纤维增强复合材料的原理

1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划纤维增强复合材料的原理纤维增强复合材料在高速列车的应用及展望裴顶峰张国文贺春江摘要：FRP(纤维增强复合材料)近年来在高速列车得到广泛的应用，并作为一种新型高性能内饰及结构材料在替代轻金属方面表现出巨大的优势，国内外有关研究和生产单位开展了大量的研究和实践应用。本文主要涉及FRP材料的物理性能，分析了其优点与不足，并介绍了FRP对车辆内饰、外部导流罩、走行部以及减震降噪方面的应用与发展。最后指出了未来纤维增强复合材料在轨道交通工具应用的发展前景。关键词：纤维增强复合材料；高速动车组；结构件；阻燃ApplicationandprospectsoffiberreinforcedpolymermaterialsinHigh-speedTrainAbstract：Inrecentyears，FRP(fiber-reinforcedpolymerplastic)hasbeenwidelyutilizedforhigh-speedtrainduetoitshightensileprope

2、rtyandasanewtypeofhigh-performanceinteriorandstructuralmaterialsshowedahugeadvantageintermsofalternativelightmetal.FRPhasattractedmuchattentionbythecivilandproductionandmanufacturingindustrysinceitisconsideredasanewtypeofhighperformancestructuralandinteriormaterial.ManyresearchworksandactualapplicationsofFRPtocivilstructureswerecarriedoutbybothdomesticandinternationalorganizationsInthispaper，anintroductionisgivenonthepropertiesofFRP，includingthestatementsontheadvantagesanddrawbacksofthematerialM

3、oreover，abriefreviewisgivenontheapplicationandfuturedevelopmentofFRPusedforvehicleinteriors,externaldome,directionanddampingnoisereductionmaterials.IntheendPointedoutthattheprospectoffuturefibercompositesinKeywords：fiber-reinforcedpolymerplastic；high-speedtrain；structuralstrengthening；flameretardant1.前言随着我国高速列车及其轨道交通的迅猛发展，我国国产动车组制造技术取得的长足的进展，同时伴随着国内四纵四横客运高铁的逐步开通，动车组保有量逐步增加，截止XX年年底动车组保有量达到XX余辆。大量动车组的开通运营使中国在高速列车生产制造技术及运营管理储备了明显的优势，在此基础上，中国铁路总公司提出了完全自主知识产权，按照中国统型技术条件的生产制造的标准动车组，该标准动车组已经在中国铁道科学研究院环

4、形铁道试验线及大西客运专线进行一系列的测试试验，试验完成后，将完全按照该技术条件生产制造中国特色标准动车组，该标准动车组对车辆的轻量化、防火、防毒防烟、舒适性及低噪音提出了更加严格的要求，这为纤维增强复合材料的应用提出了一个崭新的空间。随着复合材料技术的进步及成本的降低，复合材料在高速动车组的应用范围正逐步从内部非承重结构件向走行部及结构件扩展，在未来高速轨道交通装备中所占的比例将越来越高。2.复合材料在高速列车的应用要求在当前中国高速动车组装备制造正在建立完整产业生产链，从走行部到供电部以及列控系统基本建立了完全国产化的产业链条，有力的推动了装备制造业的发展。这位国内纤维纤维增强复合材料产业进入高速轨道装备制造提供了良好的契机。中国标准动车组的下线，标志着中国高速列车产业迈向了一个新的步伐，与现有动车组相比，标准动车组在整车轻量化、防火防毒以及舒适低噪音上进行了大量创新，大量阻尼复合材料及结构复合材料在标准动车组上开始了新的应用。高速列车复合材料在高速列车的应用首先应该满足低毒、低烟、防火的要求，这是对所有高速列车方法复合材料的要求，其次作为承载结构件的复合材料必须具备高的承载能力及

5、疲劳性能，这样才能保证在高速运转过程中列车的安全。纤维增强复合材料说明纤维增强复合材料(FiberReinforcedPolymer，简称FRP)是由纤维材料与基体材料按一定比例混合并经过一定工艺复合形成的高性能新型材料。近年来，FRP以其高强、轻质、耐腐蚀等优点，开始在装备制造领域得到应用。目前工程结构中常用的FRP主要为碳纤维carbonfiber)、玻璃纤维(glassfiber)和芳纶纤维(aramidfiber)增强的树脂基体，分别简称为GFRP、CFRP和AFRP。纤维增强复合材料的特点(1)纤维增强复合与传统金属及轻合金材料相比在车辆轻量化具备明显的优势，具有质轻性能高的优点，主要性能对比见表1。从表中可以看出大部分复合材料的比强度和比模量比大部分轨道交通用轻合金材料高出约倍，同时其密度大约是轻合金的倍，因此从这个意义上讲，复合材料在替代轻合金上具有较大的潜力和优势。表1复合材料和轻合金及金属材料力学性能对比材料类型环氧/高强碳纤维芳纶/环氧硼纤维/环氧碳化硅纤维/环氧石墨纤维/铝玻璃钢钢铝合金钛合金尼龙66(2)可设计性强度，纤维增强复合材料显著特点是高比强度和高比刚度

