地铁车辆玄武岩纤维轻量化地板的开发与应用

杨晓云 陈 飞

(中车南京浦镇车辆有限公司 江苏 南京 210031)

0 概述

传统客室地板(铝蜂窝地板)一般采用的是高强度合金铝板作为面板与底板，中间用高分子胶膜和改性环氧胶内粘硬度较高的六角形铝箔蜂窝芯，经辊压复合、加压高温复合而成，并在铝板表面施加装饰性或防腐蚀性涂层，按工程现场设计好的尺寸、形状和构造形式进行定做而加工成型的全铝结构装饰板材。下文介绍的玄武岩纤维PMI泡沫复合地板(简称“玄武岩地板”)在设计时，为不改变地铁地板的安装形式，在结构上仍然选用铝型材进行封边及安装，铝合金面板替换为玄武岩纤维树脂基复合板，芯材部分将铝蜂窝替换为PMI泡沫，并采用复合材料成型工艺制成[1-3]。

1 玄武岩地板研究的背景

传统客室地板(铝蜂窝地板)的主要性能特点有：极高的平整度、受力均匀、抗弯挠、抗压、无可燃物质、防火等级高、尺寸稳定、热膨胀系数低等，但其同时存在隔热效果不佳、易塌陷、易脱胶、可修复性差、重量较重等缺点，尤其在如今对于轨道车辆节能、减重、减排等安全环保要求越来越严苛的背景下，地铁客室地板急需优化产品原料、加工与组装工艺、维护与修补工艺等，进行地板产品更新换代。一种满足地铁客室地板新材料、轻量化、隔热减振效果加强的新型地板——玄武岩纤维地板(以下简称“玄武岩地板”)应运而生。

2 玄武岩地板的加工工艺研究

2.1 玄武岩纤维简介

玄武岩纤维(Continuous Basalt Fiber,简称CBF)在2002年被列入我国863高科技项目，作为一种新型的非金属增强材料，具有优异的保温隔热、吸音性、耐候性、防火性、耐酸碱、抗腐蚀、抗老化等性能。玄武岩纤维取自天然矿石而无任何添加剂，是一种无环境污染的、不致癌的绿色健康纤维产品。在国内已作为建筑保温材料、室内外装饰材料得到广泛应用，玄武岩纤维增强混凝土应用于道路及桥梁地面，现已用于跨海大桥、深水码头等。玄武岩纤维PMI泡沫(聚甲基丙烯酰亚胺硬质泡沫塑料)夹芯板用的是玄武岩纤维布，即将玄武岩纤维编织成平纹布，这种布的特点是交织点多，质地坚牢，挺刮，表面平整，较为轻薄，耐磨性好，透气性好。

2.2 PMI泡沫简介

PMI泡沫是一种轻质、闭孔的硬质泡沫塑料，它以甲基丙烯酸(MAA)和甲基丙烯腈(MAN)共聚物为基体树脂，PMI泡沫塑料具有热成形好、力学性能好、闭孔不吸水、抗化学腐蚀、能量吸收率高、抗冲击、疲劳寿命优异、绝缘隔音等卓越性能，尤其具有良好的成型加工性能，可以通过真空袋中低温共固化的工艺成型，作为夹层结构复合材料的芯层，是高性能夹层结构复合材料的理想芯层材料，现已经广泛用于航空航天、高级游轮、军事、电子等领域。

2.3 玄武岩纤维PMI泡沫复合地板加工工艺

玄武岩地板的主要组分为玄武岩纤维布(板)、PMI泡沫芯材、铝型材封边和阻燃环氧树脂。其中玄武岩纤维布和阻燃环氧树脂以预浸料的形式进入生产线，经过固化炉烘烤成为玄武岩面板。玄武岩纤维PMI泡沫夹芯板使用预浸料，即用环氧树脂在严格控制的条件下浸渍玄武岩纤维布，制成环氧树脂与玄武岩纤维布的组合物，是制造玄武岩地板的中间材料。

玄武岩地板的加工工艺为预浸料袋压工艺(见图1)，具体加工流程为：(1)准备原材料(PMI泡沫、玄武岩预浸料、铝型材)；(2)铺层(按产品结构将原材料依次平铺于模具上)；(3)抽真空(用真空袋密封产品，抽真空给予压力)；(4)烘烤固化(给予温度，使玄武岩预浸料固化完成黏结)；(5)后处理(切除工艺毛边，打磨，打孔等)。

预浸料袋压工艺的优势：(1)预浸料含胶量(树脂含量百分比)均匀可控，最终产品的质量均匀性较稳定； (2)阻燃成分分散均匀，不会像大部分阻燃树脂那样在抽真空使用过程中发生阻燃成分沉积等现象，造成阻燃的不均匀性进而影响阻燃效果；(3)预浸料使用方便，不可控因素较少，只需按尺寸需求进行裁切铺层即可。

