高速列车新型蜂窝壁板材料的研究现状

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1、高速列车新型蜂窝壁板材料的研究现状　　摘要：随着技术的发展，列车速度越来越快。为了高速运行的列车有更好的舒适度，减小对线路的破坏，减少维修工作量和提高运输效率，要求其质量越轻越好。如今高速铁路上运行的车辆的车体系统要占整个车辆质量的50%以上，所以大面积采用蜂窝夹层结构材料是减轻车辆主体质量的有效途径。文章介绍了蜂窝夹层结构材料的发展概况，研究了蜂窝夹层结构复合材料的力学性能；最后从蜂窝材料本身出发，对其性能进行讨论并与其他材料进行了简单比较。　　关键词：高速列车；蜂窝材料；性能；现状　　引言　　蜂窝夹层结构源于蜜蜂的六边形蜂

2、巢。在遥远的古希腊时期，数学家佩波斯就提出：蜂窝的六边形形状，充满了严谨的数学思想。这种呈六边形形状的蜂窝只需要采用很少量的蜂蜡就可以建成，当时人们就将这一猜想被称为“蜂窝猜想”。通过后人的研究证明，蜜蜂在建造蜂巢过程中采用了最少的蜂蜡，而蜜蜂所建造的空间却是最大的，而且它的结构稳定性也非常好。　　经过长期研究自然蜂窝六边形结构的特点，人们成功研制出各种蜂窝结构复合材料，将蜂窝夹层结构用于新材料和新产品的研发，可以用来改善现有产品的特性，结构设计上遇到的困难也可以部分类比蜂窝结构来解决[1]。　　蜂窝材料具有传统材料不具备的很

3、多优点，逐渐受到很多领域的青睐。目前蜂窝夹层结构复合材料作为轻量化材料应用于航空领域的一些零部件。在铁路运输行业，蜂窝夹层结构的材料也逐渐被广泛的使用。　　蜂窝夹层结构复合材料是由两片薄而强的面板、蜂窝芯子、粘合剂组成，根据所使用的蜂窝芯子的材料的不同，主要类型有纸芯型蜂窝夹层、铝合金芯蜂窝夹层和Nomex蜂窝夹层等不同夹层结构的蜂窝板。Nomex蜂窝夹层结构复合材料是一种性能优异的蜂窝材料，但是它的价格也较贵，过去常常用于航空领域。目前欧美发达国家，已经将普通纸蜂窝、铝蜂窝和Nomex蜂窝夹层结构复合材料用于轨道车辆上，并取

4、得了良好效果。　　比较遗憾的是，我国科研人员对蜂窝夹层结构复合材料的开发的开端相对较晚，而且其科研目的几乎都是?c飞行领域相关的。最早，北航研究所就国内在制造直升机时机身所需的Nomex蜂窝只能依靠国外进口的瓶颈，对我国相对落后的蜂窝复合材料制造方法进行升级优化，制备出了性能更优异的蜂窝复合材料。在过去我国在轨道车辆上采用过普通的铝蜂窝夹层结构复合材料，随着我国科技进步，目前一些设计师开始将性能更好的Nomex蜂窝应用到高速列车列车上，但是由于价格贵，所以使用还很少[2]。　　蜂窝复合材料拥有很多优良性能，决定了其在许多领域里

5、的多样化应用。1960年左右，西方工业国家就早已广泛的将蜂窝板应用于建筑工程、海洋工程、家居设计等领域，但我国一直到九十年代左右才开始有应用于民用领域的趋势。目前，蜂窝板主要应用在飞机、轨道车辆车身、轮船、汽车和建筑等五个方面。　　列车轻量化一直是设计师追求的一个目标，因为车体质量越大，在运行过程中受到的阻力就越大，如能减少车体自身质量，就可以大大减少为抵抗空气阻力所做的功，减少的能源消耗，同时还可以减少轨道的磨损和降低噪音。最初轻量化是在采用耐候钢和高强钢方面下功夫，之后又开始采用不锈钢，但是这都只能靠有限的提高强度和有限的

6、减少腐蚀量以减低薄板的厚度，因此轻量化的效果是有限的，而且使加工和焊接难度变大。要大幅度减轻重量，必须采用轻合金，如采用合理截面的空心铝材、镁铝材料制造的蜂窝材料，将在大大提高强度及刚度的同时，减少质量并减少制造的难度[3]。　　1蜂窝板的发展概况　　在二战初期，随着战况愈加严峻，飞机制造业发展迅猛，因此质量小、强度高、刚度大、稳定性好的材料备受青睐，以保证在战争中的领先地位。上世纪四十年代，Hill首先制造出了蜂窝夹层结构材料，他用巴隆木薄片芯子，用桃木单片做夹层面板。随后被用运用到“飞翼”型飞机上试验，并获成功。有了先例后

7、，不甘示弱的美国科学家将木质的芯子与铝材黏合在一起，形成“铝木蜂窝夹层结构”。一直到二战末期，一种完全由金属制作的蜂窝夹层结构才问世，并在飞机的结构件上加以应用，其主要是铝镁合金。十几年后，塑料制造技术问世，由玻璃钢制作窝芯的蜂窝结构开始萌发。七十年代左右杜邦公司首次尝试芳纶纸蜂窝，也就是俗称的Nomex蜂窝，一举成名。到九十年代杜邦公司通过改变芳纶分子结构和改善浸胶方法，制造出了更为先进的Korex蜂窝。与此同时，日本的科学家在1990年研制出了钎焊铝蜂窝板。　　我国在上世纪六十年代开始研制玻璃钢蜂窝板，其主要用于飞机的结构

8、件，并取得了较大的进步。紧接着又开发了铝蜂窝、Nomex蜂窝，并成功应用在飞机的结构件上。　　2蜂窝材料的特性　　纸芯型蜂窝、铝芯型蜂窝与Nomex蜂窝3种夹层结构在某些方面必然有些差异，但是它们都具有相似的基本特征。下面简单讨论一下3种蜂窝夹层结构复合材料所具有的基本特性：