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1、2013 年中国阻燃学术年会论文 安徽 黄山 293聚合物基复合材料在列车构件中的应用*张丽荣1, 刘小霞1, 朱伟2, 陈丽雯2(唐山轨道客车有限责任公司，研究中心 1, 产品研发中心 2 河北省 唐山市 063035) 摘 要 本文简介了高速列车用复合材料低成本制备技术 真空导入模塑工艺，阐明了研究列车用复合材料阻燃性能的必要性并介绍了聚合物阻燃机理。探讨了聚合物基复合材料在列车构件制备中的应用现状及发展前景。 关键词 高速列车，复合材料，阻燃，真空导入模塑工艺 1 引言 自 20世纪 90年代以来 ,为适应国民经济的快速发展，中国铁路开始了全面提速。列车的高速化 ,必须实施车辆的轻量化。
2、轻量化的主要途径之一是采用轻型高强度的新材料。目前高速列车车体采用的材料有耐候钢、不锈钢、铝合金和复合材料等。随着列车速度的不断提高，车体轻量化成为列车制造的热点话题，也成为列车研制的关键技术的重点之一1。聚合物基复合材料相比传统材料具有许多优点，如：可设计性、高比强度、高比模量、耐腐蚀、工艺性能好等，成为下一代高速列车制备的理想材料2。利用高性能玻璃纤维复合材料夹层结构制造的机车车体，重量比传统钢制结构轻 25%35%3；利用碳纤维增强聚合物基复合材料制造的车体，比铝合金车体减重 30%4。聚合物基复合材料应用于机车车体的制备能够很大程度的减轻机车重量，可以为机车轻量化做出很大贡献，有助于列
3、车的高速化。列车的高速化，要求列车车体结构具有流线性，呈现出航空结构的特点5。传统的金属材料，如铝合金拉挤板，由于制备工艺的限制，难以满足车体流线性的要求。而聚合物基复合材料，可以根据模具的形状，制备出复杂曲面结构制件，能很好的满足机车车体流线性的要求，制造出具有优异空气动力学性能的机车车体，提高列车运行的平稳性和舒适度。且其制造工艺接近净近成型，制造的产品无需进行机械加工，生产效率高，制造成本低。玻璃纤维增强的聚合物基复合材料，具有优异的电气绝缘性能，能够用来制备机车绝缘构件和车内饰件，如绝缘机车车顶盖和车厢内天花板、地板等。相对于传统金属原材料，可以减少车内绝缘件和绝缘油漆的使用，从而增大
4、车内的有效空间，减少对环境的污染。聚合物基复合材料有较大的比模量，使列车车体具有极好的抗冲击能力和阻尼减震性能，为列车的稳定化、安全化和轻量化提供了性能保证。聚合物基复合材料还具有降噪减震、隔音绝热等特性，能减少噪音污染，提高列车舒适度。聚合物基复合材料在制备过程中，可以加入阻燃剂和芳香剂等添加助剂，起到阻燃和改善车内空气环境的作用。 2 列车用复合材料低成本制备技术 真空导入模塑工艺（ Vacuum Infusion Molding Process）简称 VIMP工艺，又称 SCRIMP工艺（ Seemann Composite Resin Infusion Molding Process）
5、，是近年来在 RTM工艺基础上发展起来的一种新颖而特殊的复合材料成型工艺，是一种适合于大尺寸复合材料制件制备的低成本液体模塑成型的新型技术，已成功运用于舰船、航空和民用工业、军事设施、国防工程等领域，在铁道交通上也得2013 年中国阻燃学术年会论文 安徽 黄山 294到了广泛推广。其工艺原理，如图 1所示：在单面刚性模具上包覆柔性真空袋膜、密封纤维增强材料，利用真空负压排除模腔中的气体，使树脂渗透、流动，实现树脂对纤维及其织物的浸渍，并在室温或加热条件下直接固化成型3，制备出所需形状和尺寸能满足使用需求的聚合物基复合材料的过程。 VIMP 工艺的基本流程主要包括：刚性模具的设计、制备及处理；增
