轨道车辆在采用复合材料方面要落后于航空航天领域。现在大部分轨道车辆在车辆内部广泛采用复合材料,但是外部部件,特别是结构部件,仍然采用金属材料。与之相反,最新型的飞机有50%采用了复合材料,包括主要承力部件。
为什么会存在这种差距呢?毕竟轨道交通和航空运输存在很多共同之处。他们都需要快速移动,运送旅客,在长期、苛刻的使用寿命中会产生动态和静态应力和材料疲劳损伤。火灾对于二者来说都是非常危险的因素,因此在产品设计时应尽量考虑将这种风险降至最低,并确保具有足够的耐撞击强度。舒适度和外观也是乘客所非常关心的。不断增加的燃油成本也是二者选用复合材料的主要原因。
Umeco Structural Materials公司(之前的Advanced Composites Group)轨道交通领域市场经理Richard Horn博士介绍说,通常用于轨道交通的玻璃纤维复合材料的比重为1.4,约为铝的一半(2.7),不到低碳钢的1/5。这就是为什么部分采用塑料的列车与以往全金属车辆相比,能够在节省能源的同时还能达到很高的速度,实现快速加速、快速制动。
轨道交通采用复合材料的优势还在于其具有高刚度、高强度,优异的抗疲劳、抗冲击和耐腐蚀性能。而且,增强塑料还可以成型出美观的外形,进行中等批量生产。在生产形状复杂的产品时,与金属材料相比,可以减少部件数量,降低成本。
复合材料的发展障碍
虽然复合材料还没有进入轨道交通车辆的关键部件,如主要承力结构件,不同于航空航天领域。诚然,减重对需要克服重力起飞的飞机来说显得更加紧迫,但是造成这种滞后情况还有其他一些原因。
当然,在一些传统行业里,还是惯于采用重型构造,由于安全的原因,不允许进行很多实验。抛开文化基础,铁路行业的工程师如果让他们抛弃传统金属材料而采用复合材料,他们会不知所措,因为他们不了解复合材料是什么。虽然复合材料的配方很多,可满足很多应用需求,这也算是一种优势,但是复合材料的确也面临着一种认同危机。这也反应在软件模型的缺乏上——可以通用的开发工具,而对金属材料来说,虽然其存在较大的不一致性,但是却有很多标准的模拟工具。开发人员往往需要花费好几天的时间来为复合材料建模,而金属材料只需要几个小时。
而且,复合材料的多变性可以允许设计人员为每一特定应用进行材料优化,但是会导致制造过程中因材料或人为因素带来的不一致性。材料一致性可以通过采用片状模塑料(SMC)和预浸料来解决,这些材料的生产过程可以严格控制。不幸的是,在自动化程度较低的生产中,大量的手工操作很难保证材料的一致性。尽管采用闭模成型有利于产品质量控制,但很多复合材料成型还需依赖手工湿法积层。