根據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)整理數(shù)據(jù)顯示，2018-2020年我國(guó)鐵路投產(chǎn)新線預(yù)計(jì)達(dá) 2.4萬(wàn)公里，年均投產(chǎn) 8000公里。2016年 7 月由國(guó)家發(fā)展改革委、交通運(yùn)輸部、鐵路總公司聯(lián)合編制的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》發(fā)布，按照《規(guī)劃》，至 2020年，一批重大標(biāo)志性項(xiàng)目建成投產(chǎn)，鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)15萬(wàn)公里，其中高速鐵路3萬(wàn)公里；到 2025年，鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá) 17.5萬(wàn)公里左右，其中高速鐵路 3.8 萬(wàn)公里左右。此外，城軌建設(shè)也進(jìn)入快車道，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2016年末，我國(guó)開(kāi)通城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路的城市達(dá)到30個(gè)，運(yùn)營(yíng)里程達(dá)4152.8公里。
在我國(guó)軌道交通高速發(fā)展的同時(shí)，軌道交通對(duì)新材料的需求量也快速增加，同時(shí)對(duì)材料的安全性與功能性也提出了更高要求。高分子材料在軌道交通中發(fā)揮著重要作用，從路基建設(shè)到車輛內(nèi)外飾、再到結(jié)構(gòu)承力件等部件上的應(yīng)用，材料優(yōu)良的性能賦予制品出色的特性。
一、高分子材料在軌道交通領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)介紹及應(yīng)用分類
1. 高分子材料優(yōu)勢(shì)介紹
在新的發(fā)展時(shí)期，綠色、環(huán)保、智能、可持續(xù)等理念使公眾對(duì)軌道交通安全、舒適、環(huán)保和可靠的期望不斷提高。金屬材料制造的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)車體在高原、沙漠、高溫、高寒和高海拔等復(fù)雜多變的服役環(huán)境中面臨諸多性能挑戰(zhàn)。例如，碳鋼車體的易腐蝕、不利于輕量化、焊接變形大等問(wèn)題；不銹鋼車體的封閉性、局部屈曲、焊接變形等問(wèn)題。因此，必須持續(xù)吸收和利用包括材料在內(nèi)的高新科技成果，不斷提高軌道交通工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)水平。
材料的多元化則是實(shí)現(xiàn)軌道交通性能平衡（強(qiáng)度、振動(dòng)、噪聲、隔熱、輻射）的主要途徑[1]。相較于傳統(tǒng)金屬材料，高分子材料不僅更為輕質(zhì)，其還具有優(yōu)異的耐腐蝕性、耐候性、高韌性、抗振性、電絕緣性能以及較高的彈性和良好的消聲效果。此外，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)使其能更好地提高部件一體化程度，減少零件數(shù)量，縮短制造周期，降低維修成本。尤其是其輕質(zhì)特性，可降低列車運(yùn)行的能量損耗，對(duì)節(jié)能、環(huán)保及減少列車磨損等意義重大。
圖1 地鐵車輛的重量分配
以常見(jiàn)的地鐵為例，裝備完整后，其各部分重量的分配如圖1所示，車身重量占 36%，其次是車載設(shè)備，約占29%，然后是內(nèi)部裝飾占16%[2]。車載設(shè)備一般沒(méi)有多少減重空間，因此輕量化的重點(diǎn)主要是在車身和內(nèi)部裝飾。新材料、新設(shè)計(jì)、新制造技術(shù)是軌道列車輕量化的主要途徑，而高分子材料相較一般金屬材料更為輕質(zhì)的特性，使其在軌道列車輕量化發(fā)展上應(yīng)用潛力無(wú)限。