6、强体材料、辅材及柔性模具的铺放、封装；聚合物基体的配制及真空吸注；室温或加热条件下保压固化；脱模及后处理，获得制品。 图 1 VIMP 工艺原理示意图 VIMP工艺作为一种特殊的液体模塑成型工艺，具有其自身的特殊性和技术优势。与其它的复合材料制备工艺相比，该工艺具有如下的优点： （ 1）只需单面刚性模具，真空袋膜封装，真空负压吸注树脂，可在常温下固化。模具要求及制造成本低，便于大型模具的开发；密封成型，环境污染少；设备要求简单，投资小；常温或低热环境操作，工作环境好4。与模压、缠绕和热压罐工艺相比， VIMP 工艺不受设备吨位及尺寸的限制，适合于大尺寸构件的低成本制备。 （ 2）负压成型，孔隙
7、率低，纤维体积分数高，制品机械性能好。材料孔隙率越低抗电击穿能力越强，因此 VIMP 工艺能适合于大尺寸复合材料工程电介质的制备，如机车用玻璃纤维增强聚合物基复合材料绝缘车顶盖。 （ 3）导流介质辅助。 VIMP工艺采用导流介质辅助渗流，可通过导流介质的分布和使用比例来大体上控制树脂流动的速率和模式6。 由 VIMP工艺制备得到的聚合物基复合材料相比铝合金和钢结构在比重、比强度等方面具有更大的优势，其性能比较如表 1所示。 表 1 聚合物基复合材料与常用材料性能比较 材料类型 密度 /gcm-3比强度 /107mm 比模量 /109mm 不锈钢 7.8 1.8 2.7 铝合金 2.8 1.7
8、2.8 *作者简介：张丽荣（1961.12），女，教授级高工，长期从事轨道车辆研发与车辆防火技术研究,13832961297 2013 年中国阻燃学术年会论文 安徽 黄山 295聚合物基复合材料 1.82.0 7.5 2.5 3 列车用复合材料阻燃性 能要求及聚合物材料阻燃机理 阻燃性是一切公共场所设施所必须具有的一般性能，列车作为旅客运输的最重要工具之一，其所用材料的阻燃性能具有特殊的要求。列车用材料阻燃性能越好，火灾发生率越小，列车安全性能越高，就能为旅客的出行安全提供更可靠的保障。铁道部为了确保列车用材料能达到特定的阻燃要求，制定了一系列有关列车用材料阻燃性能的国家标准。 提高列车用复合
9、材料阻燃性能的方法主要有三种：一是在复合材料制件表面涂刷阻燃层，二是使用阻燃性树脂基体制备列车用复合材料制件，三是在材料制备时加入阻燃助剂。表面涂刷阻燃层的方法对环境污染严重，不利于环保，且涂层的老化或脱落会直接降低制件的阻燃性能。国内阻燃性树脂主要依靠进口，且价格昂贵，使得复合材料制备成本增加，不利于低成本技术的推广。在材料制备时添加阻燃助剂是一种较好的方法，但传统的阻燃剂，如卤素阻燃剂，在燃烧分解时会生成有毒气体，在火灾发生时会危害人体健康，甚至使人窒息，美国已经禁止卤系阻燃剂的使用。磷系阻燃剂在受热分解时，一般不会生成有毒物质，如 DMMP（甲基膦酸二甲酯）热分解生成五氧化二磷、二氧化碳
10、和水，无有毒气体生成。氢氧化铝（ ATH）在 250高温会分解成氧化铝和水，均为无毒无害物质，且氢氧化铝还起到抑烟的作用。分解时产生无毒无害物质的添加型阻燃剂，环境友好且成本低廉，成为阻燃材料原材料的首选。 高聚物的阻燃是通过冷却、稀释、形成绝热层或隔离膜等物理途径和终止自由基链反应的化学途径来达到阻止或减缓燃烧的目的，阻燃机理主要有气相阻燃、凝聚相阻燃和中断热交换机理三种32。气相阻燃机理是指阻燃剂对聚合物受热分解产生的气体的燃烧或对火焰反应产生的阻止作用。凝聚相阻燃机理是指阻燃剂在凝聚相中延缓或中断燃烧材料热分解而产生的阻燃作用。中断热交换机理是指阻燃剂将阻燃材料燃烧产生的部分热量带走，致
