Vláknový kompozit se stal nepostradatelným klíčovým materiálem v oblasti železniční dopravy

V posledních letech, s rychlým rozvojem odvětví železniční dopravy, je stále více výzkumů nových materiálů pro kolejová vozidla a podíl nového materiálu je stále větší. Mezi nimi je nejvýznamnější výzkum a aplikace vláknitých kompozitních materiálů. Je to proto, že vláknité kompozitní materiály mohou být založeny na konstrukčních požadavcích, prostřednictvím výběru různých materiálů matrice a výztuže, různých poměrů nasazení a použití různých procesů tváření, které lze získat s různými komplexními vlastnostmi nových materiálů, jako je dobrá tepelná izolace, odolnost proti korozi, odolnost proti opotřebení, vysoký měrný modul, vysoká měrná pevnost a další vlastnosti, tato vlastnost není schopna splnit tradiční jediný materiál.

Při konstrukci kolejových vozidel se v interiéru vozidel hojně uplatnily kompozitní materiály, do určité míry se uplatnilo i vnitřní vybavení a další části ložné konstrukce. Konstrukční díly vyrobené z kompozitních materiálů mají výhody vysoké pevnosti, nízké hmotnosti a vysoké tuhosti. Výrobní proces obvykle využívá technologii téměř konečného tváření, která nevyžaduje další zpracování a může výrazně snížit výrobní náklady. Aplikace kompozitních materiálů může také účinně zlepšit komfort a bezpečnost kolejových vozidel, snížit vibrace a hluk a snížit tělesnou hmotnost. Vláknový kompozit se stal nepostradatelným klíčovým materiálem v oblasti železniční dopravy.

Specifický modul a pevnost kompozitů z uhlíkových vláken jsou nejvyšší mezi běžně používanými materiály a mají zjevné výhody v pevnosti, tuhosti a kouřové toxicitě. Nový FRP materiál má dobré vlastnosti jako zpomalovač hoření a zvukovou izolaci. A aramidové kompozitní materiály mají zpomalovač hoření, vysokou pevnost, odolnost proti vysokým teplotám, vysoký izolační stupeň, odolnost proti vlhkosti a korozi, stabilní fyzikální a chemické vlastnosti. Všechny druhy kompozitních materiálů mají různé vlastnosti a používají se v různých klíčových částech kolejových vozidel.

2.1 Dobré mechanické vlastnosti

Kompozitní materiál ztělesňuje komplexní výkon matricového materiálu a výztužného materiálu s vysokou pevností, nízkou hmotností, velkou tuhostí, snížením vibrací a hluku, odolností proti únavě, tepelnou izolací a dalším vynikajícím výkonem, pro lehký design vozidla, zlepšení bezpečnosti a pohodlí vozidla je velmi důležité.

2.2 Splnit požadavky na vývoj lehkých kolejových vozidel

V posledních letech je provozní rychlost železničních tranzitních vozidel stále vyšší a vyšší, což vyžaduje, aby kolejová vozidla dosahovala lehké konstrukce, aniž by se snížila bezpečnost. Kompozitní materiál je nejúčinnějším schématem pro kolejová vozidla.

2.3 Může snížit náklady

Se zvyšováním rychlosti železničního tranzitu lidé věnují stále více pozornosti nákladům na údržbu a provozním nákladům a zároveň věnují pozornost bezpečnosti a pohodlí vozidel. Ačkoli jsou počáteční investice v odvětví železniční dopravy velké, celkové náklady na vozidla využívající kompozitní materiály jsou výrazně vyšší než náklady na běžné materiály, zejména proto, že výzkum a vývoj nových materiálů a nových procesů si nutně vyžádají obrovské investice. Provozní cyklus železniční dopravy je však dlouhý. Z pohledu celého životního cyklu vozidel mohou lehká vozidla na jedné straně efektivně snižovat energetickou náročnost vozidel a snižovat provozní náklady. Na druhou stranu, odolnost proti vibracím, odolnost proti únavě, odolnost proti korozi, tolerance poškození a absorpce energie nárazu kompozitních materiálů jsou lepší než u běžných kovových materiálů, takže cyklus údržby vozidla lze prodloužit a náklady na údržbu mohou být vyšší. být značně snížena. Z dlouhodobého hlediska tedy mohou kompozitní materiály efektivně snížit náklady na životní cyklus vozidel.

