夹芯复合材料在轨道交通领域的应用及研究进展

1 夹芯复合材料

夹芯复合材料是由上下两层高强度、 高模量的薄面板和中间较厚的轻质芯材组成的结构材料， 如图1 所示。夹芯结构与普通单一材料相比具有更高的弯曲强度和刚度， 且可以通过对芯材的选型，增加隔热、保温、降噪、吸声等附加功能。常用的夹芯复合材料有蜂窝夹芯复合材料、泡沫夹芯复合材料和中空夹芯复合材料等。

1.1蜂窝夹芯复合材料

蜂窝夹芯结构通常由两层或多层蒙皮之间夹以一层轻质蜂窝夹芯并采用胶黏剂在一定温度和压力下复合成一个整体刚性结构 （如图2）。蜂窝夹芯复合材料由于其选用了蜂窝材料及其特殊的结构形式， 扩宽了其应用的范围， 提升了其优势，蜂窝夹芯复合材料的特点为：质量轻， 比强度高，抗弯刚度高；具有较高的表面平面度， 且可以制备出形状复杂的曲面结构；可吸收震动能量， 具备隔声降噪、 减震等效果；具有复合材料的耐腐蚀、 绝缘性和环境适应性。

1.2 泡沫夹芯复合材料

泡沫夹芯复合材料是由两层面板和中间的泡沫芯层组成 （图3）， 在航空、 汽车、 建筑、运动器材等领域得到了广泛的应用。其特点是：具有很高的强度和刚度， 比其他材料更加耐用和可靠；具有很好的隔热性能， 在极端温度下仍然可以保持其性能；具有很好的吸能性能， 受到冲击或碰撞时， 泡沫芯层可以吸收能量， 并将其分散到整个结构中；具有很好的防火性能， 泡沫芯层不易燃烧，可以有效地减缓火势的蔓延。这使得泡沫夹芯复合材料在建筑和交通运输领域得到了广泛的应用。

1.3 中空夹芯复合材料

中空夹芯复合材料主要是由增强纤维通过纺织加工成一定结构形状的三维织物， 之后经过手糊成型或树脂传递模塑 （RTM） 成型工艺与树脂基体复合而成的一种新型复合材料（图4）。它的优点是：蒙皮与芯层一体成形，不分层与剥离，力学性能优异，长期使用不吸水、不开裂、不塌陷；结构可设计性强，纤维体系多样；夹层可填充泡沫、 预埋电线、 监控与电子元器件等；织物柔软， 可整体贴模仿形成型， 尺寸控制精度高，可最大限度减少拼接与补强，提升整体性能。

夹芯复合材料有轻质、高强、高刚度等特点（表3）， 可以有效降低车体重量、 提高车辆的能效。夹芯复合材料还具有良好的吸能性能， 可以在碰撞事故中起到保护作用；其良好的耐腐蚀性能，可以提高车辆的使用寿命。因此， 夹芯复合材料在轨道交通领域得到了广泛的应用， 用于制造轨道车辆车体结构件、车门、车顶、车厢隔音板等部件。

韩国 Hanvit 200 型列车就大量使用了夹芯结构 （图5）。列车车体上部结构采用夹芯结构， 具有质量轻、 弯曲刚度高、 隔热减振等特性。夹芯结构由碳纤维环氧树脂层板 （CF1263） 和铝蜂窝夹芯粘接而成， 其中铝蜂窝夹芯的芯材厚度为37mm， CF1263层板内、 外 表 层 的 厚 度 分 别 为1.5mm和 3.5mm， 纤维体积分数为 60% （图6）。为了保证车体的防火、隔声、隔热特性，Hanvit 200列车最外层采用具有耐高温特性的玻璃纤维层， 而车体内层采用由玻璃纤维酚醛树脂层板和芳纶蜂窝夹芯组成的三明治结构。同时， 为了防止火焰传播， 车体结构与内层之间布置了由玻璃纤维层/ 铝箔夹芯/玻璃纤维层组成的阻燃层， 其间还置入了具有良好降噪性的玻璃棉（图7）。

