复合材料是由两种或两种以上具有不同化学和物理性质的材料组成的材料。 复合材料由基体材料和增强材料组成,基体材料包括各种树脂或金属和非金属材料。 增强材料包括各种纤维材料或其他材料。 增强材料在复合材料中提供材料的刚度和强度,而基体材料则用于支撑和固定纤维材料、在纤维之间传递载荷、保护纤维等。 常见的复合材料有玻璃纤维复合材料(GFRP)、碳纤维复合材料(CFRP)等。 复合材料近年来发展迅速,因其优异的性能被广泛应用于航空航天、风力发电机叶片、运动休闲和汽车领域,特别是在轨道交通领域。 本文介绍了复合材料与传统材料相比的优势,分析了复合材料在轨道交通中的应用优势,梳理了复合材料在轨道交通各个领域的应用现状。
轨道交通中应用最广泛的纤维复合材料是碳纤维复合材料、破碎玻璃纤维复合材料和芳纶复合材料,与传统材料相比,它们在轨道车辆中具有许多应用优势。
2.1、重量轻,强度高。
随着轨道交通车辆运行速度的提高,对轨道车辆轻量化的要求也越来越高。 复合材料具有重量轻、强度高的特点,几种常见复合材料和金属材料的力学性能见表1,以碳纤维和铝为例,碳纤维的密度为16g cm3,密度仅为铝的57%,但强度是铝的36次。 在保证结构强度的前提下,碳纤维复合材料制成的结构件可以大大减轻重量。
2.2.阻燃性好。
轨道交通车辆安全的核心之一是防火,因为车厢是密闭空间,如果发生火灾而乘客不能及时逃生,材料的阻燃性能是一个重要指标。 复合材料可以在分子结构中加入硅、硼等阻燃元素,还可以在基体中加入阻燃剂,以提高材料的阻燃性,提高列车的防火安全性。
2.3.疲劳性好。
一般来说,金属材料的疲劳强度远小于其静态强度,而复合材料的疲劳强度和静态强度的差异很小。 金属材料在动载荷作用下产生的缺口容易膨胀,迅速形成裂纹:而复合材料由于其分层特性,不易在材料中扩散,不会出现长期变形,提高了结构的抗疲劳性。
2.4 高电阻。
与金属材料相比,复合材料还具有高抗性等特点,可以减少振动,保护车辆运行安全,降低车辆噪音,提高车辆舒适性,减少设备损坏。
2.5、腐蚀性好。
轨道交通车辆在运行时需要面对复杂的室外环境条件,金属材料的腐蚀一直是技术难点。 该复合材料具有良好的耐腐蚀性,可以很好地应对腐蚀问题,延长轨道车辆的使用寿命,降低维护成本。
2.6.良好的可设计性。
复合材料具有高比模量和高比强度的特点,力学性能变化范围广,通过复合基体、纤维的选择和材料成型工艺的改变,可以满足不同的设计要求。