应用于轨道交通侧壁盖的耐火热塑性碳纤维复合材料

传统意义上来讲，我们在铁路应用中使用复合材料时，消防安全是一个巨大的挑战。热固性复合材料历史上的一个限制就是铁路部件所需的严格消防安全标准，比如欧洲的EN 45545标准。对于热固性树脂，通常有两种选择:耐火涂层，或树脂基体中的耐火添加剂。而这两种方法都不理想。涂层增加了重量，通常不会像复合材料部件本身那样持续很长时间——在部件30年以上的使用寿命中，涂层很可能会老化，需要重新涂覆。而另一种方法，树脂中的填料或添加剂如果需要大量添加，会增加重量，或者可能对整体材料性能产生不利影响。

德国CG rail 公司在2018年与一家高速列车制造OEM合作，为结构轨道组件寻找替代的、固有防火的复合材料选择。为此开启了为期两年的项目研究，成果是耐火热塑性碳纤维复合材料制成的外部侧壁盖原型，大大提高了轨道车组的耐火性。

符合消防安全标准:材料筛选

在正常运行条件下，金属本身就具有耐燃性，但随着轨道原始设备制造商越来越多地转向重量更轻、抗腐蚀的替代品，如用于轨道结构部件的复合材料，近年来推出了各种复合材料解决方案，从填料、膨胀膜到新型树脂。这些材料的防火性能是通过各种因素来衡量的，包括点火、自熄能力、火焰蔓延、烧穿、热量释放、烟雾产生和烟雾毒性等等。

在这种情况下，客户正在寻找一种可以在自动化过程中大规模生产的耐火部件。考虑到加工、速度和机械性能目标，CG Rail将选择范围缩小到热塑性复合材料。其研究侧重点为是否有一些热塑性基质材料能带来防火效益，而不存在热固性选择带来的任何缺点。

另一个挑战是为铁路找到价格合适的材料。其实本来可以选择一些航空航天级的热塑性塑料，它们的性能合适，但价格对于铁路应用来说没有竞争力。所以需要有合适的性价比，合适的防火安全，以及市场上主要供应商的合适供应，以及可以提供进入批量生产所需的材料，等需求满足。

为了证明这一材料研究，CG Rail和客户决定以侧壁盖为目标——通常由铝制成——作为原型部件。这些盖子位于高速列车的外部，可以保护车辆的电气设备，并作为维修的入口。之所以选择这种盖子，是因为它的几何形状不太复杂，但每节火车车厢上都有几十个盖子，与热固性预浸料和热压罐工艺相比，热塑性塑料的加工时间相对较快。

原型部件需要满足与原始铝制部件相同的基本几何和机械要求——刚度、强度、抗冲击性、消防安全标准，并增加一个目标，即将整体部件重量减少30%。重量的节省将考虑到客户的目标，即降低列车运行期间的整体能源消耗。

材料筛选:寻找合适的碳纤维/热塑性塑料

从一开始，客户指定他们想要碳纤维增强热塑性塑料(CFRTP)材料的项目。而之所以选择碳纤维，是因为他们想让这个部件尽可能轻。玻璃纤维也可以用于类似的部分，以节省前期的材料和生产成本，这取决于整体目标。在这种情况下，通过改用重量最轻的材料，可以降低轨道车辆的能源消耗，从而节省部件生命周期的成本。

在一年多的时间里，CG Rail在市场上筛选了数十种热塑性复合材料，包括胶带和机织织物，在进行消防安全测试之前，测试了所需的强度和刚度性能。在将清单缩小到大约12种材料选项后，再根据客户的要求进行了五个阶段的额外测试。

这五个阶段中的第一个阶段是消防安全，这一阶段消除了大约一半的材料选择。具体来说，每个样品分别按照EN45545-1、-2和-3进行火焰蔓延、放热、烟雾不透明度和毒性测试。需要满足的特定阈值是由列车类型的要求而确定。

