Волокнистий композит став незамінним ключовим матеріалом у сфері залізничного транспорту

В останні роки, зі швидким розвитком галузі залізничного транспорту, все більше і більше досліджень нових матеріалів для залізничних транспортних засобів, і частка нових матеріалів стає все більшою і більшою. Серед них дослідження та застосування волокнистих композиційних матеріалів є найбільш помітними. Це пояснюється тим, що волокнисті композитні матеріали можуть бути засновані на вимогах до дизайну, шляхом вибору різних матриць і матеріалів зміцнення, різних пропорцій розгортання та використання різних процесів формування, які можуть бути отримані з різними комплексними властивостями нових матеріалів, такі як хороша теплоізоляція, корозійна стійкість, зносостійкість, високий питомий модуль, висока питома міцність та інші властивості, ця характеристика не може відповідати традиційному одному матеріалу.

У конструкції залізничних транспортних засобів композитні матеріали широко використовувалися в інтер'єрі транспортних засобів, а також певною мірою використовувалися внутрішнє обладнання та інші частини вантажної конструкції. Конструкційні деталі з композитних матеріалів мають такі переваги, як висока міцність, легкість і висока жорсткість. Виробничий процес зазвичай використовує майже остаточну технологію формування, яка не потребує подальшої обробки та може значно знизити витрати на виробництво. Застосування композитних матеріалів також може ефективно підвищити комфорт і безпеку залізничних транспортних засобів, зменшити вібрацію та шум, а також зменшити вагу кузова. Волокнистий композит став незамінним ключовим матеріалом у сфері залізничного транспорту.

Питомий модуль і міцність композитів з вуглецевого волокна є найвищими серед широко використовуваних матеріалів, і вони мають очевидні переваги в міцності, жорсткості та токсичності диму. Новий матеріал FRP має хороші показники антипірену та звукоізоляції. А арамідні композиційні матеріали мають вогнестійкість, високу міцність, стійкість до високих температур, високий рівень ізоляції, вологостійкість та стійкість до корозії, стабільні фізико-хімічні властивості. Усі види композитних матеріалів мають різні характеристики та використовуються в різних ключових частинах залізничних транспортних засобів.

2.1 Хороші механічні властивості

Композитний матеріал втілює комплексні характеристики матеріалу матриці та матеріалу посилення, з високою міцністю, легкою вагою, великою жорсткістю, зниженням вібрації та шуму, стійкістю до втоми, теплоізоляцією та іншими чудовими характеристиками, для полегшеної конструкції транспортного засобу, що покращує безпеку і комфорт транспортного засобу має велике значення.

2.2 Відповідати вимогам щодо полегшеної розробки залізничних транспортних засобів

В останні роки швидкість руху залізничних транзитних транспортних засобів стає дедалі вищою, що вимагає від залізничних транспортних засобів досягнення полегшеної конструкції без зниження показників безпеки. Композитний матеріал є найбільш ефективною схемою для залізничного транспорту.

2.3 Може зменшити вартість

З підвищенням швидкості руху залізничного транспорту люди приділяють все більше уваги витратам на технічне обслуговування та експлуатації, приділяючи увагу безпеці та комфорту транспортних засобів. Незважаючи на те, що початкові інвестиції в галузь залізничного транспорту значні, загальна вартість транспортних засобів, що використовують композитні матеріали, значно вища, ніж вартість звичайних матеріалів, особливо тому, що дослідження та розробка нових матеріалів і нових процесів неодмінно потребуватимуть величезних інвестицій. Однак цикл функціонування залізничного транзиту тривалий. З точки зору всього життєвого циклу транспортних засобів, з одного боку, легкі транспортні засоби можуть ефективно зменшити споживання енергії транспортними засобами та знизити експлуатаційні витрати. З іншого боку, стійкість до вібрації, стійкість до втоми, стійкість до корозії, стійкість до пошкоджень та поглинання енергії зіткнення композитних матеріалів кращі, ніж у звичайних металевих матеріалів, тому цикл технічного обслуговування транспортного засобу може бути подовжений, а витрати на технічне обслуговування можуть бути значно зменшеним. Таким чином, у довгостроковій перспективі, композитні матеріали можуть ефективно скоротити вартість життєвого циклу транспортних засобів.

2.4 Має сильну дизайнерську здатність

Високий питомий модуль і висока питома міцність є найбільш помітними характеристиками волокнистих композитних матеріалів, а механічні властивості можна змінювати в широкому діапазоні. Таким чином, шляхом вибору композитної матриці та армування та зміни процесу формування матеріалів можна задовольнити різні вимоги до конструкції. Наприклад, міцність на розрив скловолокна може досягати 3500 МПа, а модуль пружності — 70 ГПа. Міцність на розрив високомодульного вуглецевого волокна може досягати 3900 МПа, а модуль пружності становить 600 ГПа. Експериментами було встановлено, що найкращу шарувату структуру можна знайти відповідно до вимог дизайну в процесі формування структурних частин шляхом зміни композитних матеріалів із дуже різними властивостями матричних матеріалів.

2.5 Хороша надійність і безпека

Найважливішими факторами, що впливають на безпеку деталей конструкції, є стійкість до втоми та чутливість матеріалів до надрізів. Раніше композити широко використовувалися в галузях високої напруги, таких як аерокосмічна промисловість, саме через їх чудову стійкість до втоми та низьку чутливість.

Хоча звичайні металеві матеріали мають високу статичну міцність, їх міцність значно знижується в умовах сильної вібрації. Наприклад, деталі конструкції з металевого матеріалу мають зазор у певній точці. Під впливом вібрації та ударів (змінне навантаження) дефекти швидко поширюються до пошкодження елементів конструкції. Однак різниця між статичною міцністю і віброміцністю композитних матеріалів практично дорівнює нулю. Навіть якщо на частинах конструкції є надрізи, напруга в матеріалі буде передано на сусідній шар і не буде зруйновано внаслідок тривалого змінного навантаження. Це одна з причин того, що композитні деталі мають набагато довший термін служби, ніж металеві.

3.1 Композитні матеріали з вуглецевого волокна

Незважаючи на те, що дослідження та застосування матеріалів з вуглецевого волокна в Китаї почалися пізно, останніми роками ця технологія стрімко розвивалася, особливо в сфері руху транспортних засобів. Наприклад, компанія CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Co., Ltd. використовувала матеріали з вуглецевого волокна в дизайні кабіни обладнання швидкого поїзда. Ударостійкість, стійкість до корозії та механічні властивості автомобіля гарантовані, а вага кабіни обладнання приблизно на 35 відсотків менша, ніж у матеріалу з алюмінієвого сплаву.

3.2 Композиційні матеріали зі скловолокна

Завдяки відмінному зниженню шуму та вогнезахисним властивостям, механічна міцність і коефіцієнт жорсткості є більш видатними. Тому його часто використовують у сидіннях рейкових транспортних засобів, головному покритті кабіни водія та інших частинах.

3.3 Арамідні волокнисті композити

Порівняно з традиційними металевими матеріалами, арамідні композити мають чудові властивості, такі як вогнестійкість, висока міцність, високий рівень ізоляції, вологостійкість і стійкість до корозії, а також стабільні фізико-хімічні властивості. Вони повністю використовуються в двигунах, трансформаторах та інших позиціях і можуть відігравати хорошу роль у зниженні ваги ізоляції.

Застосування композиційних матеріалів у залізничних транспортних засобах буде все більш широким, особливо в конструкції кузова транспортного засобу має гарну перспективу застосування.