复合材料

杜慧勇　吴鹤翔　王铁峰　李克纯　马博　房毓臣

摘 要：为了适应国内交通行业的高速发展，满足轻量化的设计的需求，以复合材料为代表的各种新型材料开始越来越多的应用在轨道交通行业。复合材料-三明治夹芯板目前已在国外交通行业上得到较为广泛的应用。本文对比其他复合材料，细述了复合材料-三明治夹芯板的结构特点及优势，展望了复合材料-三明治夹芯板在国内新研发轨道车辆及巴士上的应用。

关键词：复合材料；夹芯板；车辆轻量化；功能集成

1 引言

面对交通行业日益激烈的市场竞争，采用复合材料与粘接技术[1-2]，使多种材料完美结合，在不降低材料强度的条件下，实现车辆的轻量化要求，提高车辆的美观度与安全舒适性，是业内设计师们迫切追求的。

近年来，铝合金、纤维增强材料、合成树脂等复合材料逐步进入了交通行业。复合材料-三明治夹芯板以其设计灵活、方便，易成型，生产成本低、效率高等优势，脱颖而出，产业化趋势日趋明显。

2 国内现有车辆上使用复合材料的概况

2.1 概述

国内在交通行业上采用复合材料起步较晚，与发达国家相比有较大的差距。进入90年代以来，国家对车辆的轻量化、隔音降噪[3]、阻燃、节能环保以及美观度、舒适度等提出了更高要求，复合材料以集成多种功能的优势，开始在各种车辆上得到广泛应用。

目前，国内车辆上使用的复合材料主要有金属和非金属两大类。金属类主要有铝镁合金，铝合金等；非金属类主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨等；纤维增强材料主要有碳纤维、玻璃纤维等。复合材料在车辆上的应用范围主要包括：整体司机室、车顶及侧墙、内装、卫生间、蓄电池箱、地板、裙板、操作台、车门、窗框等非承载结构或低承载结构[4]。

2.2 国内车辆上使用的复合材料存在的问题

（1）金属类价格高，质量重；

（2）非金属类要么太软，要么太硬，或者成本高；

（3）纤维增强材料不利于循环利用及环保；

（4）设计及生产成本较高；

（5）各种特殊功能、性能兼顾难；

3 复合材料-三明治夹芯板的结构

三明治夹芯板是由多种金属或非金属材料依靠粘接技术复合而成的新型复合材料。三明治夹芯板一般由上下两层金属板及夹芯层材料组成的（见图1），金属板材料不同、金属板厚不同、芯层材料的不同或芯层材料厚度不同，制成的三明治夹芯板性能也不同。根据其性能不同，造价不同，在轨道车辆上的使用部位也不同。

复合材料-三明治夹芯板的金属上板（用于车辆外部）外部可以涂装油漆，增加防滑与绝缘的功能；也可以粘接铝合金型材，用于车辆外部设备的安装，金属上板内部可以通过粘接预埋件来局部加强复合夹芯板刚性，或用于复合夹芯板外部设备（空调、风道等）的安装接口。

复合材料-三明治夹芯板的金属下板（用于车辆内部）外部可以喷涂防火材料等涂料，内部可以粘接预埋件局部加强复合夹芯板的刚性，也可以用于车辆内部装饰板、灯槽、线槽与扶手杆等设备的安装接口。

复合材料-三明治夹芯板最薄可以做到3mm厚，称之为铝塑板，可用于车辆内部装饰；最厚可以做到40mm以上厚度，用于车辆顶盖；20～30mm左右厚度的复合夹芯板适用于车辆地板、侧墙板、裙板等。

4 复合材料-三明治夹芯板的优势

● 轻量化优势明显（见表1）；

● 优秀的抗腐蚀和抗疲劳性；

● 优秀的防烟火，隔热保温与隔声降噪特性；

● 表面防火和绝缘涂层；

● 功能集成；

● 模块化设计，预组装和粘结技术；

● 最小的工具设备投资；

● 易于维护和更换；

● 循环利用、环保；

5 復合材料-三明治夹芯板的应用

5.1 地板

5.1.1 利用三明治夹芯板制成车辆地板。

5.1.2 结合三明治夹芯板的优势，集成电加热地板。

5.2 侧墙

5.2.1 制成侧墙蒙皮，与侧墙骨架粘接后共同担负起车辆侧墙的功能。

5.2.2 三明治夹芯板内预埋铝合金型材，直接复合成型为结构侧墙。

5.3 车顶

5.3.1 车顶承载情况下（车顶须安装受电弓等），三明治夹芯板仅作为顶盖蒙皮，配合金属骨架粘接出复合材料顶盖。

5.3.2 车顶低承载情况下，车顶内部预埋管、线、铝合金型材等，集成出主体为三明治夹芯板的车辆顶盖。

5.4 复杂曲面的车辆前、后端

制成模具，利用模具复合出曲面复杂的车辆前、后端围板，与设计图符合度达95%。

5.5 裙板系统

车辆裙板一般为曲面或平面折弯结构，利用模具复合出的裙板，与设计图符合度达98%。

5.6 各种箱体与柜体的蒙皮；

夹芯板制成铝塑板作为箱体或柜体的蒙皮，达到提高外观平整度，轻量化的目的。

5.7 车辆司机室操作台的台面

若是25mm厚的司机室操纵台面板，外观平整度高且显得厚重，但实际重量轻，应能征服每位司机的心。

6 结语

复合材料-三明治夹芯板将逐步运用在各种轨道车辆及大巴车上，以其高强度、轻量化、功能集成、节能环保等特点步入大家的生活。中车大连机车车辆有限公司在160公里动力集中动车组动力车上采用复合材料-三明治夹芯板做机械间顶棚的装饰板，获得巨大成功，得到了铁路总公司的认可，该机械间内装结构已申报国家发明专利，并获得受理；中车四方股份有限公司供青海德令哈、广东佛山的有轨电车车顶板，是以三明治夹芯板为主材制造的，经运用考核，状态良好，目前车顶板已进入批量生产阶段。以复合材料-三明治夹芯板为主体的车辆大部件研制成功，将为轨道车辆、大巴车等车辆应用三明治夹芯板提供宝贵经验。

目前中车旗下各公司正在研发以复合材料-三明治夹芯板为主体的机车顶盖与动车顶盖；地板、电加热地板；磁浮列车的侧墙板及裙板。郑州宇通客车股份有限公司也正在积极研究复合材料-三明治夹芯板在新型大巴车上的应用。

未来几年，复合材料-三明治夹芯板在轨道交通行业的应用必将迅速形成产业规模，为人们出行提供更舒适的条件。

参考文献：

[1]魏培欣，宗艳，常虹，等.胶粘剂在轨道交通车辆上的应用[J].粘接，2016（1）：79-81.

[2]欧燕飞，李跃.浅析粘接体系的引入与实施[J].工程技术：文摘版，2016，13（9）：315.

[3]苏景顺；常用噪声评价量的比较[J]；噪声与振动控制；1999年02期.

[4]谭庆昌.机械设计[M].吉林科学技术出版社，2000：366-384.