第二阶段是温度性能和稳定性，在列车需要承受的环境温度范围(从-40°C到约80°C)下测试。

第三阶段测试了材料对环境的影响。这些材料经受了加热、水蒸气、盐雾和紫外线的照射。在它们的使用寿命过程中，这些是最大的环境因素，所以基本上是以加速的速度'老化’这些材料，让它们在短时间内受到30年的环境因素的影响，看看它们如何以及是否会恶化。

接下来是材料性能测试。这些测试包括满足静态拉伸、压缩、开孔压缩、开孔拉伸、平面内剪切和层间剪切标准的测试，以及冲击测试等。

在第四阶段之后，只有一种材料进入了第五阶段:疲劳测试。在这一点上，我们需要非常确定，因为这些测试需要很多时间。你用一个特定的上铺层取多个样本，然后在不同的方向测试它们，以获得不同的应力比和振幅。然后，必须对任何想要测试的样本重复相同的测试。每个测试样本在疲劳之前都需要进行数周的测试，但这是表征材料并获得材料在数百万次负载循环情况下表现反馈的唯一方法。

最终的材料被缩小到专有的CFRTP单向(UD)胶带。

零件设计:仿真与建模

为了满足客户设定的时间框架，侧壁盖本身的设计过程与材料测试同时进行。一旦选择了最终的材料，零件设计就会相应调整。

而设计是基于客户提供的机械要求(基本几何形状、重量、强度、刚度等)和上述选择过程中的材料数据的组合。

首先，CG Rail团队确定他们必须使用的“设计空间”，这是他们在原始铝部件的规定参数和将该部件连接到列车上的空间上限之间的自由度。在这种情况下，外部几何结构已经设置好了——该部件还需要能够将金属紧固件连接到列车车厢的其余部分，并将其他部件(如插槽空气过滤器)连接到车盖的中间。设计空间是几厘米厚的覆盖层和包层之间的间隔。

此外，钢或铝具有固有的高弹性模量，短纤维增强复合材料通常需要额外的“设计空间”来弥补刚度驱动组件的差异。当你关闭侧壁盖时，它应该完全像铝部分一样弯曲。为了保持列车外观不变，部件的刚度也必须保持不变。

由于防护罩的保护性质，该部件的主要载荷情况驱动设计是冲击，例如在火车行驶时来自砾石或其他碎片的撞击门。设计要求是在这种情况下，尽可能以最快的速度在那里放置最大的砾石，而不会穿透组件。

使用预定义的几何和载荷情况，下一步是使用仿真软件进行拓扑优化。得到的模型显示了最佳形状、材料密度和分布以及给定要求的肋骨位置。

然后下一步是进行调整，使建模设计更容易制造。

设计过程：首先，设计团队确定允许使用的设计空间的数量(见上图，最左边的绿色层)。接下来，进行拓扑优化，以确定最佳的材料放置和肋结构(中间的蓝色层)。最终的设计针对可制造性进行了优化(最右边的黄色层)

最终零件和材料迭代:为制造而设计

当涉及到制造过程时，CG Rail知道该部件需要在一个可以由客户批量生产的过程中制造。其中压缩成型和注射成型都被考虑过。注塑成型很有趣，因为它是一个非常快速、干净的过程，但模具非常昂贵。最终，选择了压缩成型，因为模具对于所需的体积来说更具成本效益。如果所说的是几十万件或类似的东西，我们肯定会选择注塑成型，但(这些盖子)的零件数量更像是每年几千件，这使得压缩成型更适合。

CG Rail设计了模具，然后由供应商合作伙伴加工。该部件是由CG Rail的另一个合作伙伴制造的，使用Schuler (德国)压力机，能够达到25,000千牛顿。

考虑到制造过程，设计团队采取了仿真优化设计，并适应了成本和易制造性。例如，优化的模型包括一系列沿着结构两侧的肋，只在需要增加刚度的地方放置材料。CG轨道团队重新设计了肋骨，使其具有均匀的厚度和间距，以便于制造。

建模还指出了需要连续纤维强度特性的地方，并决定在其余领域使用成本较低的不连续纤维。特别是凸肋，需要不连续的纤维材料-连续的纤维在压入工具腔时会起皱，而不连续的纤维在成型过程中更容易流动。

此文由中国复合材料工业协会编译，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。

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