6、，性能可以在一个很宽的范围内变化，可以通过使用不同的纤维材料、纤维含量和铺陈方向及树脂基体设计出各种强度指标、弹性模量以及阻燃性能要求的产品，同时纤维增强复合材料的成型工艺适合于不同的结构和形状的产品，在保证复杂部件成型的同时，性能保持不变，形状可灵活设计。(3)高的安全性及疲劳性，轨道交通用复合材料一个明显的特点是具备良好的可控的安全性及疲劳性，由于列车在高速运转过程中疲劳周期较短，循环次数较多，容易造成承载部件疲劳损坏，良好的可控及预测疲劳性能对列车的行驶安全具有重要的意义。目前常用的轨道交通金属材料，为了防止疲劳及预测疲劳裂纹的产生投入了大量的探伤及预防措施，来防止金属材料达到疲劳极限或者疲劳裂纹失稳扩展，造成零件失效。与金属材料相比，纤维增强复合材料由于纤维的力传导性，在疲劳缺口产生时，部分应力可以通过纤维传递到低维界面，减轻对缺口的冲击，缺口敏感度降低，即使出现缺口，复合材料也不立即失效，具备良好的疲劳性能同时可以实现提前监测。(4)高的耐腐蚀性，纤维增强复合材料可以在各种酸碱及潮湿环境中长期使用，这与目前轨道交通用金属材料相比具有明显的优势。为防止轨道交通金属材料的在各种酸

7、碱环境中由于腐蚀失效，投入了大量的人力与物力进行防腐蚀措施，同时由于各种腐蚀缩短了部件的服役周期，提高了列车的运营密度抗拉强度比强度抗拉模量XX110成本。由于中国国土面积幅员辽阔，高速动车组运营环境多样化，作为车底及转向架等走行部配件承受着不同的环境侵扰，因此利用复合材料对其替代，不仅实现了车辆走行部件轻量化，还将部件寿命的延长。(5)低成本促进复合材料在轨道交通的应用，随着各种纤维制造技术的进步及成熟，各种纤维成本逐步降低，为各种航空用复合材料在轨道交通的应用实现了可能。同时，各种纤维增强复合材料成型技术的成熟及新工艺的应用，为大规模模块化生产复合材料提供了基础，大量模块化设计的纤维增强复合材料在轨道交通的应用，延长了整体车辆的使用成本寿命。(6)纤维增强复合材料良好的隔震阻尼性能，由于高速动车组轻量化的发展，随之而来的轨道交通工具的宽频振动及噪声越来越严重，振动过大时不仅影响乘车的舒适性，严重时将直接导致零部件的失效，造成行车事故。考虑到金属材料的低阻尼性及降噪设计的复杂性，大量组合设计的纤维增强复合材料应用在车体夹层、车体底部、发动机等部位来降低车体的振动及噪音。表2是不同材料

8、阻尼影响因子参数，从图中可以看出与金属材料相比复合材料具有明显的优势。由于作为阻尼的复合材料单独使用时承载能力较弱，通常与金属承载件复合在一起使用，在利用金属件承载的同时，充分发挥纤维增强复合材料多维阻尼的性能。为了消除不同频段的振动噪音，通过多种纤维及树脂基体复合使用，来充分发挥复合材料的协调效应来吸收和减轻列车振动噪音。表2不同材料的阻尼影响因子材料不锈钢球墨铸铁玻纤/环氧(6)各种新型阻燃剂的开发，提高了纤维增强复合材料的阻燃性能，为复合材料的使用消除了安全隐患，扩大了纤维增强复合材料的应用。阻燃理论的成熟和新型阻燃剂的开发，促进了纤维增强复合材料在装备制造领域的应用部位及比例。损耗因子63029材料石墨/环氧Kevlar49/环氧固化的聚醚树脂损耗因子3.纤维增强复合材料在高速轨道交通的应用在20世纪80年代，随着航天技术的发展与成熟，复合材料在航天发射器及飞行器领域进行了大量的应用，当时复合材料主要作为隔热及内饰材料进行应用。进入21世纪后，轨道交通的发展，尤其高速动车组技术的发展，客观上促进了纤维增强复合材料在高速列车的应用，从最初内饰件逐渐发展到承载功能件，其应用范围与功

9、能发生了巨大的变化。尤其随着中国标准动车组的下线，在现有动车组技术基础上进行了大量的突破，在解决全车轻量化、低噪音上采用了大量的纤维增强复合材料。在整车应用复合材料上，法国国营铁路公司在TGV列车利用复合材料制造了样车，并进行了大量的运营及防火实验，实验结果表明复合材料足够胜任高速列车的对材料的各项性能要求，这表明以纤维为增强材料的各中树脂复合材料正在从车厢内饰件配件等非结构件向车体等结构件延伸。传统车辆内饰件在高速动车组内部主要是车辆装饰板、集便器、盥洗台、座椅支架、水箱、车前盖头等。在行李架上也大量采用玻璃钢与铝合金复合的支撑结构。如装饰板采用铝合金上叠合一层不燃性的纤维增强塑料,厕所、盟洗室、座椅及水箱还要考虑到卫生和耐腐蚀性,也以不燃性的为佳。在外部的受电弓及前段导流罩上，中国动车组也大量采用玻纤增强复合材料。纤维增强复合材料在车辆内部的应用见图1所示，车厢内部大量采用纤维增强复合材料。图1纤维增强复合材料在车辆内部的应用车头导流受力结构件纤维增强复合材料在高速动车组的一个重要的应用就是车头前段的导流罩，前段导流罩对于动车组车头的空气动力学性能影响较大，良好的导流罩外形设计可以精确的满足动车组高速运行的空气动力学需要。纤维增强复合材料的易于设计及成型特性，可以很好的利用计算机设计成型，设计出满足要求的外形，同时纤维增强复合材料的抗冲击性提升了其应用价值。在国外意大利ETR500高速列车的车头前突部分采用的是芳纶纤维增强环氧树脂的FRP，用这种材料模型成型的符合空气动力学线型要求的车头，具有优异的抗冲击能力，当列车以300km/h速度行驶时有很好的尺寸稳定性。同时也有部分芳纶纤维增强树脂的车头。在国内高速动车组的主要采用聚酯纤维增强复合材料制造的前段导流罩，并且在高速轨道检测列车上进行了应用，如图2所示。图2时速400km高速轨道检测列车车体结构

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