2. 高分子材料應(yīng)用分類
軌道交通領(lǐng)域中常見(jiàn)的高分子材料通常可分為三大類：橡膠類，應(yīng)用如天然橡膠（NR）、順丁橡膠（BR）、丁苯橡膠（SBR）、三元乙丙橡膠（EPDM）、氯丁橡膠（CR）、丁腈橡膠（NBR）、聚氨酯橡膠（PU）及氟橡膠(FKM)等；塑料類，應(yīng)用如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚甲醛（POM）、聚碳酸酯（PC）、聚酰胺（PA）、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）及乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）等；纖維類，應(yīng)用如丙烯纖維（丙綸）、聚丙烯腈纖維（腈綸）、聚酯纖維（滌綸）及尼龍纖維（錦綸）等。
應(yīng)用于軌道交通車輛的高分子材料，按照產(chǎn)品功能也可分為六大類：減振類，如底座錐形減振器、電力機(jī)車減振墊、轉(zhuǎn)向架橡膠減振器、空氣彈簧系統(tǒng)及球鉸產(chǎn)品；密封類，如制動(dòng)器防塵套、制動(dòng)機(jī)橡膠膜板、制動(dòng)閥座墊、內(nèi)燃機(jī)車油分離器膠管；膠管類，如內(nèi)燃機(jī)車耐高溫硅膠管、內(nèi)燃機(jī)車耐油膠管、制動(dòng)軟管；摩擦類，如緩沖器側(cè)面磨耗板、斜楔磨耗板；絕緣類，如耐高壓絕緣線圈、聚酰亞胺黃金膜以及經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂浸漬處理電機(jī)；內(nèi)裝類，如阻尼隔音片材、酚醛樹(shù)脂發(fā)泡頂板、玻纖增強(qiáng)發(fā)泡風(fēng)道、動(dòng)車組用復(fù)合板、芳綸紙蜂窩板及玻璃鋼窗板等。
二、高分子材料在軌道交通領(lǐng)域中的具體應(yīng)用
1.在軌道交通車體中的應(yīng)用
列車車輛的車輪對(duì)軸承要求很高，需確保列車在高速運(yùn)行時(shí)可靠性和安全性的同時(shí)，還要維修方便，因此，滾動(dòng)軸承保持架起著十分關(guān)鍵的作用。聚酰胺復(fù)合材料具有高彈性、自潤(rùn)滑性、耐磨性、耐沖擊性、耐腐蝕性、易加工、質(zhì)輕等特點(diǎn)，能達(dá)到軸承所要求的性能，對(duì)鐵路運(yùn)輸安全、高速、重載起到了關(guān)鍵作用。這種軸承保持架采用玻纖增強(qiáng)和石墨或二硫化鉬作潤(rùn)滑劑，密度小，質(zhì)量輕。此種保持架在國(guó)外已廣泛應(yīng)用，如瑞典SKF公司在客車車輛軸承和機(jī)車牽引電機(jī)軸承上均采用25%的玻纖增強(qiáng)PA66復(fù)合材料制作軸承保持架。
轉(zhuǎn)向架也是軌道交通車輛的重要組成部分，其承載著車身和乘客重量，在不同的載荷工況下，轉(zhuǎn)向架承載交變載荷因此轉(zhuǎn)向架必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。傳統(tǒng)構(gòu)架由金屬焊接而成，據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架重量占整車重量的28.5%~42%，所以轉(zhuǎn)向架的輕量化對(duì)整車輕量化有重要意義。K.W.Jeon教授等研究了玻璃纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基體復(fù)合材料在構(gòu)架中的應(yīng)用，并對(duì)成型后的構(gòu)架進(jìn)行疲勞性能和強(qiáng)度性能的測(cè)試。使用玻璃纖維增強(qiáng)材料成型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，可使構(gòu)架重量減少30%左右[3]。
