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1 夾芯復(fù)合材料

夾芯復(fù)合材料是由上下兩層高強(qiáng)度、 高模量的薄面板和中間較厚的輕質(zhì)芯材組成的結(jié)構(gòu)材料， 如圖1 所示。夾芯結(jié)構(gòu)與普通單一材料相比具有更高的彎曲強(qiáng)度和剛度， 且可以通過(guò)對(duì)芯材的選型，增加隔熱、保溫、降噪、吸聲等附加功能。常用的夾芯復(fù)合材料有蜂窩夾芯復(fù)合材料、泡沫夾芯復(fù)合材料和中空夾芯復(fù)合材料等。

1.1蜂窩夾芯復(fù)合材料

蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)通常由兩層或多層蒙皮之間夾以一層輕質(zhì)蜂窩夾芯并采用膠黏劑在一定溫度和壓力下復(fù)合成一個(gè)整體剛性結(jié)構(gòu) （如圖2）。蜂窩夾芯復(fù)合材料由于其選用了蜂窩材料及其特殊的結(jié)構(gòu)形式， 擴(kuò)寬了其應(yīng)用的范圍， 提升了其優(yōu)勢(shì)，蜂窩夾芯復(fù)合材料的特點(diǎn)為：質(zhì)量輕， 比強(qiáng)度高，抗彎剛度高；具有較高的表面平面度， 且可以制備出形狀復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)；可吸收震動(dòng)能量， 具備隔聲降噪、 減震等效果；具有復(fù)合材料的耐腐蝕、 絕緣性和環(huán)境適應(yīng)性。

1.2 泡沫夾芯復(fù)合材料

泡沫夾芯復(fù)合材料是由兩層面板和中間的泡沫芯層組成 （圖3）， 在航空、 汽車、 建筑、運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其特點(diǎn)是：具有很高的強(qiáng)度和剛度， 比其他材料更加耐用和可靠；具有很好的隔熱性能， 在極端溫度下仍然可以保持其性能；具有很好的吸能性能， 受到?jīng)_擊或碰撞時(shí)， 泡沫芯層可以吸收能量， 并將其分散到整個(gè)結(jié)構(gòu)中；具有很好的防火性能， 泡沫芯層不易燃燒，可以有效地減緩火勢(shì)的蔓延。這使得泡沫夾芯復(fù)合材料在建筑和交通運(yùn)輸領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1.3 中空夾芯復(fù)合材料

中空夾芯復(fù)合材料主要是由增強(qiáng)纖維通過(guò)紡織加工成一定結(jié)構(gòu)形狀的三維織物， 之后經(jīng)過(guò)手糊成型或樹(shù)脂傳遞模塑 （RTM） 成型工藝與樹(shù)脂基體復(fù)合而成的一種新型復(fù)合材料（圖4）。它的優(yōu)點(diǎn)是：蒙皮與芯層一體成形，不分層與剝離，力學(xué)性能優(yōu)異，長(zhǎng)期使用不吸水、不開(kāi)裂、不塌陷；結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，纖維體系多樣；夾層可填充泡沫、 預(yù)埋電線、 監(jiān)控與電子元器件等；織物柔軟， 可整體貼模仿形成型， 尺寸控制精度高，可最大限度減少拼接與補(bǔ)強(qiáng)，提升整體性能。

夾芯復(fù)合材料有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高剛度等特點(diǎn)（表3）， 可以有效降低車體重量、 提高車輛的能效。夾芯復(fù)合材料還具有良好的吸能性能， 可以在碰撞事故中起到保護(hù)作用；其良好的耐腐蝕性能，可以提高車輛的使用壽命。因此， 夾芯復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用， 用于制造軌道車輛車體結(jié)構(gòu)件、車門(mén)、車頂、車廂隔音板等部件。

韓國(guó) Hanvit 200 型列車就大量使用了夾芯結(jié)構(gòu) （圖5）。列車車體上部結(jié)構(gòu)采用夾芯結(jié)構(gòu)， 具有質(zhì)量輕、 彎曲剛度高、 隔熱減振等特性。夾芯結(jié)構(gòu)由碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂層板 （CF1263） 和鋁蜂窩夾芯粘接而成， 其中鋁蜂窩夾芯的芯材厚度為37mm， CF1263層板內(nèi)、 外 表 層 的 厚 度 分 別 為1.5mm和 3.5mm， 纖維體積分?jǐn)?shù)為 60% （圖6）。為了保證車體的防火、隔聲、隔熱特性，Hanvit 200列車最外層采用具有耐高溫特性的玻璃纖維層， 而車體內(nèi)層采用由玻璃纖維酚醛樹(shù)脂層板和芳綸蜂窩夾芯組成的三明治結(jié)構(gòu)。同時(shí)， 為了防止火焰?zhèn)鞑ィ?車體結(jié)構(gòu)與內(nèi)層之間布置了由玻璃纖維層/ 鋁箔夾芯/玻璃纖維層組成的阻燃層， 其間還置入了具有良好降噪性的玻璃棉（圖7）。

