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芳纶制品在轨道交通领域的应用概况

芳纶制品在轨道交通领域的应用概况

0 引言

我国存在地域面积广、人口分布不均、地区经济发展不平衡等特点，这些特点决定了轨道交通在国民经济发展中的不可替代的作用，也决定了轨道交通领域关键材料的重要地位。高速铁路的发展随着运输速度的提高，其关键材料品质也需进一步提高，急需进行升级换代。2014年10月，为支持轨道交通行业的发展，国家发改委、财政部、工信部联合印发了《关键材料升级换代工程实施方案》。其中，芳纶纸以其良好的性能和广阔的市场空间入选“先进轨道交通行业急需材料”。
芳纶纸首先由美国杜邦发明，商品名为Nomex。它是采用芳纶短切纤维和芳纶沉析纤维为原料，利用独特的造纸和热压工艺制备的。它可运用于高铁、城轨和地铁所用变压器、电机槽、磁线圈、电磁线圈的关键绝缘材料，为电气设备的安全运行提供保证；芳纶纸还可用来制备芳纶蜂窝，可用于制造高铁及动车的车门、隔板、行李架、地板等部件，在轨道交通领域的轻量化方面发挥重大作用。

1 芳纶纸在列车电机上的应用
芳纶纸具有高强度、高绝缘等级、阻燃、耐高温、抗潮气、耐化学腐蚀的特点，可用做高速列车电机、变压器系统绝缘材料。相对于其他绝缘材料而言，芳纶纸极限氧指数>28，不会助燃、爆炸或燃烧，不会释放有毒气体，提高了高速列车的安全性和稳定性；芳纶纸的耐热性高，可减少变压器的冷却空间，使得变压器结构紧凑，尺寸减小；芳纶纸具有优异的抗潮气性，可增加电气设备的寿命。虽然国内已有烟台民士达、上海圣欧、深圳龙邦等单位进行了产业化，但是受产业规模和技术能力的限制，国内高端电气绝缘市场依旧被杜邦公司所垄断。
1.1变压器
芳纶纸可广泛地应用于各种干式和油浸式变压器的绝缘部分，包括导线包纸、层绝缘、相绝缘、芯线绝缘、线端绝缘、静电环、撑条和垫块等。芳纶纸和纸板也可以与Midel、R-Temp和硅树脂等耐高温油一起使用形成耐高温绝缘系统，这种绝缘系统已经应用于铁路系统牵引配套设备和路旁式配电变压器中。美国高速列车“Acela Express”上使用了 Nomex绝缘系统变压器，Nomex的应用使得该列车的变压器体积减少了15%～20%，并且其维修工作量减少，使用安全性增加。
在牵引变压器的制造过程中，部分采用芳纶绝缘纸替代普通绝缘纸，可以降低变压器的一个容量等级，有效降低电气设备的运营成本。北京交通大学的李强采用Nomex绝缘纸部分替代牵引变压器的普通绝缘纸，可提高变压器的过负载能力，减少基本容量费的支出，降低了电气化铁道的运营成本。
混合绝缘指的是在变压器线圈的高温部分采用芳纶纸和纸板，而其他不太热的部分采用纤维素纸，该技术目前已经在欧洲、北美、澳大利亚等国使用。我国的成都铁路供电系统，就是采用了一台13.5 MV混合绝缘整流变压器取代原来的两台10 MV的常规整流变压器，大大节省了成本。
1.2电机