图1 预浸料袋压工艺

3 玄武岩地板与铝蜂窝地板性能比对

3.1 产品例行试验性能数据比对

鉴于玄武岩地板暂无适用的标准依据，现使用铝蜂窝地板对应标准进行相应的试验，试验结果如表1所示。

表1 玄武岩地板性能参数对比

结合上表数据分析，除生产成本以及隔音效果外，玄武岩地板的其他各项性能指标均优于或等同于铝蜂窝地板，尤其在减重、隔热、防火、稳定性、组装工艺等方面更为优异。

3.2 地板布粘接剥离试验比对

地铁车辆地板的应用环境，很重要的部分是与地板布粘接，起到保护以及缓冲的作用。为验证粘接性能，与铝蜂窝地板做了对比分析。经打磨、清洁样板粘接面后，调配UK88 胶进行地板布粘接，粘接完成7天以后进行地板布剥离试验，试验数据如表2所示。

表2 地板剥离试验数据

由此可见，在相同的操作工艺要求下，玄武岩地板与地板布粘接后的剥离力更大，粘接更加可靠，不易脱胶。

4 玄武岩地板的组装与修补工艺

4.1 玄武岩地板的组装工艺

铝蜂窝地板替换为玄武岩地板，只是将铝合金面板替换为玄武岩纤维增强树脂板，将铝蜂窝替换为PMI泡沫，预埋及连接仍按照原有方式，不改变原有车体底架及地板两者的结构设计，装配过程和铝蜂窝地板工序一致，工艺流程如图2所示。

图2 铝蜂窝地板组装工艺流程

玄武岩地板已在杭州某项目试制车进行了整车试装，试装如图3、图4所示。由于重量较轻，安装过程搬运省力、调节方便，提高了组装工作效率，同时，由于玄武岩地板表面的玄武岩纤维采取的是预浸料树脂工艺，无须过多打磨即具有较高的光滑度，对于后续的地板布粘接直接大大减少了打磨工序的操作时间。

图3 玄武岩地板组装前

图4 玄武岩地板组装后

4.2 玄武岩地板的修补工艺

地铁客室地板的损伤评估应从4个方面考虑：损伤的部位、损伤的类型、损伤的影响和损伤的程度。根据这4个方面，再结合实际情况，确定部件损伤的可接受水平：接受、需修补、不可修补。对玄武岩地板等复合材料地板修理时要尽量少开孔，对于需要的制孔，要制成圆孔，如果需要方形孔则四角要呈圆弧形，以避免因尖角孔引起的应力集中。

地铁客室地板修补的原则：(1)等强度修理；(2)构件修理后的性能及耐久性不变；(3)修理后的构件增加的重量应最小，气动影响最小。

玄武岩地板的修补工艺方法通常有挖补法、贴补法、浇灌法三种。

4.2.1挖补法

如果产品出现塌陷，比较适合用挖补法。即用挖掉的方法清除损伤部位，然后再填补新的材料，适用于影响到芯材的损伤。此方法适用范围广、效果好，而且应力分布均匀，对地板表观影响小。(1)测量凹坑的长度L和深度d，根据测量结果和实际情况选择修补角a的大小，一般情况下，修补角a在10°～30°之间(见图5)；(2)计算需要挖掉部分的尺寸，这部分为圆台结构，高度为d，下直径为L，上直径为L+2d/(tana)；(3)挖掉该部分，打磨至待填补区域的形状较为规则；(4)用与原区域一样组成结构的修补块，配合专用粘接填充待填补区域。

图5 挖补法修补角

4.2.2贴补法

贴补胶接法比较适用于地板面板纤维层脱层和开胶的情况。因为不伤及芯材，只需将发生脱层/开

胶的损伤纤维面板替换成新制的固化面板，用常温树脂固化粘接即可。

4.2.3灌胶法

灌胶法则比较适用于发生裂缝损伤处，只需在裂缝处进行开孔灌胶处理，树脂流动填充裂缝并固化后即能满足性能要求(同时也适用于临时修补局部损伤情况)。

5 结束语

玄武岩地板作为一种新型材料，之前没有任何应用先例，应用到轨道交通行业尚无标准可循，目前暂时使用铝蜂窝地板的标准， 标准缺失造成玄武岩地板推广困难。铝蜂窝地板作为传统的金属材料，工艺成熟，生产过程机械化程度高，尺寸、平面度等容易控制，而玄武岩复合板生产过程需要更多的人力，机械化程度低，尺寸、平面度不易控制，造成良品率低下，产能较低的同时成本较高，此问题在玄武岩地板生产达到一定的量产数量、 增加自动化生产设备等条件下可以得到进一步改善。

玄武岩纤维PMI泡沫夹芯复合板采用绿色环保高科技新材料，利用特殊的复合材料成型工艺制备，是一种性能优异、绿色环保、安全耐久的新型复合材料，通过与目前传统轨道交通用材料各方面性能的对比，其具有明显的优势，为轨道交通的轻量化提供了新的方案。

在解决标准制定、生产成本等问题后，玄武岩纤维PMI泡沫夹芯凭借其重量轻、强度高、刚性大等优点，对减轻轨道车辆整体重量、降低噪声与振动、提高安全性与舒适性、减少维修等方面均有重要作用和意义，在轨道交通领域的应用情况将从非承载结构零件向承载构件，从零部件向大型结构件延伸扩展。