根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)整理數(shù)據(jù)顯示，2018-2020年我國鐵路投產(chǎn)新線預計達 2.4萬公里，年均投產(chǎn) 8000公里。2016年 7 月由國家發(fā)展改革委、交通運輸部、鐵路總公司聯(lián)合編制的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》發(fā)布，按照《規(guī)劃》，至 2020年，一批重大標志性項目建成投產(chǎn)，鐵路網(wǎng)規(guī)模將達15萬公里，其中高速鐵路3萬公里；到 2025年，鐵路網(wǎng)規(guī)模將達 17.5萬公里左右，其中高速鐵路 3.8 萬公里左右。此外，城軌建設也進入快車道，據(jù)統(tǒng)計，截至2016年末，我國開通城市軌道交通運營線路的城市達到30個，運營里程達4152.8公里。
在我國軌道交通高速發(fā)展的同時，軌道交通對新材料的需求量也快速增加，同時對材料的安全性與功能性也提出了更高要求。高分子材料在軌道交通中發(fā)揮著重要作用，從路基建設到車輛內外飾、再到結構承力件等部件上的應用，材料優(yōu)良的性能賦予制品出色的特性。
一、高分子材料在軌道交通領域中的優(yōu)勢介紹及應用分類
1. 高分子材料優(yōu)勢介紹
在新的發(fā)展時期，綠色、環(huán)保、智能、可持續(xù)等理念使公眾對軌道交通安全、舒適、環(huán)保和可靠的期望不斷提高。金屬材料制造的傳統(tǒng)結構車體在高原、沙漠、高溫、高寒和高海拔等復雜多變的服役環(huán)境中面臨諸多性能挑戰(zhàn)。例如，碳鋼車體的易腐蝕、不利于輕量化、焊接變形大等問題；不銹鋼車體的封閉性、局部屈曲、焊接變形等問題。因此，必須持續(xù)吸收和利用包括材料在內的高新科技成果，不斷提高軌道交通工程建設和運營水平。
材料的多元化則是實現(xiàn)軌道交通性能平衡（強度、振動、噪聲、隔熱、輻射）的主要途徑[1]。相較于傳統(tǒng)金屬材料，高分子材料不僅更為輕質，其還具有優(yōu)異的耐腐蝕性、耐候性、高韌性、抗振性、電絕緣性能以及較高的彈性和良好的消聲效果。此外，可設計性強使其能更好地提高部件一體化程度，減少零件數(shù)量，縮短制造周期，降低維修成本。尤其是其輕質特性，可降低列車運行的能量損耗，對節(jié)能、環(huán)保及減少列車磨損等意義重大。
圖1 地鐵車輛的重量分配
以常見的地鐵為例，裝備完整后，其各部分重量的分配如圖1所示，車身重量占 36%，其次是車載設備，約占29%，然后是內部裝飾占16%[2]。車載設備一般沒有多少減重空間，因此輕量化的重點主要是在車身和內部裝飾。新材料、新設計、新制造技術是軌道列車輕量化的主要途徑，而高分子材料相較一般金屬材料更為輕質的特性，使其在軌道列車輕量化發(fā)展上應用潛力無限。
2. 高分子材料應用分類
軌道交通領域中常見的高分子材料通?？煞譃槿箢悾合鹉z類，應用如天然橡膠（NR）、順丁橡膠（BR）、丁苯橡膠（SBR）、三元乙丙橡膠（EPDM）、氯丁橡膠（CR）、丁腈橡膠（NBR）、聚氨酯橡膠（PU）及氟橡膠(FKM)等；塑料類，應用如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚甲醛（POM）、聚碳酸酯（PC）、聚酰胺（PA）、聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）及乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）等；纖維類，應用如丙烯纖維（丙綸）、聚丙烯腈纖維（腈綸）、聚酯纖維（滌綸）及尼龍纖維（錦綸）等。