随着我国铁路电气化及城市地铁、轻轨的建设步伐加快，电机向高电压等级、高功率、大容量、高性能等方向发展，使得间位芳纶绝缘纸的需求量激增。芳纶纸广泛地应用在发电机和电动机等转动设备中，其具体应用包括做导线包纸、槽绝缘衬、楔块中部和顶部的撑条、相绝缘、极片和线圈支架、整流子V形环、引线绝缘和对地绝缘。
湘潭电机公司试制的高速电机中，用芳纶纤维-环氧树脂复合材料用于高速发动机转子护环，拉伸屈服极限为1498 MPa，能满足电机高速运转的要求，解决了传统玻璃纤维转子护环强度不够的问题。天津华之阳特种电缆公司发明了一种封闭式电机引接线，由金属导体、内编织层、外编织层及绕包层组成，内外编织层皆是芳纶，编织后的电机引线完全适合在封闭式电机的高温、高压的制冷剂及润滑油的场合下应用。
2 芳纶蜂窝在列车上的应用
芳纶蜂窝是芳纶纸经过涂胶、切纸、叠合、热压、拉伸、浸胶、定型、片切等工序加工而成，采用一定工艺将碳纤维面板、玻璃纤维面板、铝板等材料贴合在芳纶蜂窝表面可加工为各种芳纶蜂窝夹层材料。在国外，普通纸蜂窝、铝蜂窝和Nomex蜂窝夹层结构均应用于铁道车辆，意大利的ETR-500、美国的BART地铁及德国Thyseen磁悬浮列车均大量采用这种结构。在国内，最近也有一定数量的芳纶蜂窝夹层结构开始在铁道车辆中得到批量应用，在列车轻量化方面发挥重要作用。
2.1芳纶蜂窝夹层材料性能
2.1.1力学性能
图1是芳纶蜂窝夹层材料与不同列车内装材料力学性能的对比。由图可知，芳纶蜂窝夹层材料具有优异的力学性能，在密度相同情况下，其抗压和抗剪能力明显强于巴沙木、铝蜂窝、聚氨酯泡沫及PVC泡沫。芳纶蜂窝夹芯材料实质上采用的是“工字梁原理”，面板承受了全部的侧向正应力，而夹层结构的夹芯承受了全部的剪切载荷。
2.1.2阻燃性能
列车用内饰材料必须具有阻燃及安全的特性，由于芳纶纸属于难燃材料，浸酚醛胶后其极限氧指数> 28，因而可达到其他复合材料无法达到的阻燃性能。目前铝蜂窝夹层材料要在面板上涂大量的胶水，燃烧试验会产生翘曲变形。
2.1.3耐久性
目前列车用玻璃钢、胶合板及泡沫材料都会随着时间的推移而发生一定程度的老化、吸潮、开裂、变形等问题，且铝蜂窝不耐盐雾环境的腐蚀，采用芳纶蜂窝可有效解决这些问题。
2.1.4隔音性能
芳纶蜂窝本身具有高聚物的粘弹性，可吸收外界振动能量，具备良好的隔音减振性能，这也是其他材料所不具备的，可用来制造列车上具有减振要求的零部件。据报道，航空用芳纶蜂窝地板相对于铝蜂窝地板而言，可减少约6dB的噪声。
2.2高速列车轻量化
随着高速列车的飞速发展，对列车轻量化提出了迫切要求，列车轻量化可有效提高载重能力、降低轨道维修费用、减少能耗和运行成本。列车重量对于钢轨、枕木、道渣等轨道结构影响很大，车辆的轻量化可简化轨道结构，从而能减少建设费用。另外，通常由于高速化易引起轨道偏位，而车辆的轻量化，可减轻车辆对轨道的负荷，并且可减少钢轨磨耗，从而能减轻轨道的维修。列车的阻力通常与列车重量成正比，车辆的轻量化可大大地减少频繁加速、减速的通勤电动车组的动力费用，以及多坡道、多曲线的现有线上车辆的动力费用。最后，列车的轻量化可减少电力设备的使用，降低列车通过时对地基的振动，可有效节约能源，保护环境。