11、使材料不能维持热分解温度，因而不能继续产生可燃气体，于是燃烧自熄2。 VIMP工艺中使用的阻燃剂主要是磷系阻燃剂和 Al(OH)3阻燃剂。无机磷系阻燃剂在燃烧时生成磷酸、偏磷酸、聚偏磷酸等，它们能使聚合物碳化形成炭膜，聚偏磷酸则呈黏稠状液态覆盖于未燃材料的表面，这种固态或液态膜既能阻止自由基逸出，又能隔绝氧气，起到阻燃的作用。有机磷系阻燃剂主要以凝聚相阻燃机理发挥阻燃作用，在燃烧时与聚合物基体或其分解产物反应生成 POC 键，形成含磷的碳化保护层，或发生交联反应生成热稳定性好的多芳结构的网状化合物，从而起到阻燃作用3。 DMMP 分解时，生成磷酸 偏磷酸 聚偏磷酸，在分解过程中产生磷酸层，形成
12、不挥发性的绝热保护层覆盖于燃烧面，隔绝了热传导与氧气供给，迫使燃烧停止；同时又因为偏磷酸能促进高聚物燃烧分解向碳化进行，并生成一定量的水，从而有利于组织燃烧；且 DMMP 燃烧分解成五氧化二磷、二氧化碳和水，没有有毒气体的产生4。Al(OH)3热容很高，在 250以上受热分解时能生成氧化铝和水，既起到吸热冷却的作用，水蒸气又稀释了火焰区气体浓度， Al(OH)3还有利于形成碳化层，起到阻挡热量和氧气进入的作用而阻燃。此外， Al(OH)3还能起到抑烟的作用，对保护生命具有重要意义5。 4 聚合物基复合材料在列车应用的发展趋势 2013 年中国阻燃学术年会论文 安徽 黄山 296聚合物基复合材料
13、已被广泛应用于高速列车的制备，它的应用为列车的高速化和轻量化提供了可靠的保证。聚合物基复合材料不仅已应用于列车辅件及非主承载件的制备，还成功应用于列车主承载件的制造。国外，聚合物基复合材料已广泛应用于列车各部件的制备。日本新干线列车中，聚合物基复合材料被成功应用于车窗内饰框、洗漱间、厕所、水箱、集便箱、天花板等辅件，以及车头前端盖板、受电弓导整流罩、双层客车两端车顶板、客室中板和侧顶等承载件6。 “欧洲之星 ”的车头前端部采用玻璃纤维增强聚酯基复合材料制备而成，具有优异的流线性7。英国 Intercity125最早采用聚合物基泡沫夹层复合材料，利用聚合物基复合材料整体成型技术，制备了驾驶室端盖
14、，电线和各种管道固定在泡沫芯材中节省了驾驶室有效空间，这种端盖具有很好的抗冲击能力，能承受0.9 kg 的立方体钢块以 350 km/h 的速度冲击，而且该端盖驾驶室比传统钢结构重量轻 30%-35%8。英吉利海峡隧道高速穿梭车司机室用玻璃纤维增强酚醛树脂手工整体糊制而成，能满足隧道列车防火的严格要求。国内，聚合物基复合材料在列车上的应用起步较晚，发展潜力较大。国内高速列车上聚合物基复合材料的应用，主要面向列车辅助件及非主承载件的制备。湖南省复合材料工程技术研究中心研制的聚合物基复合材料车头端盖成功应用于 “蓝箭 ”动车组及 “中华之星 ”高速列车9。 “SS”系列及 “蓝箭 ”、 “中原之星
15、 ”等机车和动车上，广泛装配了聚合物基复合材料制备的列车辅助件，如司机台仪表框、车门窗框、车顶罩、裙边、线槽、蓄电池箱、绝缘子等9。上海明珠 2号线地铁车辆中，绝大部分的车内装饰件、座椅和车头罩都采用聚合物基复合材料制备9。CA250高速列车车体端板采用玻璃纤维 /不饱和聚酯树脂的夹芯结构制备而成，能够很好的满足设计要求10。从复合材料装饰件到全复合材料的高速列车，聚合物基复合材料展示了巨大的优势及其在高速轨道交通领域应用的广泛前景。 REFERENCES 1 张卫华 , 王伯铭 . 中国高速列车的创新发展 J. 机车电传动 .2010, 1: 8-13. 2 张炳华 , 侯昶 . 土建结构优化设计 M. 上海 : 同济大学出版社， 1998. 3 王耀先 . 复合材料结构设计 M. 北京 :化学工业出版社 , 2001. 4 元艳玲 . CRH5 动车组车体的结构分析与轻量化研究 D. 北京交通大学 ,2009. 5 钱立新 . 世界高速列车技术的最新进展 J. 中国铁道科学 . 2003, 24(4): 1-11. 6 肖加余 , 刘钧 , 曾竟成 . 复合材料在高速列车上的应用现状与趋势 J. 机车电传动 , 2
