Vlakneni kompozit je postal nepogrešljiv ključni material na področju železniškega tranzita

V zadnjih letih je s hitrim razvojem industrije železniškega prometa vse več raziskav o novih materialih za tirna vozila, delež novih materialov pa je čedalje večji. Med njimi najbolj izstopata raziskovanje in uporaba vlaknastih kompozitnih materialov. To je zato, ker lahko vlakneni kompozitni materiali temeljijo na konstrukcijskih zahtevah z izbiro različnih matričnih in ojačitvenih materialov, različnih razmerij namestitve in uporabe različnih procesov oblikovanja, ki jih je mogoče doseči z različnimi celovitimi lastnostmi novih materialov, kot so dobra toplotna izolacija, odpornost proti koroziji, odpornost proti obrabi, visok specifični modul, visoka specifična trdnost in druge lastnosti, ta lastnost ne more izpolniti tradicionalnega posameznega materiala.

Pri načrtovanju tirnih vozil so kompozitni materiali široko uporabljeni v notranjosti vozil, v določeni meri pa tudi notranja oprema in drugi deli tovorne konstrukcije. Strukturni deli iz kompozitnih materialov imajo prednosti visoke trdnosti, lahke teže in visoke togosti. Proizvodni proces običajno sprejme skoraj končno tehnologijo oblikovanja, ki ne potrebuje nadaljnje obdelave in lahko močno zmanjša proizvodne stroške. Uporaba kompozitnih materialov lahko tudi učinkovito izboljša udobje in varnost tirnih vozil, zmanjša vibracije in hrup ter zmanjša telesno težo. Vlakneni kompozit je postal nepogrešljiv ključni material na področju železniškega tranzita.

Specifični modul in trdnost kompozitov iz ogljikovih vlaken sta najvišja med običajno uporabljenimi materiali in imajo očitne prednosti v trdnosti, togosti in toksičnosti dima. Novi material FRP ima dobre lastnosti zaviralca gorenja in zvočne izolacije. Aramidni kompozitni materiali imajo zaviralec gorenja, visoko trdnost, odpornost na visoke temperature, visoko stopnjo izolacije, odpornost na vlago in korozijo ter stabilne fizikalne in kemične lastnosti. Vse vrste kompozitnih materialov imajo različne lastnosti in se uporabljajo v različnih ključnih delih tirnih vozil.

2.1 Dobre mehanske lastnosti

Kompozitni material uteleša celovito zmogljivost matričnega materiala in ojačitvenega materiala, z visoko trdnostjo, lahkotnostjo, veliko togostjo, zmanjšanjem vibracij in hrupa, odpornostjo proti utrujenosti, toplotno izolacijo in drugimi odličnimi zmogljivostmi, za lahek dizajn vozila, izboljša varnost in udobje vozila je velikega pomena.

2.2 Izpolnjevati zahteve razvoja lahkih tirnih vozil

V zadnjih letih je obratovalna hitrost železniških tranzitnih vozil vedno višja, kar zahteva, da tirna vozila dosežejo lahko konstrukcijo brez zmanjšanja varnosti. Kompozitni material je najučinkovitejša shema za tirna vozila.

2.3 Lahko zmanjša stroške

Z izboljšanjem hitrosti železniškega tranzita ljudje vse več pozornosti namenjajo stroškom vzdrževanja in obratovalnim stroškom, hkrati pa posvečajo pozornost varnosti in udobju vozil. Čeprav so začetne naložbe v industrijo železniškega prevoza velike, so skupni stroški vozil, ki uporabljajo kompozitne materiale, znatno višji od stroškov običajnih materialov, zlasti ker bodo raziskave in razvoj novih materialov in novih procesov zagotovo zahtevale velike naložbe. Vendar pa je cikel delovanja železniškega tranzita dolg. Z vidika celotnega življenjskega cikla vozil lahko na eni strani lahka vozila učinkovito zmanjšajo porabo energije vozil in zmanjšajo obratovalne stroške. Po drugi strani pa so odpornost na vibracije, odpornost proti utrujenosti, odpornost proti koroziji, toleranca na poškodbe in absorpcija energije trčenja pri kompozitnih materialih boljši od običajnih kovinskih materialov, zato se lahko vzdrževalni cikel vozila podaljša, stroški vzdrževanja pa lahko močno zmanjšati. Zato lahko dolgoročno kompozitni materiali učinkovito zmanjšajo stroške življenjskega cikla vozil.