此外，在其他車體部件處，高分子材料也有極廣泛的應(yīng)用。從車體外部情況看，車頭及燈罩部分主要應(yīng)用聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚甲醛(POM)等高性能樹(shù)脂；車窗及車頭外部保護(hù)層用的是聚酯玻璃鋼、酚醛玻璃鋼及環(huán)氧玻璃鋼等玻纖增強(qiáng)樹(shù)脂；車輛頭部采用的是蜂窩復(fù)合材料，如芳綸蜂窩、玻璃鋼蜂窩、碳纖維蜂窩強(qiáng)化樹(shù)脂包覆發(fā)泡蜂窩材料等；車廂連接彈性緩沖件、受電系統(tǒng)緩沖件、車門/窗等部位銜接用的是彈性緩沖件及膠黏劑、高性能彈性體材料，包括熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)、熱塑性聚酯彈性體(TPEE)、氯丁橡膠、丁基橡膠、三元乙丙橡膠、硅橡膠及硅酮橡膠等。
2.在軌道交通車輛內(nèi)飾中的應(yīng)用
隨著人們生活水平的提升，人們對(duì)軌道交通車輛的方便、快捷提出更高要求的同時(shí)，也對(duì)乘坐軌道交通車輛的安全、舒適、可靠提出了越來(lái)越高的期望，這些期望尤其反映在人們對(duì)車輛內(nèi)部環(huán)境的高要求上。
玻璃鋼材料（FRP，亦稱GFRP，即纖維強(qiáng)化塑料，一般指用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯、環(huán)氧樹(shù)脂與酚醛樹(shù)脂基體，其不同于鋼化玻璃）相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料具有密度小，比強(qiáng)度、比剛度高，阻燃、隔音性能優(yōu)異的特點(diǎn)，逐漸在軌道交通領(lǐng)域得到普及。內(nèi)部裝飾是軌道車輛大量使用玻璃鋼材料的區(qū)域，其中司機(jī)室頭罩、導(dǎo)流罩、客座座椅椅面、側(cè)墻版、門立柱罩等結(jié)構(gòu)均可使用玻璃鋼材料成型[4]。
司機(jī)室頭罩一般采用整體式非飽和聚酯玻璃鋼材料，為泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，是整車外型設(shè)計(jì)中重要的一部分，與車體連接采取膠接的方式；客室座椅由骨架和椅面組成，骨架通常由鋁合金或不銹鋼管材阻焊而成，椅面樹(shù)脂通常采用不飽和聚酯或酚醛樹(shù)脂，而對(duì)比酚醛樹(shù)脂玻璃鋼和不飽和聚酯玻璃鋼兩種材料，前者相較后者有更優(yōu)異力學(xué)性能，且前者在不添加任何阻燃劑時(shí)，高溫下仍能保持其物理特性不降低；目前地鐵車輛風(fēng)道由鋁板阻焊而成，為了使風(fēng)道保溫，在鋁板外層粘接隔熱棉以及防火巖棉等，長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司出口巴基斯坦的鐵路客車采用了新型酚醛玻璃鋼風(fēng)道，并且將頂板與風(fēng)道合二為一，不僅可節(jié)約車內(nèi)空間、降低自重，還能增大通風(fēng)面積，提高通風(fēng)效果[5,6]。
此外，在其他部件處，如內(nèi)飾板及隔板，通常應(yīng)用ABS樹(shù)脂；客艙頂板、墻板、行李架擋板等用的是以低密度聚乙烯(LDPE)、聚氨酯(PU)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)、聚醚酰亞胺(PEI)等為內(nèi)芯的夾芯材料及蜂窩夾芯材料；客艙風(fēng)口格珊及內(nèi)飾燈罩用的是聚碳酸酯及其合金；穿線孔、中空玻璃密封件用的是硅酮橡膠、改性硅烷聚醚膠等；地板內(nèi)層與底板銜接、玻璃窗安裝等用的是聚氨酯、改性環(huán)氧樹(shù)脂。
表1 軌道交通車輛內(nèi)飾材料發(fā)展要求