應用于軌道交通車輛的高分子材料，按照產(chǎn)品功能也可分為六大類：減振類，如底座錐形減振器、電力機車減振墊、轉向架橡膠減振器、空氣彈簧系統(tǒng)及球鉸產(chǎn)品；密封類，如制動器防塵套、制動機橡膠膜板、制動閥座墊、內燃機車油分離器膠管；膠管類，如內燃機車耐高溫硅膠管、內燃機車耐油膠管、制動軟管；摩擦類，如緩沖器側面磨耗板、斜楔磨耗板；絕緣類，如耐高壓絕緣線圈、聚酰亞胺黃金膜以及經(jīng)環(huán)氧樹脂浸漬處理電機；內裝類，如阻尼隔音片材、酚醛樹脂發(fā)泡頂板、玻纖增強發(fā)泡風道、動車組用復合板、芳綸紙蜂窩板及玻璃鋼窗板等。
二、高分子材料在軌道交通領域中的具體應用
1.在軌道交通車體中的應用
列車車輛的車輪對軸承要求很高，需確保列車在高速運行時可靠性和安全性的同時，還要維修方便，因此，滾動軸承保持架起著十分關鍵的作用。聚酰胺復合材料具有高彈性、自潤滑性、耐磨性、耐沖擊性、耐腐蝕性、易加工、質輕等特點，能達到軸承所要求的性能，對鐵路運輸安全、高速、重載起到了關鍵作用。這種軸承保持架采用玻纖增強和石墨或二硫化鉬作潤滑劑，密度小，質量輕。此種保持架在國外已廣泛應用，如瑞典SKF公司在客車車輛軸承和機車牽引電機軸承上均采用25%的玻纖增強PA66復合材料制作軸承保持架。
轉向架也是軌道交通車輛的重要組成部分，其承載著車身和乘客重量，在不同的載荷工況下，轉向架承載交變載荷因此轉向架必須有足夠的強度和剛度。傳統(tǒng)構架由金屬焊接而成，據(jù)統(tǒng)計，傳統(tǒng)金屬結構轉向架重量占整車重量的28.5%~42%，所以轉向架的輕量化對整車輕量化有重要意義。K.W.Jeon教授等研究了玻璃纖維增強的樹脂基體復合材料在構架中的應用，并對成型后的構架進行疲勞性能和強度性能的測試。使用玻璃纖維增強材料成型轉向架構架，可使構架重量減少30%左右[3]。
此外，在其他車體部件處，高分子材料也有極廣泛的應用。從車體外部情況看，車頭及燈罩部分主要應用聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚甲醛(POM)等高性能樹脂；車窗及車頭外部保護層用的是聚酯玻璃鋼、酚醛玻璃鋼及環(huán)氧玻璃鋼等玻纖增強樹脂；車輛頭部采用的是蜂窩復合材料，如芳綸蜂窩、玻璃鋼蜂窩、碳纖維蜂窩強化樹脂包覆發(fā)泡蜂窩材料等；車廂連接彈性緩沖件、受電系統(tǒng)緩沖件、車門/窗等部位銜接用的是彈性緩沖件及膠黏劑、高性能彈性體材料，包括熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)、熱塑性聚酯彈性體(TPEE)、氯丁橡膠、丁基橡膠、三元乙丙橡膠、硅橡膠及硅酮橡膠等。
2.在軌道交通車輛內飾中的應用
隨著人們生活水平的提升，人們對軌道交通車輛的方便、快捷提出更高要求的同時，也對乘坐軌道交通車輛的安全、舒適、可靠提出了越來越高的期望，這些期望尤其反映在人們對車輛內部環(huán)境的高要求上。
玻璃鋼材料（FRP，亦稱GFRP，即纖維強化塑料，一般指用玻璃纖維增強不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂基體，其不同于鋼化玻璃）相對于傳統(tǒng)金屬材料具有密度小，比強度、比剛度高，阻燃、隔音性能優(yōu)異的特點，逐漸在軌道交通領域得到普及。內部裝飾是軌道車輛大量使用玻璃鋼材料的區(qū)域，其中司機室頭罩、導流罩、客座座椅椅面、側墻版、門立柱罩等結構均可使用玻璃鋼材料成型[4]。
司機室頭罩一般采用整體式非飽和聚酯玻璃鋼材料，為泡沫夾芯結構，是整車外型設計中重要的一部分，與車體連接采取膠接的方式；客室座椅由骨架和椅面組成，骨架通常由鋁合金或不銹鋼管材阻焊而成，椅面樹脂通常采用不飽和聚酯或酚醛樹脂，而對比酚醛樹脂玻璃鋼和不飽和聚酯玻璃鋼兩種材料，前者相較后者有更優(yōu)異力學性能，且前者在不添加任何阻燃劑時，高溫下仍能保持其物理特性不降低；目前地鐵車輛風道由鋁板阻焊而成，為了使風道保溫，在鋁板外層粘接隔熱棉以及防火巖棉等，長春軌道客車股份有限公司出口巴基斯坦的鐵路客車采用了新型酚醛玻璃鋼風道，并且將頂板與風道合二為一，不僅可節(jié)約車內空間、降低自重，還能增大通風面積，提高通風效果[5,6]。
