什么是复合材料(复合材料的分类)

近年来，中国高铁在世界上大放异彩。在新一轮的产业规划中，高铁项目也占据了非常重要的议题。

对于高速铁路来说，所用材料的强度、疲劳性能、轻量化和工艺性应该有更高的水平，所以这里应用的新材料越来越多，现在一般在以下几个方面:

1.复合车身

复合材料已经应用到车辆上，而且用量越来越大，代表了未来的发展趋势。纤维增强树脂基复合材料(FRP)因其比强度(刚度)、耐疲劳性、耐腐蚀性、隔热性、阻燃性和可设计性强，于60年代在英国、日本和德国应用于非结构件，现在越来越多地应用于各种结构件，如车身前端和车头的FRP和芳纶纤维增强环氧树脂。目前在西欧，用于制造铁道车辆的复合材料中，玻璃纤维占58%，芳香族聚胺纤维占20%，碳纤维占20%，其他占2%。按树脂种类分，聚酯占35%，乙烯基酯占22%，环氧树脂占21%，酚醛树脂占15%，改性丙烯酸树脂占4%，其他占3%。

2.妖怪

转向架构架是一个特别重要的高强度部件，关系到整车的安全性。炮塔必须满足安全性、运行舒适性、耐磨性和易维护性的要求。车架由优质碳钢、低合金低碳高强度钢和耐候钢制成。最近的研究热点是高分子复合材料的框架和铝合金制造。

3.车辆内部和设备

车辆内部和设备主要包括装饰板、厕所、盥洗室、座椅和水箱等。，主要由铝合金和高分子材料制成。例如，装饰板是由一层不可燃的纤维增强塑料层压在铝合金上制成的。厕所、洗漱间、座椅、水箱也要考虑卫生、耐腐蚀，不燃的也是首选。

随着复合材料制造技术的发展，复合材料在铁路车辆制造业中的认识和理解的加深，以及铁路车辆制造业的技术进步，复合材料在铁路车辆中的应用范围正在逐步扩大，应用的复合材料种类、等级和技术水平也在不断提高。

接下来，边肖系统地介绍了专门应用于高铁的复合材料。

1.复合车身

已应用于现代铁路车辆的复合材料分类如下:

(1)刚性和半刚性不饱和聚酯树脂FRP

(2)酚醛树脂玻璃纤维增强塑料；

(3)高强度反应型阻燃不饱和聚酯树脂玻璃钢；

(4)添加阻燃不饱和聚酯树脂的玻璃钢强度略低；

(5)碳纤维材料。

产品分为:

(1)手工粘贴玻璃钢件；

(2)成型玻璃钢零件；

(3)夹层结构玻璃钢件；

(4)碳纤维制品。

玻璃钢在铁道车辆上的应用

1.玻璃钢在铁道车辆上的早期应用

玻璃钢在铁路车辆上的应用始于20世纪80年代，最早应用于国产140km/h速度低速电动车组。应用范围主要包括:

●内墙板；

●内顶板；

●装配式玻璃钢马桶；

当时主要的应用目标是节约木材而不是木材。使用的玻璃钢类型是不饱和聚酯树脂玻璃钢。

2.玻璃钢在铁道车辆上的批量应用

玻璃钢在铁路车辆上的批量应用及其逐渐成熟发生在20世纪90年代，主要用于制造铁路客车和城市轨道车辆:

●旅客房间的内墙板；

●内顶板；

●装配式玻璃钢马桶；

●整体式玻璃钢卫生间；

●整体玻璃钢卫生间；

● FRP 空空调风管和排废风管；

●座椅或座椅框架。

此时主要的应用目标已经从节材而不是用木转移到了提高车辆的档次上；使用的玻璃钢类型主要是不饱和聚酯树脂玻璃钢。

3.近年来，玻璃钢在轨道车辆上的应用

自本世纪初以来，玻璃钢已广泛应用于铁路车辆。除上述产品外，它还广泛用于制造业:

●车顶整流罩；

●新型屋顶风道；

●车内形状复杂的各种零件，包括三维曲面形状的内壁板和侧顶板；各种特殊形状的盖板；玻璃纤维蜂窝板；装饰件。

在这个阶段，玻璃钢应用的主要目标是制造具有特殊功能要求或复杂造型要求的零件。而且这一阶段使用的FRP的防火性能也有所提高。反应型和添加型阻燃不饱和聚酯树脂玻璃钢得到了广泛的应用，酚醛树脂玻璃钢的应用逐渐减少。

