对于高速铁路,对新材料的强度、疲劳性能、轻量化、工艺性等提出了更高的要求,新材料的应用主要在以下几个方面。 铁道车辆 车体 不锈钢 主要应用:不锈钢车体由于不易解决车体气密性问题,只用于制造20km/h速度级的车体、及车内承载和装饰件。 铝合金 铝的密度小,仅为2.7(属轻金属),约为钢的1/3。由于铝的表面易氧化形成致密而稳定的氧化膜,所以耐蚀性好。铝有较好的铸造性,由于铝的融化温度低,流动性好,易于制造各种复杂外形的零件。铝合金仍然保持了质轻的特点,但机械性能明显提高。 主要应用:一是作为受力构件;二是作为门、窗、管、盖、壳等材料;三是作为装饰和绝热材料。铝合金容易加工和具有高度的散热性。特别是车辆引擎部分特别适合使用铝合金材料。这里几乎完全是铝合金的一家天下。此外,铝合金的加工工艺多种多样。通用性较强。 从长期来看,铝合金价格适中。铝材价格较高,使得车辆制造成本增加,但由于铝合金使得车辆轻量化,车辆的轻量化带来了运能的增加,耗能的减少,维修的费用降低。有资料显示,交通工具的重量每减少10%,燃料可节约8%。在报废回收时,铝型材产品可以实现100%回收,回收铝型材循环再用可以减少95%的能源消耗。 早在20世纪50年代,世界上较发达的一些国家就开始采用铝型材来制造铁路车辆,包括美国、加拿大、日本、俄罗斯、德国和法国等国,目前国内高铁列车车厢已大量使用铝合金材料。业内专家指出,时速300公里以上的高速列车车体必须采用轻量化的铝合金材料,350公里以上的列车车厢除底盘外全部使用铝型材。目前中国铁路客运专线动车组采用的CRHI、CRH2、CRH3、CRH5四种类型中,除CRHI型车体采用的是不锈钢材外,其余3种动车组车体均为铝合金材质。 近年来国外有用镁合金、钦合金等航空材料制造车体骨架的尝试,其重量只有铝合金的66%,减重效果明显。但还在考察试验中。 复合材料 转向架 车辆内装及设备 轮一轨系统 对于钢轨材料而言,欧洲铁路一直在合金钢轨上进行研究,如非热处理的Cr-Mo,合金钢轨除了有较高的循环软化抗力外,也有较好的抵杭短波磨损的能力,是今后钢轨材料的重点选择对象之一。 此外,还应从钢轨钢的强韧化和纯净化方面进行努力,大力发展全长热处理钢轨、稀土钢轨和降噪降振新钢轨。 目前,国外正在研究的贝氏体钢抗剥离性能优于珠光体钢,不过尚处于试验阶段。为了减重,德国正研究组合车轮,即轮心采用FRP,再套上钢质轮和轮箍。 无砟轨道 高铁轨道水泥枕、铁轨和地基间的连接处均以聚氨酯弹性体填隙、密封,一则使连接稳固,不因受气候变化而位移;二则可起防震和消除噪音作用,增添旅客乘车舒适感。 聚氨酯枕木 为适应高速列车的提速要求,开发聚氨酯枕木以取代或部分取代混凝土枕木必将是未来的发展趋势。在西欧,该技术已有较成熟的研制和应用经验;在日本,聚氨酯枕木已在高速列车新干线轨道上得到应用。与其他材料相比,聚氨酯枕木具有卓越的耐久性并可降低周期成本。 聚氨酯胶黏剂 高速列车的生产对聚氨酯胶黏剂的使用需求也大幅增加,聚氨酯在车辆上承担着玻璃粘接、地板粘接、嵌缝填充、密封防水等各种必不可少的作用。按照动车组CRH3为基础,单节车厢用聚氨酯胶约84。07L,折算约合109。3kg。主要应用于车窗玻璃的粘接密封及部分填充部位的密封。 聚脲弹性体涂层 由于高铁采用无碴轨道,要求防护层不仅具有防水、防渗和抗裂等基本性能,还要能经受火车高速行驶带来的高速、重载、交变冲击等作用。聚脲涂层无接缝,粘结力强,真正做到了整体防水,同时还具有优异的耐磨性、抗冲击、抗开裂、耐紫外光和耐高低温性能,可满足高铁的特殊要求。 受电弓滑板 目前高速铁路使用的导线主要有铜银(0.15%一0.18% Ag),铜镉(0. 7%-1. 3%Cd)或铜锡合金(0. 3%Sn)等。随列车的高速化.研制高线张力和重量轻的新型复合导线(即外表为铜,芯部为钢)是发展趋势。 受电弓滑板是机车供电系统重要集电元件,通常有碳滑板、金属滑板、浸金属碳滑板和粉末冶金滑板,各国多采用碳滑板。如德国ICE和法国TGV。浸金属碳滑板既有碳材料的自润滑性,又具备了金属材料集电、强度和抗冲击力高的特点,成为最理想的滑板材料,近年来已步人产业化阶段。国外目前正在加强碳纤维金属基复合材料滑板的研究,该材料在集电、自润滑、抗撞击性能方而都会超过现有的滑板。 目前,国内外研究的浸金属碳滑板已步入了实用化的阶段,它主要是利用了碳滑板材料的多孔性质,将熔融的铜或铜合金等高导电性金属,在高温高压下浸入到碳滑板基体中去,使它既有碳材料的自润滑和抗电弧性能,又具备金属材料的集电、强度高、杭弹撞击力强的特点,成为最理想的滑板材料。 与此同时,还应加强碳纤维一金属复合材料滑板的研究,这种滑板在集电、润滑、杭撞击性能方面都会超过现有的金属滑板、碳滑板、浸金属碳滑板和粉末冶金滑板,其应用前景十分广阔。 制动摩擦系统 制动盘过去长期使用合金铸铁,但高速列车要求选用高强度抗热裂的合金锻钢,如Ni-Cr-Mo或Cr-Mo-V合金钢,也有研制金属基复合材料和C-C复合材料制动盘。日本1997年开发的耐热裂制动盘。可以有20年以上的寿命;德国的碳纤维复合材料盘,在高速250 km/h下质量好,并通过了400km/h的台架实验。 目前常用的摩阻材料可分为含磷铸铁、粉末冶金材料和合成材料。法国TGV-A、日本新干线等高速列车都采用了粉末冶金闸片,而且普遍是铜基材料。针对铁基、铝基材料,日本、欧美等近来在开发新材料时加人品须、陶瓷颗粒或短纤维等制成复合材料。在合成摩阻材料方面,德国ICE列车上安装了铝合金盘/合成闸片,获得了较好的效果。目前纤维增强复合材料在摩阻制动材料方面的成功开发和运用备受瞩目,成为研究热点,例如1997年口本开发的闸片是以酚醛树脂、石墨、合成橡胶与碳纤维复合。 减振、降噪材料 高速带来的冲击、振动和噪声的加剧,采用减振降噪元件,例如勃弹性能、耐疲劳、耐老化性能更优的橡胶元件,以保证乘坐的安全舒适。 更多关于材料方面、材料腐蚀控制、材料科普等方面的国内外最新动态,我们网站会不断更新。希望大家一直关注中国腐蚀与防护网http://www.ecorr.org
责任编辑:汪玉玲
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