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。
另一个问题是材料连接,以及检测复合材料最终粘合强度的难度。贴片测试可能有所帮助,但是也不能完全解决问题,因为,贴片并不完全具有代表性。连接两种不同材料是一种非常困难的事。金属和复合材料的结合是过渡到全部复合材料的权宜之计。铁路行业也是通过材料复合的形式来解决粘合或连接问题,与航空航天行业一样。
火灾风险是另一个阻碍因素。为了确保燃烧、烟密度和毒性(FST)符合法规要求,需要在通用聚酯、环氧等树脂中添加阻燃化合物,或者采用其他种类树脂,如酚醛树脂或丙烯酸树脂这些成型困难的树脂。法规要求树脂中使用的添加剂要为非卤素类的。
然而在这个行业中还存在一个标准和法规的雷区。铁路一般都是属于国有企业的。直至今日,每个国家都制定了各自的FST法规、抗撞击性和其他性能要求法规。车辆制造商必须面对国内和海外市场的不同情况。最近,通过各方的努力,一些国际标准已经出台,如EN45545;该标准将于今年生效。不过即使如此,整个行业还需要进一步的协调统一。
内装饰的发展趋势
尽管有这些限制,复合材料的优势将使其在轨道交通车辆中扮演的角色越来越重要。特别是内饰材料,如侧板、饰件、椅子、桌子、窗框、行李架、垃圾桶、舱壁、地板、天花板、门廊、卫生间和楼梯。这些可以使列车减轻重量,保持良好的性能,并带来经济效益。
Newcastle大学研究中心轨道交通小组组长Joe Carruther博士指出,都市里的轨道交通车辆重量每减轻10%,能耗便可以降低7%,每年每辆车可以节省10万美元。
在近期进行的一项研究中,Carruther博士表示,用复合材料扶手取代金属扶手非常普遍。金属扶手会给列车增加半吨重量。由Exel复合材料公司生产的碳纤维复合材料扶手比不锈钢扶手轻了57%,通过采用拉挤-缠绕工艺,其价格也低于不锈钢扶手(突出部件若实现批量生产的话,其成本也不会太高)。
Carruther博士认为,如果设计人员不再局限于内装饰部分,复合材料在轨道交通中的认可度将会大幅提高。如果能够将性能要求具体规范化将比只说“扶手应该用缎面抛光不锈钢或铝”要好。他还强调说,新材料的推广必须非常谨慎,或许只能通过有限的试点工程。实际生命周期评估通常会有利于这些材料。
Umeco公司的Richard Horn博士指出,现在内装饰件的生产还主要是基本的湿法积层和SMC,然而如果改成先进的工艺与材料的结合,如模压预浸料,将会降低成本。在今年的欧洲JEC展览会上,他们推出了一款用2mm厚的玻璃纤维/酚醛预浸料替代传统的聚酯SMC生产的靠背,重量降低了40%。一旦解决了产品的表面质量问题,产品的成本将非常具有竞争力。
英国Ipeco复合材料公司,一家具有航空航天背景的公司,采用预浸料在阳模上真空灌注成型并用热压釜固化生产制品。产品的机械性能和FST性能良好,并且减轻了产品重量,生产了960件靠背,事实证明成本可以接受。这些产品用在国家高铁运营的英国庞巴迪电子之星30列车上。
Horn认为列车运营者对复合材料的推动作用要大于列车制造者。
他说,“零件制造商将标准化的车身壳体交给运营商,运营商再进行内装饰。运营商非常欢迎复合材料,因为他们能够清楚看到重量的降低给他们节约了运营成本,带来了利润。”
Horn还说,对于某些类型的列车,如高速列车、地铁、双层列车和单轨列车等来说,重量降低非常重要,因此复合材料在这些领域具有很好的前景。例如,使单轨列车轻量化,不仅可以节省燃油消耗,而且还可以使基础设施变轻,并减少磨损。
Umeco仍致力于开发新的材料和工艺,旨在提高产品质量和工艺性能的同时,降低产品成本。但从事这项工作的并只是这一家公司。例如,固瑞特(Gurit)公司开发了一系列环氧、酚醛、氰酸酯和苯并恶嗪基预浸料,增强材料包括玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维。他们正在欧洲和中国销售改进的酚醛预浸料。
根据固瑞特交通部总经理Kees Reijner介绍,酚醛由于能够满足FST方面的严格要求而在内饰件上非常受欢迎。随着重量进一步减轻,传统的单片层板将会逐渐被预浸料和蜂窝或泡沫制成的更轻的夹芯结构取代。这种制品在生产中不需要采用热压釜便可以快速成型,表面质量非常高。
不仅酚醛树脂可以在有阻燃要求的领域使用。Scott Bader公司成功开发出了在轨道交通领域应用的聚氨酯丙烯酸酯。他们说,一些西班牙和中国的车辆制造商已经采用了他们的Crestopol树脂,代替酚醛树脂,通过添加氢氧化铝填料来达到阻燃性能要求。这些树脂可以进行模压和拉挤生产。它们不仅安全、无害,且具备车间生产效率,而且能够达到所需的机械性能和阻燃要求。此外还具备不错的表面光洁度。
Scott Bader公司还介绍了一些无卤素的手糊和喷射用胶衣和面漆,可以帮助层板满足FST要求。
运营在地面下的地铁列车对防火和安全上的要求更加严格。英国Permali Gloucester公司是提供这方面材料的专业公司。Permaglass MFM是一种装饰性层压板,做地铁列车内装饰内衬,包括伦敦地铁车厢。Permaglass MER材料具备隔热、无卤素阻燃特性,可以在许多电器闭合件的应用上取代石棉制品。该公司还可以提供夹芯地板和隔热部件。
夹芯复合材料同时具有轻质、高刚性和弯曲强度特性。专为列车开发的材料包括结构芯材Divinycell P,由瑞典DIAB公司提供。这种可以回收的热塑性夹芯结构可满足欧盟FST规定,可以与常用的酚醛体系兼容,并可以用传统的手工和真空袋法成型,还可以采用更加先进的工艺,比如灌注和树脂传递成型(RTM)。可以与多种中温固化预浸料一起使用,还可以用加热或拉挤工艺成型。
其声称的优点包括:良好的机械性能和抗疲劳性能,低吸水率、良好的隔音和隔热性能,耐化学性且具备环保优势——可以回收。目前可供应于面板或即将用于建筑件的Diviycell P有不同的厚度,密度范围为60~150g/cm3。内饰件包括车厢地板。
还有一种夹芯部件来自瑞士Airex 复合材料系统(ACS)公司——COMFLOOR地板系列夹芯板,内含隔热泡沫芯材和为车厢加热的一体式表面加热单元。