4.玻璃钢在高速动车组上的应用

玻璃钢在高速铁路动车组上的应用真正使其进入了成熟阶段。因为:

(1)玻璃钢用于制造功能特殊、形状结构复杂、重载下综合性能优良的零件，如玻璃钢整体流线型前部、前端开闭机构模块、车顶空气动整流罩等。

(2)模压玻璃钢(SMC)已得到广泛应用。

采用模压玻璃钢批量制造高速动车组乘客内墙板具有以下优点:

●零件尺寸精度高；

●制造质量和产品等级，

●实现了轻量化；

●适合工程量产。

(3)提高了玻璃钢在其他部位的应用水平。

●可根据需要制作各种纹理的零件；

●外观质量更好，零件形状和尺寸精度更高；

●表面颜色和图案可以同时调整。

这时候玻璃钢的应用包括实现特殊的功能和形状，承受一定的载荷，轻量化等更高层次的目标。

5.玻璃钢在铁道车辆应用中的问题。

在铁路车辆上应用FRP时出现了以下问题:

(1)制造质量差，形状和尺寸精度低，无论是形位公差还是尺寸公差都不是很大，甚至强烈变形翘曲，不能满足使用要求；

(2)强度低，性能不稳定，经常断裂开裂；

(3)耐久性差，经常引起翘曲变形；

(4)耐老化性能差，表面褪色、开裂；

(5)防火性能差，达不到铁路行业防火标准的要求；

(6)由于其较重的重量，很难将其应用于需要重量的结构。

6.玻璃钢在现代轨道车辆中的应用前景

(1)玻璃钢材料的特性

密度低，比强度高:相对密度在1.6 ~ 2.1g/cm3之间，仅为碳钢的1/4 ~ 1/5，但抗拉强度接近碳钢；

●良好的耐腐蚀性:对大气、水、常见酸、碱、盐、各种油和溶剂有良好的耐受性；

●热性能好:导热系数低，常温下1.25~1.67KJ/mhK，仅为金属的1/100~1/1000，隔热性好，适用于瞬间超高温，是理想的热防护材料。

●卓越的工艺性:可根据需要灵活选择成型工艺。工艺简单，可一次成型。对于形状复杂、成型困难、数量少的产品，工艺性优越。

●各向异性:不同方向力学性能差异明显，与其他工程结构材料仍有一定差距；

●环保性差:现阶段应用的玻璃钢材料仍难以降解回收，废弃零件形成不易处理的垃圾，污染环境。

(2)与其他非金属材料的比较

碳纤维在轨道车辆中的应用

1.碳纤维材料的特性

碳纤维具有密度低、强度和刚度高、不蠕变、抗疲劳性和耐腐蚀性好等一系列优点。它不仅是承载能力最强的复合材料，也是目前唯一可以替代金属材料成为结构材料的非金属复合材料。与铁道车辆常用的一些金属材料的一些力学性能进行对比，如下表所示。

通过一些指标的比较，可以看出碳纤维在一些性能指标上具有一定的优势；综合比较后可以看出，碳纤维还是有一些缺点的，尤其是各向异性和抗冲击性差。

2.碳纤维材料在现代轨道车辆中的应用

(1)在中国的应用

●到目前为止，碳纤维材料仅在我国早期试制的动力集中型动车组原型车上使用过，制造的产品是流线型车头中的前车钩头罩；

●使用碳纤维材料制造重载高速动车组车顶导流罩已有讨论，但已付诸实施。

(2)国外申请

●据非正式资料显示，国外正在研究应用碳纤维材料制造车身结构的承载部件，但目前还没有到实用阶段，所以没有公布有成果的资料。

3.碳纤维材料在现代轨道车辆中的应用前景

●作为一种结构材料，碳纤维的应用范围和主要目标应该是代替部分金属材料制造承受一定载荷的构件；

●由于目前碳纤维在轨道车辆上批量应用还没有经验和成熟的技术，其应用需要逐步推广；

●碳纤维近期的主要应用目标应该是制造一些次重要的承载零件或部件，如高强度流线型前头罩、车顶整流罩、行李架骨架、座椅骨架等。

●碳纤维的长期应用目标可以是制造铁路机车车辆或转向架构架中的一些承重部件。

●短期或长期应用目标是用作轻质结构材料。

磷酸(氢)锆可添加到PP、PE、PVC、ABS、PET、PI、尼龙、塑料、粘合剂、环氧树脂、纤维、精细陶瓷等高解析复合材料中，以增强材料的耐高温、阻燃、耐腐蚀、抗划伤、韧性和拉伸强度。