Vlaknasti kompozit postao je nezamjenjiv ključni materijal u području željezničkog prometa

Posljednjih godina, s brzim razvojem željezničke transportne industrije, sve je više istraživanja novih materijala za željeznička vozila, a udio novih materijala je sve veći. Među njima se najviše ističu istraživanje i primjena vlaknastih kompozitnih materijala. To je zato što se vlaknasti kompozitni materijali mogu temeljiti na zahtjevima dizajna, odabirom različitih matrica i materijala za pojačanje, različitim omjerima postavljanja i upotrebom različitih procesa oblikovanja, koji se mogu dobiti s različitim sveobuhvatnim svojstvima novih materijala, kao što su dobra toplinska izolacija, otpornost na koroziju, otpornost na trošenje, visoki specifični modul, visoka specifična čvrstoća i druga svojstva, ova karakteristika ne može zadovoljiti tradicionalni pojedinačni materijal.

U projektiranju tračničkih vozila kompozitni materijali naširoko su korišteni u unutrašnjosti vozila, au određenoj mjeri korištena je i unutarnja oprema i drugi dijelovi teretne konstrukcije. Konstrukcijski dijelovi izrađeni od kompozitnih materijala imaju prednosti visoke čvrstoće, male težine i velike krutosti. Proizvodni proces obično usvaja skoro završnu tehnologiju oblikovanja, koja ne zahtijeva daljnju obradu i može uvelike smanjiti troškove proizvodnje. Primjena kompozitnih materijala također može učinkovito poboljšati udobnost i sigurnost željezničkih vozila, smanjiti vibracije i buku te smanjiti tjelesnu težinu. Vlaknasti kompozit postao je nezamjenjiv ključni materijal u području željezničkog prometa.

Specifični modul i čvrstoća kompozita od ugljičnih vlakana najveći su među uobičajeno korištenim materijalima i imaju očite prednosti u čvrstoći, krutosti i toksičnosti dima. Novi FRP materijal ima dobre performanse kao usporivač plamena i zvučna izolacija. Aramidni kompozitni materijali imaju otpornost na plamen, visoku čvrstoću, otpornost na visoke temperature, visok stupanj izolacije, otpornost na vlagu i koroziju, stabilna fizikalna i kemijska svojstva. Sve vrste kompozitnih materijala imaju različite karakteristike i koriste se u različitim ključnim dijelovima željezničkih vozila.

2.1 Dobra mehanička svojstva

Kompozitni materijal utjelovljuje sveobuhvatnu izvedbu materijala matrice i materijala za pojačanje, s velikom čvrstoćom, laganom težinom, velikom krutošću, smanjenjem vibracija i buke, otpornošću na umor, toplinskom izolacijom i drugim izvrsnim performansama, za lagani dizajn vozila, poboljšava sigurnost a udobnost vozila je od velike važnosti.

2.2 Ispuniti zahtjeve za laganim razvojem željezničkih vozila

Posljednjih godina radna brzina željezničkih tranzitnih vozila postaje sve veća i veća, što zahtijeva da željeznička vozila postignu lagani dizajn bez smanjenja sigurnosnih performansi. Kompozitni materijal je najučinkovitija shema za željeznička vozila.

2.3 Može smanjiti troškove

S poboljšanjem brzine rada željezničkog tranzita, ljudi obraćaju sve više pažnje na troškove održavanja i operativne troškove, a istovremeno obraćaju pozornost na sigurnost i udobnost vozila. Iako je početno ulaganje u industriju željezničkog prijevoza veliko, ukupna cijena vozila koja koriste kompozitne materijale znatno je viša od one običnih materijala, posebice budući da će istraživanje i razvoj novih materijala i novih procesa sigurno zahtijevati velika ulaganja. Međutim, radni ciklus željezničkog tranzita je dug. Iz perspektive cijelog životnog ciklusa vozila, s jedne strane, laka vozila mogu učinkovito smanjiti potrošnju energije vozila i smanjiti operativne troškove. S druge strane, otpornost na vibracije, otpornost na zamor, otpornost na koroziju, tolerancija oštećenja i apsorpcija energije sudara kompozitnih materijala bolji su od onih običnih metalnih materijala, tako da se ciklus održavanja vozila može produljiti, a troškovi održavanja mogu biti uvelike smanjena. Stoga, dugoročno gledano, kompozitni materijali mogu učinkovito smanjiti troškove životnog ciklusa vozila.