法國(guó)的 TGV 雙層車體 （圖8） 實(shí)現(xiàn) CFRP車體結(jié)構(gòu)的重大突破。CFRP雙層車體標(biāo)準(zhǔn)模塊，5m/節(jié)， 采用蜂窩夾層復(fù)合材料和真空袋壓固化成形，較鋁制車減重大于25%， 通過(guò)線路運(yùn)行驗(yàn)證了CFRP 在強(qiáng)度、沖擊、防火、降噪、隔熱等性能方面的優(yōu)點(diǎn)和工業(yè)可行性。

長(zhǎng)客股份公司研制的新一代地鐵車輛全碳纖維復(fù)合材料車體結(jié)構(gòu) （圖9）， 車體的主體材料采用碳纖維預(yù)浸料和蜂窩芯材， 局部結(jié)構(gòu)芯材采用泡沫芯材。為獲得材料力學(xué)性能， 進(jìn)行了不同鋪層、不同溫度、不同濕度和不同工藝的6000 多個(gè)樣件的測(cè)試和十余項(xiàng)材料性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明， 所選材料各項(xiàng)性能均滿足地鐵車體的使用要求。車體采用 “靜力覆蓋疲勞” 和 “損傷無(wú)擴(kuò)展” 的設(shè)計(jì)理念， 其設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程均參照航空工業(yè)復(fù)合材料制件研發(fā)流程， 并采用試樣、 元件、細(xì)節(jié)件、組合件、全尺寸件等多層次的積木式設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程設(shè)計(jì)而成。

2011年底在中車青島四方股份落成的 500km/h高速試驗(yàn)車上采用了碳纖維復(fù)合材料 車 頭 罩（圖10）。導(dǎo)流罩利用中空織物整體成型，減重約50%，其內(nèi)飾板采用玻璃纖維＋紙蜂窩結(jié)構(gòu)，減重30%，其抗沖擊性能和力學(xué)性能優(yōu)良，能耐住1kg鋁彈的660km/h 高速撞擊和350KN的靜載荷， 阻燃性能為S4級(jí) (DIN5510-2)。此外，四方股份與恒神股份公司共同研制的城際動(dòng)車組用碳纖維設(shè)備艙裙板已于2013年底裝車試運(yùn)行中。相比鋁合金減重 ≥30%， 抗沖擊性能優(yōu)異 (UIC -651，未擊穿)， 阻燃性能達(dá)到S3、SR2、ST2 級(jí) (DIN5510-2)， 車體油漆劃格達(dá)到 1 級(jí)水平。

夾芯復(fù)合材料作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料， 隨著復(fù)合材料制備技術(shù)的不斷發(fā)展， 在軌道交通以及航空航天、 汽車、 船舶、 建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛， 也仍有諸多難題需要去攻克。目前，在以下幾個(gè)方面有待深入的研究。

（１）目前復(fù)合材料的規(guī)范、 標(biāo)準(zhǔn)以航空航天行業(yè)為主， 缺少軌道交通相關(guān)的內(nèi)容， 通常在使用前需進(jìn)行靜強(qiáng)度、 疲勞試驗(yàn)以及動(dòng)力學(xué)等一系列試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其可靠性。轉(zhuǎn)向架、 車體作為主要承載件， 復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方法同樣缺乏。后期應(yīng)結(jié)合目前復(fù)合材料在軌道車輛的應(yīng)用情況， 總結(jié)和整理適用于軌道交通行業(yè)的復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)體系，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行大量試驗(yàn)獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 建立數(shù)據(jù)庫(kù)，以支撐理論分析， 提高理論驗(yàn)證的精度。

（２）夾芯復(fù)合材料的設(shè)計(jì)仍然主要依賴于經(jīng)驗(yàn)和試錯(cuò)， 而缺乏系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法。因此， 需要研究如何利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等新技術(shù)， 提高夾芯復(fù)合材料的設(shè)計(jì)效率和精度，使得夾芯復(fù)合材料的設(shè)計(jì)更加精細(xì)化和個(gè)性化。

（３）夾芯復(fù)合材料的制造過(guò)程仍然存在一些問(wèn)題， 如制造過(guò)程中的氣泡、 缺陷等， 這些問(wèn)題影響了夾芯復(fù)合材料的性能和質(zhì)量。因此， 需要研究如何利用新的制造技術(shù)和工藝，提高夾芯復(fù)合材料的制造效率和質(zhì)量。其次， 夾芯復(fù)合材料的制造需要更加高效和可控。

（４）夾芯結(jié)構(gòu)在提升復(fù)合材料強(qiáng)度剛度的同時(shí)， 為其多功能化提供了更多的空間， 其多功能化將是未來(lái)的發(fā)展方向之一，包括智能、 傳感、防護(hù)等多種功能的集成， 需要對(duì)多功能夾芯復(fù)合材料的功能化改性和夾芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備進(jìn)行研究， 以實(shí)現(xiàn)多種功能的集成。通過(guò)對(duì)夾芯復(fù)合材料從材料、 設(shè)計(jì)、 制造到評(píng)估更加深入和系統(tǒng)化的研究， 將會(huì)進(jìn)一步提升夾芯復(fù)合材料的整體力學(xué)性能， 推動(dòng)夾芯復(fù)合材料在更多領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。