目前新型轨道交通领域轻量化材料主要有蜂窝夹层板、纤维增强塑料、金属基复合材料、新型铝合金等、材料的轻量化可带来列车的轻量化。在列车轻量化同时要注意列车车体的刚度、隔热、隔音等性能，因而芳纶蜂窝夹层材料是轨道交通材料材料未来轻量化发展的趋势。
2.3芳纶蜂窝在列车上的应用情况
2.3.1用于制造列车非承力部件
一般车辆内部配件最常用的复合材料，是由玻璃纤维和阻燃聚酯树脂构成。车窗内饰板、水箱、小便池、集便箱、车前头盖板等，都成功地用玻璃钢制造过，其加工方法有冷压、喷射和手糊，有采用无规则玻璃毡，也有采用半连续玻璃毡。由于芳纶蜂窝夹层板质量轻且易加工，因而在列车的内部设备及一些辅助件开始采用。
意大利的ETR-500型列车，再次为这种复合材料在现代高速列车上的应用提供了一个极好的范例。该车所有的内墙板、顶板及行李间全部由夹层板制造。这种夹层板结构包括一个由Airex公司提供的Nomex 蜂窝芯和两层玻璃纤维-酚醛层压板，层压板外表面涂一层Tedlar聚氟乙烯漆。Velaro E动车组是西门子公司为西班牙设计的高速动车组，其车体的侧墙及侧顶板也大量采用了芳纶蜂窝夹层材料。CRH5型动车组技术引进是以与ETR-500同系列的SM3动车组为原型，从而为铁路客车内部装饰材料的发展搭建了一个应用Nomex蜂窝夹层材料的技术平台。CRH5型车客室墙板、顶板、车窗、行李架、客室间壁、通过台间壁、通过台平顶板等均为Nomex蜂窝夹层材料。CRH5型车上芳纶蜂窝取得突破性进展主要表现在如下两方面：
1）制造了形状复杂、制造公差和外观质量要求都非常高的内侧墙板，突破了蜂窝夹层结构复合材料只能应用于制造平面结构或只能在一个方向折弯的零部件设计理念；
2）制造了有着较高承载和耐磨要求的行李架，突破了蜂窝夹层结构复合材料不能应用于制造车辆内装结构重要受力构件的传统设计理念，从而使其应用范围扩展到了一个新的领域。
2.3.2用于制造列车承力部件
芳纶蜂窝还可应用于制造高速列车的主承载件，包括高速列车车顶、车体及司机室等部件。意大利 ETR500列车车顶用玻纤/碳纤维织物共同增强酚醛树脂预浸料制成夹芯结构的面板，用厚度12.5 mm的 48 kg/m3芳纶纤蜂窝作为芯材，采用真空袋压及热压罐成型工艺（热压罐压力为0.25 MPa，固化温度为 135℃），制备了满足高速列车车顶弯曲刚度、阻燃及耐环境老化性能、连接处疲劳寿命等要求的复合材料夹芯结构车顶，质量由原来的1080kg减少到512kg。为了提高佛罗里达州迪士尼乐园有轨车的载客容量，运用多种复合材料对车体进行了重新设计，所用复合材料包括蜂窝结构、碳纤维和玻璃纤维以及环氧和酚醛树脂。与传统的铝制结构相比，这种单轨车的车体自重减轻了40%以上。而且据估算，其造价比铝的要便宜9%，这主要是由于工作量和边角料都减少了。
3 结束语
随着铁路电气化及城市地铁、轻轨的建设步伐加快的情况下，对铁路车辆的电气设备的安全性及车辆的轻量化提出了更高的要求，芳纶纸和芳纶蜂窝的批量化使用是高铁技术发展的必然。
1）国内芳纶纸生产厂家一方面要加强造纸及热压等关键设备的国产化，另一方面应联合发力，攻克芳纶纸原材料关键技术，降低芳纶绝缘纸成本，增强其在轨道交通领域的竞争力，占领高端电气绝缘市场。
2）芳纶蜂窝构件设计前应使用有限元分析等软件对其进行模拟，分析其强度、刚度及耐疲劳性能是否满足需求；芳纶蜂窝的应用需加强新安装工艺的研究和设计，充分考虑其芳纶蜂窝夹层材料的粘接、开孔及拼接工艺；开发不同类型的面板，充分满足不同的应用场合需求。
3）由于高速动车组分别属于不同引进车型，涉及到的材料及规格不一，且分布于不同的主机厂生产厂家，无法建立统一的材料评价体系，统计相关芳纶制品的需求。因此，需尽快建立供需服务平台，解决芳纶制品在应用中存在的问题，推进芳纶产业的发展。

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