2.4 Ima snažnu sposobnost dizajna

Visoki specifični modul i visoka specifična čvrstoća najistaknutije su karakteristike vlaknastih kompozitnih materijala, a mehanička svojstva mogu varirati u širokom rasponu. Stoga se izborom kompozitne matrice i armature te promjenom procesa oblikovanja materijala mogu zadovoljiti različiti zahtjevi dizajna. Na primjer, vlačna čvrstoća staklenih vlakana može doseći 3500 MPa, a modul elastičnosti je 70 GPa. Vlačna čvrstoća karbonskih vlakana visokog modula može doseći 3900 MPa, a modul elastičnosti je 600 GPa. Eksperimentima je utvrđeno da se najbolja slojevita struktura može pronaći prema zahtjevima dizajna u procesu oblikovanja strukturnih dijelova mijenjanjem kompozitnih materijala s vrlo različitim svojstvima matričnih materijala.

2.5 Dobra pouzdanost i sigurnost

Najvažniji čimbenici koji utječu na sigurnost konstrukcijskih dijelova su otpornost na zamor i osjetljivost materijala na zareze. Prethodno su se kompoziti naširoko koristili u područjima visokog naprezanja kao što je zrakoplovstvo, upravo zbog svoje izvrsne otpornosti na zamor i niske osjetljivosti.

Iako uobičajeni metalni materijali imaju visoku statičku čvrstoću, njihova čvrstoća značajno opada u uvjetima jakih vibracija. Na primjer, konstrukcijski dijelovi od metalnog materijala imaju razmak na određenoj točki. Pod vibracijama i udarcima (promjenjivo opterećenje), defekti će se brzo širiti sve dok se strukturni dijelovi ne oštete. Međutim, razlika između statičke i vibracijske čvrstoće kompozitnih materijala gotovo je nula. Čak i ako su dijelovi konstrukcije zarezani, naprezanje u materijalu će se prenijeti na susjedni sloj i neće biti uništeno zbog dugotrajnog promjenjivog opterećenja. To je jedan od razloga zašto kompozitni dijelovi imaju mnogo dulji vijek trajanja od metalnih dijelova.

3.1 Kompoziti od karbonskih vlakana

Iako je istraživanje i primjena materijala od karbonskih vlakana u Kini kasno započelo, tehnologija se posljednjih godina ubrzano razvila, posebice u području prometa vozila. Na primjer, tvrtka CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Co., Ltd. koristila je materijale od ugljičnih vlakana u dizajnu kabine opreme brzog vlaka. Otpornost na udarce, otpornost na koroziju i mehanička svojstva vozila su zajamčeni, a težina kabine opreme je oko 35 posto manja od težine materijala od aluminijske legure.

3.2 Kompozitni materijali od staklenih vlakana

S izvrsnim svojstvima smanjenja buke i otpornosti na plamen, performanse omjera mehaničke čvrstoće i krutosti su izvanrednije. Stoga se često koristi u sjedalima tračničkih vozila, poklopcu glave vozačeve kabine i drugim dijelovima.

3.3 Kompoziti od aramidnih vlakana

U usporedbi s tradicionalnim metalnim materijalima, aramidni kompoziti imaju izvrsna svojstva kao što su otpornost na plamen, visoka čvrstoća, visok stupanj izolacije, otpornost na vlagu i koroziju te stabilna fizikalna i kemijska svojstva. U potpunosti se koriste u motorima, transformatorima i drugim položajima i mogu igrati dobru ulogu u smanjenju težine izolacije.

Primjena kompozitnih materijala u tračničkim vozilima bit će sve šira, posebice u strukturi karoserije vozila koja ima dobre izglede za primjenu.