2.4 Má silnou designovatelnost

Vysoký měrný modul a vysoká měrná pevnost jsou nejvýznamnější charakteristiky vláknitých kompozitních materiálů a mechanické vlastnosti se mohou měnit v širokém rozmezí. Výběrem kompozitní matrice a výztuže a změnou procesu tváření materiálů lze tedy splnit různé konstrukční požadavky. Například pevnost v tahu skleněného vlákna může dosáhnout 3500 MPa a modul pružnosti je 70 GPa. Pevnost v tahu uhlíkových vláken s vysokým modulem může dosáhnout 3900 MPa a modul pružnosti je 600 GPa. Prostřednictvím experimentů bylo zjištěno, že nejlepší vrstvenou strukturu lze nalézt podle konstrukčních požadavků v procesu tváření konstrukčních dílů změnou kompozitních materiálů s velmi odlišnými vlastnostmi matricových materiálů.

2.5 Dobrá spolehlivost a bezpečnost

Nejdůležitějšími faktory ovlivňujícími bezpečnost konstrukčních dílů jsou odolnost materiálů proti únavě a vrubová citlivost. Dříve byly kompozity široce používány ve vysoce namáhaných oblastech, jako je letecký průmysl, právě kvůli jejich vynikající odolnosti proti únavě a nízké citlivosti na vrub.

Přestože běžné kovové materiály mají vysokou statickou pevnost, jejich pevnost výrazně klesá v podmínkách silných vibrací. Například konstrukční díly z kovového materiálu mají v určitém bodě mezeru. Při vibracích a nárazech (proměnlivé zatížení) se vady rychle rozšíří, dokud nedojde k poškození konstrukčních částí. Rozdíl mezi statickou pevností a vibrační pevností kompozitních materiálů je však téměř nulový. I když jsou konstrukční díly vrubové, napětí v materiálu se přenese na sousední vrstvu a nedojde k jeho zničení vlivem dlouhodobého proměnlivého zatížení. To je jeden z důvodů, proč kompozitní díly mají mnohem delší životnost než kovové díly.

3.1 Kompozity z uhlíkových vláken

Přestože výzkum a aplikace materiálů z uhlíkových vláken začaly v Číně pozdě, technologie se v posledních letech rychle rozvíjela, zejména v oblasti provozu vozidel. Například společnost CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Co., Ltd. použila materiály z uhlíkových vláken při návrhu kabiny zařízení kulového vlaku. Odolnost proti nárazu, odolnost proti korozi a mechanické vlastnosti vozidla jsou zaručeny a hmotnost kabiny zařízení je asi o 35 procent nižší než u materiálu z hliníkové slitiny.

3.2 Kompozitní materiály ze skelných vláken

Díky vynikajícím vlastnostem snížení hluku a zpomalování hoření je mechanická pevnost a poměr tuhosti vynikající. Proto se často používá v sedadlech kolejových vozidel, krytu hlavy kabiny strojvedoucího a dalších částech.

3.3 Kompozity z aramidových vláken

Ve srovnání s tradičními kovovými materiály mají aramidové kompozity vynikající vlastnosti, jako je zpomalovač hoření, vysoká pevnost, vysoký izolační stupeň, odolnost proti vlhkosti a korozi a stabilní fyzikální a chemické vlastnosti. Plně se používají v motorech, transformátorech a dalších pozicích a mohou hrát dobrou roli při snižování hmotnosti izolace.

Aplikace kompozitních materiálů v kolejových vozidlech bude stále rozsáhlejší, zejména v konstrukci karoserie vozidel má dobrou perspektivu uplatnění.