2.4 Ima močno sposobnost oblikovanja

Visok specifični modul in visoka specifična trdnost sta najpomembnejši značilnosti vlaknatih kompozitnih materialov, mehanske lastnosti pa se lahko spreminjajo v širokem razponu. Zato je mogoče z izbiro kompozitne matrice in ojačitve ter spreminjanjem procesa oblikovanja materialov izpolniti različne konstrukcijske zahteve. Na primer, natezna trdnost steklenih vlaken lahko doseže 3500MPa, modul elastičnosti pa 70GPa. Natezna trdnost ogljikovih vlaken z visokim modulom lahko doseže 3900MPa, modul elastičnosti pa 600GPa. S poskusi je bilo ugotovljeno, da je najboljšo plastno strukturo mogoče najti v skladu z zahtevami načrtovanja v procesu oblikovanja strukturnih delov s spreminjanjem kompozitnih materialov z zelo različnimi lastnostmi matričnih materialov.

2.5 Dobra zanesljivost in varnost

Najpomembnejša dejavnika, ki vplivata na varnost konstrukcijskih delov, sta odpornost proti utrujenosti in občutljivost materialov na zareze. Prej so se kompoziti pogosto uporabljali na visokonapetostnih področjih, kot je letalstvo, prav zaradi njihove odlične odpornosti proti utrujenosti in nizke občutljivosti.

Čeprav imajo običajni kovinski materiali visoko statično trdnost, se njihova trdnost znatno zmanjša v pogojih močnih vibracij. Na primer, konstrukcijski deli iz kovinskega materiala imajo na določeni točki vrzel. Pod vibracijami in udarci (spremenljiva obremenitev) se bodo napake hitro razširile, dokler se strukturni deli ne poškodujejo. Razlika med statično in vibracijsko trdnostjo kompozitnih materialov pa je skoraj enaka nič. Tudi če so konstrukcijski deli zarezani, se bo napetost v materialu prenesla na sosednjo plast in se zaradi dolgotrajne spremenljive obremenitve ne bo uničila. To je eden od razlogov, da imajo kompozitni deli veliko daljšo življenjsko dobo kot kovinski deli.

3.1 Kompoziti iz ogljikovih vlaken

Čeprav so se raziskave in uporaba materialov iz ogljikovih vlaken na Kitajskem začela pozno, se je tehnologija v zadnjih letih hitro razvila, zlasti na področju prometa vozil. Podjetje CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Co., Ltd. je na primer uporabilo materiale iz ogljikovih vlaken pri oblikovanju kabine opreme hitrega vlaka. Odpornost na udarce, odpornost proti koroziji in mehanske lastnosti vozila so zagotovljene, teža kabine opreme pa je približno 35 odstotkov nižja od mase materiala iz aluminijeve zlitine.

3.2 Kompozitni materiali iz steklenih vlaken

Z odličnim zmanjševanjem hrupa in lastnostmi zaviranja gorenja sta mehanska trdnost in razmerje togosti bolj izjemna. Zato se pogosto uporablja v sedežih tirnih vozil, pokrovu glave voznikove kabine in drugih delih.

3.3 Kompoziti iz aramidnih vlaken

V primerjavi s tradicionalnimi kovinskimi materiali imajo aramidni kompoziti odlične lastnosti, kot so zaviranje gorenja, visoka trdnost, visoka stopnja izolacije, odpornost na vlago in korozijo ter stabilne fizikalne in kemijske lastnosti. V celoti se uporabljajo v motorjih, transformatorjih in drugih položajih ter lahko igrajo dobro vlogo pri zmanjševanju teže izolacije.

Uporaba kompozitnih materialov v tirnih vozilih bo čedalje bolj obsežna, zlasti v strukturi karoserije vozil ima dobre možnosti uporabe.