此外，在其他部件處，如內飾板及隔板，通常應用ABS樹脂；客艙頂板、墻板、行李架擋板等用的是以低密度聚乙烯(LDPE)、聚氨酯(PU)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)、聚醚酰亞胺(PEI)等為內芯的夾芯材料及蜂窩夾芯材料；客艙風口格珊及內飾燈罩用的是聚碳酸酯及其合金；穿線孔、中空玻璃密封件用的是硅酮橡膠、改性硅烷聚醚膠等；地板內層與底板銜接、玻璃窗安裝等用的是聚氨酯、改性環(huán)氧樹脂。
表1 軌道交通車輛內飾材料發(fā)展要求
目前，軌道交通正朝著高速、安全、舒適的方向快速發(fā)展，因此新一代列車內飾件產(chǎn)品對材料要求越來越高（如表1所示），兼具阻燃、輕質、高強等特性的軌道交通內飾材料是重點發(fā)展方向。
3.在軌道交通中的其他應用
隨著軌道交通向高速化、安全化方向發(fā)展，路基建設使用化工新材料的比例也逐步提高，主要為路基土工復合材料、路基線纜材料、防水材料等。
鋼軌絕緣是軌道電路的基本組成部分之一。軌道絕緣除應保證軌道電路正常工作外，還應不降低鋼軌接頭處的機械強度。這就要求軌道絕緣材料具有良好的絕緣性能和高的壓縮強度。由于受氣候、環(huán)境的不良影響及列車運行交變載荷的連續(xù)作用，鋼軌絕緣較易損壞，它是鋼軌最薄弱的環(huán)節(jié)。軌道絕緣一般由PA6、PA66、PA1010、MC尼龍等材料制成，主要產(chǎn)品為槽型絕緣、絕緣管墊、絕緣墊圈、軌端絕緣等。軌道絕緣技術與絕緣材料成為軌道電路設備技術發(fā)展的關鍵[7]。
扣件作為連接鋼軌和軌枕的中間連結零件，其作用是將鋼軌固定在軌枕上，保持軌距并阻止鋼軌相對于軌枕的縱橫向移動?？奂缶哂凶銐虻膹姸?、耐久性和一定的彈性，并有效地保持鋼軌與軌枕之間的可靠連結，此外，還要求扣件系統(tǒng)零件少、安裝簡單、便于拆卸。得益于聚酰胺復合材料良好的耐磨、耐老化、彈性好、強度高和柔韌性好等優(yōu)勢，聚酰胺復合材料可有效應用于扣件中，提升扣件產(chǎn)品的綜合性能。此外，得益于聚酰胺復合材料優(yōu)良的耐油性、耐磨性、自潤滑性和良好的力學性能，其在鐵路線路上的重要部件——道岔，在減小道岔的轉換力和提高道岔的運行可靠性上也取得了良好的效果。
從無砟軌道路基結構及材料應用看，軌道墊片的減振降噪部件應用的是熱塑性彈性體、聚氯乙烯、硅橡膠、環(huán)氧樹脂、丁基橡膠、丁苯橡膠、三元乙丙橡膠等；緩沖填充物為改性瀝青；路基防水層、電纜槽防護用的是聚氨酯、聚脲及氯化聚乙烯[8]。此外，保護線纜等輔助設施的鐵路蓋板也是軌道材料中涉及化工新材料較多的部件。在有砟軌道系統(tǒng)中，復合材料枕木、道砟膠也應用了大量的化工新材料。
結語
國務院印發(fā)的《中國制造2025》文件對軌道交通產(chǎn)業(yè)提出以下要求：加快新材料、新技術和新工藝的應用，重點突破體系化安全保障、節(jié)能環(huán)保、數(shù)字化智能化網(wǎng)絡化技術，研制先進可靠適用的產(chǎn)品和輕量化、模塊化、譜系化產(chǎn)品。研發(fā)新一代綠色智能、高速重載軌道交通裝備系統(tǒng)，圍繞系統(tǒng)全壽命周期，向用戶提供整體解決方案，建立世界領先的現(xiàn)代軌道交通產(chǎn)業(yè)體系。
高分子材料作為軌道交通領域部件的重要應用材料，其作用不可忽視。因此，除了應用現(xiàn)有高分子材料制造技術和工藝，我們還應更加關注并深入研究新型高分子材料及其制造技術，為我國軌道交通事業(yè)的高速發(fā)展貢獻力量。（文章來源于網(wǎng)絡）
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