目前，軌道交通正朝著高速、安全、舒適的方向快速發(fā)展，因此新一代列車內(nèi)飾件產(chǎn)品對(duì)材料要求越來(lái)越高（如表1所示），兼具阻燃、輕質(zhì)、高強(qiáng)等特性的軌道交通內(nèi)飾材料是重點(diǎn)發(fā)展方向。
3.在軌道交通中的其他應(yīng)用
隨著軌道交通向高速化、安全化方向發(fā)展，路基建設(shè)使用化工新材料的比例也逐步提高，主要為路基土工復(fù)合材料、路基線纜材料、防水材料等。
鋼軌絕緣是軌道電路的基本組成部分之一。軌道絕緣除應(yīng)保證軌道電路正常工作外，還應(yīng)不降低鋼軌接頭處的機(jī)械強(qiáng)度。這就要求軌道絕緣材料具有良好的絕緣性能和高的壓縮強(qiáng)度。由于受氣候、環(huán)境的不良影響及列車運(yùn)行交變載荷的連續(xù)作用，鋼軌絕緣較易損壞，它是鋼軌最薄弱的環(huán)節(jié)。軌道絕緣一般由PA6、PA66、PA1010、MC尼龍等材料制成，主要產(chǎn)品為槽型絕緣、絕緣管墊、絕緣墊圈、軌端絕緣等。軌道絕緣技術(shù)與絕緣材料成為軌道電路設(shè)備技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵[7]。
扣件作為連接鋼軌和軌枕的中間連結(jié)零件，其作用是將鋼軌固定在軌枕上，保持軌距并阻止鋼軌相對(duì)于軌枕的縱橫向移動(dòng)。扣件要求具有足夠的強(qiáng)度、耐久性和一定的彈性，并有效地保持鋼軌與軌枕之間的可靠連結(jié)，此外，還要求扣件系統(tǒng)零件少、安裝簡(jiǎn)單、便于拆卸。得益于聚酰胺復(fù)合材料良好的耐磨、耐老化、彈性好、強(qiáng)度高和柔韌性好等優(yōu)勢(shì)，聚酰胺復(fù)合材料可有效應(yīng)用于扣件中，提升扣件產(chǎn)品的綜合性能。此外，得益于聚酰胺復(fù)合材料優(yōu)良的耐油性、耐磨性、自潤(rùn)滑性和良好的力學(xué)性能，其在鐵路線路上的重要部件——道岔，在減小道岔的轉(zhuǎn)換力和提高道岔的運(yùn)行可靠性上也取得了良好的效果。
從無(wú)砟軌道路基結(jié)構(gòu)及材料應(yīng)用看，軌道墊片的減振降噪部件應(yīng)用的是熱塑性彈性體、聚氯乙烯、硅橡膠、環(huán)氧樹(shù)脂、丁基橡膠、丁苯橡膠、三元乙丙橡膠等；緩沖填充物為改性瀝青；路基防水層、電纜槽防護(hù)用的是聚氨酯、聚脲及氯化聚乙烯[8]。此外，保護(hù)線纜等輔助設(shè)施的鐵路蓋板也是軌道材料中涉及化工新材料較多的部件。在有砟軌道系統(tǒng)中，復(fù)合材料枕木、道砟膠也應(yīng)用了大量的化工新材料。
結(jié)語(yǔ)
國(guó)務(wù)院印發(fā)的《中國(guó)制造2025》文件對(duì)軌道交通產(chǎn)業(yè)提出以下要求：加快新材料、新技術(shù)和新工藝的應(yīng)用，重點(diǎn)突破體系化安全保障、節(jié)能環(huán)保、數(shù)字化智能化網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，研制先進(jìn)可靠適用的產(chǎn)品和輕量化、模塊化、譜系化產(chǎn)品。研發(fā)新一代綠色智能、高速重載軌道交通裝備系統(tǒng)，圍繞系統(tǒng)全壽命周期，向用戶提供整體解決方案，建立世界領(lǐng)先的現(xiàn)代軌道交通產(chǎn)業(yè)體系。
高分子材料作為軌道交通領(lǐng)域部件的重要應(yīng)用材料，其作用不可忽視。因此，除了應(yīng)用現(xiàn)有高分子材料制造技術(shù)和工藝，我們還應(yīng)更加關(guān)注并深入研究新型高分子材料及其制造技術(shù)，為我國(guó)軌道交通事業(yè)的高速發(fā)展貢獻(xiàn)力量。（文章來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
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