范秋习.蜂窝夹层复合材料[J].北京轻工业学院学报，1998，16（2）：77-78.

[8]赵稼祥.新型高性能蜂窝芯KOREX[J].宇航材料工艺，1996（5）：58-59.