法国的 TGV 双层车体 （图8） 实现 CFRP车体结构的重大突破。CFRP双层车体标准模块，5m/节， 采用蜂窝夹层复合材料和真空袋压固化成形，较铝制车减重大于25%， 通过线路运行验证了CFRP 在强度、冲击、防火、降噪、隔热等性能方面的优点和工业可行性。

长客股份公司研制的新一代地铁车辆全碳纤维复合材料车体结构 （图9）， 车体的主体材料采用碳纤维预浸料和蜂窝芯材， 局部结构芯材采用泡沫芯材。为获得材料力学性能， 进行了不同铺层、不同温度、不同湿度和不同工艺的6000 多个样件的测试和十余项材料性能测试。测试结果表明， 所选材料各项性能均满足地铁车体的使用要求。车体采用 “静力覆盖疲劳” 和 “损伤无扩展” 的设计理念， 其设计和验证过程均参照航空工业复合材料制件研发流程， 并采用试样、 元件、细节件、组合件、全尺寸件等多层次的积木式设计验证过程设计而成。

2011年底在中车青岛四方股份落成的 500km/h高速试验车上采用了碳纤维复合材料 车 头 罩（图10）。导流罩利用中空织物整体成型，减重约50%，其内饰板采用玻璃纤维＋纸蜂窝结构，减重30%，其抗冲击性能和力学性能优良，能耐住1kg铝弹的660km/h 高速撞击和350KN的静载荷， 阻燃性能为S4级 (DIN5510-2)。此外，四方股份与恒神股份公司共同研制的城际动车组用碳纤维设备舱裙板已于2013年底装车试运行中。相比铝合金减重 ≥30%， 抗冲击性能优异 (UIC -651，未击穿)， 阻燃性能达到S3、SR2、ST2 级 (DIN5510-2)， 车体油漆划格达到 1 级水平。

夹芯复合材料作为一种重要的结构材料， 随着复合材料制备技术的不断发展， 在轨道交通以及航空航天、 汽车、 船舶、 建筑等领域的应用将更加广泛， 也仍有诸多难题需要去攻克。目前，在以下几个方面有待深入的研究。

（１）目前复合材料的规范、 标准以航空航天行业为主， 缺少轨道交通相关的内容， 通常在使用前需进行静强度、 疲劳试验以及动力学等一系列试验来验证其可靠性。转向架、 车体作为主要承载件， 复合材料的设计方法同样缺乏。后期应结合目前复合材料在轨道车辆的应用情况， 总结和整理适用于轨道交通行业的复合材料标准体系，同时应进行大量试验获取基础数据， 建立数据库，以支撑理论分析， 提高理论验证的精度。

（２）夹芯复合材料的设计仍然主要依赖于经验和试错， 而缺乏系统化的设计方法。因此， 需要研究如何利用计算机辅助设计等新技术， 提高夹芯复合材料的设计效率和精度，使得夹芯复合材料的设计更加精细化和个性化。

（３）夹芯复合材料的制造过程仍然存在一些问题， 如制造过程中的气泡、 缺陷等， 这些问题影响了夹芯复合材料的性能和质量。因此， 需要研究如何利用新的制造技术和工艺，提高夹芯复合材料的制造效率和质量。其次， 夹芯复合材料的制造需要更加高效和可控。

（４）夹芯结构在提升复合材料强度刚度的同时， 为其多功能化提供了更多的空间， 其多功能化将是未来的发展方向之一，包括智能、 传感、防护等多种功能的集成， 需要对多功能夹芯复合材料的功能化改性和夹芯结构的设计和制备进行研究， 以实现多种功能的集成。通过对夹芯复合材料从材料、 设计、 制造到评估更加深入和系统化的研究， 将会进一步提升夹芯复合材料的整体力学性能， 推动夹芯复合材料在更多领域的发展和应用。