高分子材料在轨道交通中的应用

    在我国轨道交通高速发展的同时，轨道交通对新材料的需求量也快速增加，同时对材料的安全性与功能性也提出了更高要求。高分子材料在轨道交通中发挥着重要作用，从路基建设到车辆内外饰、再到结构承力件等部件上的应用，材料优良的性能赋予制品出色的特性。

地铁车辆的重量分配

    在轨道交通车体中的应用

    列车车辆的车轮对轴承要求很高，需确保列车在高速运行时可靠性和安全性的同时，还要维修方便，因此，滚动轴承保持架起着十分关键的作用。聚酰胺复合材料具有高弹性、自润滑性、耐磨性、耐冲击性、耐腐蚀性、易加工、质轻等特点，能达到轴承所要求的性能，对铁路运输安全、高速、重载起到了关键作用。这种轴承保持架采用玻纤增强和石墨或二硫化钼作润滑剂，密度小，质量轻。此种保持架在国外已广泛应用，如瑞典SKF公司在客车车辆轴承和机车牵引电机轴承上均采用25%的玻纤增强PA66复合材料制作轴承保持架。

    转向架也是轨道交通车辆的重要组成部分，其承载着车身和乘客重量，在不同的载荷工况下，转向架承载交变载荷因此转向架必须有足够的强度和刚度。传统构架由金属焊接而成，据统计，传统金属结构转向架重量占整车重量的28.5%~42%，所以转向架的轻量化对整车轻量化有重要意义。K.W.Jeon教授等研究了玻璃纤维增强的树脂基体复合材料在构架中的应用，并对成型后的构架进行疲劳性能和强度性能的测试。使用玻璃纤维增强材料成型转向架构架，可使构架重量减少30%左右。

    此外，在其他车体部件处，高分子材料也有极广泛的应用。从车体外部情况看，车头及灯罩部分主要应用聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、聚甲醛（POM）等高性能树脂；车窗及车头外部保护层用的是聚酯玻璃钢、酚醛玻璃钢及环氧玻璃钢等玻纤增强树脂；车辆头部采用的是蜂窝复合材料，如芳纶蜂窝、玻璃钢蜂窝、碳纤维蜂窝强化树脂包覆发泡蜂窝材料等；车厢连接弹性缓冲件、受电系统缓冲件、车门/窗等部位衔接用的是弹性缓冲件及胶黏剂、高性能弹性体材料，包括热塑性聚氨酯弹性体（TPU）、热塑性聚酯弹性体（TPEE）、氯丁橡胶、丁基橡胶、三元乙丙橡胶、硅橡胶及硅酮橡胶等。

    在轨道交通车辆内饰中的应用

    随着人们生活水平的提升，人们对轨道交通车辆的方便、快捷提出更高要求的同时，也对乘坐轨道交通车辆的安全、舒适、可靠提出了越来越高的期望，这些期望尤其反映在人们对车辆内部环境的高要求上。

    玻璃钢材料（FRP，亦称GFRP，即纤维强化塑料，一般指用玻璃纤维增强不饱和聚酯、环氧树脂与酚醛树脂基体，其不同于钢化玻璃）相对于传统金属材料具有密度小，比强度、比刚度高，阻燃、隔音性能优异的特点，逐渐在轨道交通领域得到普及。内部装饰是轨道车辆大量使用玻璃钢材料的区域，其中司机室头罩、导流罩、客座座椅椅面、侧墙版、门立柱罩等结构均可使用玻璃钢材料成型。

    司机室头罩一般采用整体式非饱和聚酯玻璃钢材料，为泡沫夹芯结构，是整车外型设计中重要的一部分，与车体连接采取胶接的方式；客室座椅由骨架和椅面组成，骨架通常由铝合金或不锈钢管材阻焊而成，椅面树脂通常采用不饱和聚酯或酚醛树脂，而对比酚醛树脂玻璃钢和不饱和聚酯玻璃钢两种材料，前者相较后者有更优异力学性能，且前者在不添加任何阻燃剂时，高温下仍能保持其物理特性不降低；目前地铁车辆风道由铝板阻焊而成，为了使风道保温，在铝板外层粘接隔热棉以及防火岩棉等，长春轨道客车股份有限公司出口巴基斯坦的铁路客车采用了新型酚醛玻璃钢风道，并且将顶板与风道合二为一，不仅可节约车内空间、降低自重，还能增大通风面积，提高通风效果。

    此外，在其他部件处，如内饰板及隔板，通常应用ABS树脂；客舱顶板、墙板、行李架挡板等用的是以低密度聚乙烯（LDPE）、聚氨酯（PU）、聚氯乙烯（PVC）、聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）、聚醚酰亚胺（PEI）等为内芯的夹芯材料及蜂窝夹芯材料；客舱风口格珊及内饰灯罩用的是聚碳酸酯及其合金；穿线孔、中空玻璃密封件用的是硅酮橡胶、改性硅烷聚醚胶等；地板内层与底板衔接、玻璃窗安装等用的是聚氨酯、改性环氧树脂。

表1 轨道交通车辆内饰材料发展要求

    目前，轨道交通正朝着高速、安全、舒适的方向快速发展，因此新一代列车内饰件产品对材料要求越来越高（如表1所示），兼具阻燃、轻质、高强等特性的轨道交通内饰材料是重点发展方向。

    在轨道交通中的其他应用

    随着轨道交通向高速化、安全化方向发展，路基建设使用化工新材料的比例也逐步提高，主要为路基土工复合材料、路基线缆材料、防水材料等。

    钢轨绝缘是轨道电路的基本组成部分之一。轨道绝缘除应保证轨道电路正常工作外，还应不降低钢轨接头处的机械强度。这就要求轨道绝缘材料具有良好的绝缘性能和高的压缩强度。由于受气候、环境的不良影响及列车运行交变载荷的连续作用，钢轨绝缘较易损坏，它是钢轨最薄弱的环节。轨道绝缘一般由PA6、PA66、PA1010、MC尼龙等材料制成，主要产品为槽型绝缘、绝缘管垫、绝缘垫圈、轨端绝缘等。轨道绝缘技术与绝缘材料成为轨道电路设备技术发展的关键。

    扣件作为连接钢轨和轨枕的中间连结零件，其作用是将钢轨固定在轨枕上，保持轨距并阻止钢轨相对于轨枕的纵横向移动。扣件要求具有足够的强度、耐久性和一定的弹性，并有效地保持钢轨与轨枕之间的可靠连结，此外，还要求扣件系统零件少、安装简单、便于拆卸。得益于聚酰胺复合材料良好的耐磨、耐老化、弹性好、强度高和柔韧性好等优势，聚酰胺复合材料可有效应用于扣件中，提升扣件产品的综合性能。此外，得益于聚酰胺复合材料优良的耐油性、耐磨性、自润滑性和良好的力学性能，其在铁路线路上的重要部件——道岔，在减小道岔的转换力和提高道岔的运行可靠性上也取得了良好的效果。

    从无砟轨道路基结构及材料应用看，轨道垫片的减振降噪部件应用的是热塑性弹性体、聚氯乙烯、硅橡胶、环氧树脂、丁基橡胶、丁苯橡胶、三元乙丙橡胶等；缓冲填充物为改性沥青；路基防水层、电缆槽防护用的是聚氨酯、聚脲及氯化聚乙烯。此外，保护线缆等辅助设施的铁路盖板也是轨道材料中涉及化工新材料较多的部件。在有砟轨道系统中，复合材料枕木、道砟胶也应用了大量的化工新材料。

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责任编辑：殷鹏飞

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