一文盤點高鐵上所用的材料

中國高鐵出口意義非凡，不僅僅是單個產業的“出海”，而是整個產業鏈條的“走出去”。目前市場規模雖小，但一旦受到海外市場的認可，將重塑中國制造的全球品牌形象，帶動產業鏈上下游細分領域的發展。我們來看看高鐵上的材料。

對于高速鐵路，對新材料的強度、疲勞性能、輕量化、工藝性等提出了更高的要求，新材料的應用主要在以下幾個方面。

一、鐵道車輛

1、車體

不銹鋼

 

不銹鋼主要用鎳鉻奧氏體不銹鋼，由于其高耐蝕性和美觀的特點，在日本、美國、前蘇聯應用較多，在保證強度和剛度前提下，如梁、柱等骨架的板厚由普通鋼的3.2一6.0mm減至1.0一1.5 mm，可減重40%左右。20世紀60年代初，日本率先研制出不銹鋼車輛，其輕量、節能、不需涂裝，產生了顯著的經濟效益，目前不銹鋼車輛超過5000輛，占全部客車10%以上。

主要應用：不銹鋼車體由于不易解決車體氣密性問題，只用于制造20km/h速度級的車體、及車內承載和裝飾件。

鋁合金

 

鋁的密度小，僅為2.7（屬輕金屬），約為鋼的1/3。由于鋁的表面易氧化形成致密而穩定的氧化膜，所以耐蝕性好。鋁有較好的鑄造性，由于鋁的融化溫度低，流動性好，易于制造各種復雜外形的零件。鋁合金仍然保持了質輕的特點，但機械性能明顯提高。

主要應用：

一是作為受力構件；

二是作為門、窗、管、蓋、殼等材料；

三是作為裝飾和絕熱材料。鋁合金容易加工和具有高度的散熱性。

特別是車輛引擎部分特別適合使用鋁合金材料。這里幾乎完全是鋁合金的一家天下。此外，鋁合金的加工工藝多種多樣。通用性較強。

從長期來看，鋁合金價格適中。鋁材價格較高，使得車輛制造成本增加，但由于鋁合金使得車輛輕量化，車輛的輕量化帶來了運能的增加，耗能的減少，維修的費用降低。有資料顯示，交通工具的重量每減少10%，燃料可節約8%。在報廢回收時，鋁型材產品可以實現100%回收，回收鋁型材循環再用可以減少95%的能源消耗。

早在20世紀50年代，世界上較發達的一些國家就開始采用鋁型材來制造鐵路車輛，包括美國、加拿大、日本、俄羅斯、德國和法國等國，目前國內高鐵列車車廂已大量使用鋁合金材料。業內專家指出，時速300公里以上的高速列車車體必須采用輕量化的鋁合金材料，350公里以上的列車車廂除底盤外全部使用鋁型材。目前中國鐵路客運專線動車組采用的CRHI、CRH2、CRH3、CRH5四種類型中，除CRHI型車體采用的是不銹鋼材外，其余3種動車組車體均為鋁合金材質。

近年來國外有用鎂合金、欽合金等航空材料制造車體骨架的嘗試，其重量只有鋁合金的66%，減重效果明顯。但還在考察試驗中。

復合材料

 

復合材料己開始應用于車輛，且用量不斷增加，代表了未來發展趨勢。纖維增強樹脂基復合材料（FRF）因為高比強度（剛度）、耐疲勞、耐蝕、隔熱、阻燃、可設計性強等優點，英國、日本、德國先后在60年代開始應用于非結構件，現在越來越多地應用于各種結構件，例如車休和車頭前端部采用玻璃鋼、芳綸纖維增強環氧樹脂等。目前在西歐，制造鐵道車輛用的復合材料中，按纖維種類分，玻璃纖維占58%. 芳族聚酸胺纖維占20%，碳纖維占20%，其他占2%；按樹脂的種類分，聚酯占35%，乙烯酸酯占22%，環氧樹脂占21%，酚醛樹脂占15%，改性的丙烯酸樹脂占4%，其他占3%。

2、轉向架

 

轉向架的構架是特別重要的高強度部件，關系到整個車輛安全性。轉架必須滿足安全、運行舒適度以及耐磨損、易檢修等要求。

多采用優質碳素鋼、低合金低碳高強度鋼、耐候鋼制造的構架。近來研究熱點為高分子復合材料和鋁合金制造的構架。

3、車輛內裝及設備

 

車輛內裝及設備主要有裝飾板、廁所、盟洗室、座椅及水箱等，以鋁合金和高分子材料為主，如裝飾板采用鋁合金上疊合一層不燃性的纖維增強塑料，廁所、盟洗室、座椅及水箱還要考慮到衛生和耐腐蝕性，也以不燃性的為佳。

二、輪一軌系統

車輪與鋼軌材料除了要有足夠的強度、韌性、耐磨性外，還必須具有耐擦傷、抗剝離的性能。

就線路而言，高速鐵路區別于一般鐵路最主要的特點是曲率半徑大、應變速率高、軸重輕和牽引力大，鋼軌的磨耗較小，疲勞損傷相對突出，因此對鋼軌材料的選擇要求較高。

對于鋼軌材料而言，歐洲鐵路一直在合金鋼軌上進行研究，如非熱處理的Cr-Mo，合金鋼軌除了有較高的循環軟化抗力外，也有較好的抵杭短波磨損的能力，是今后鋼軌材料的重點選擇對象之一。 此外，還應從鋼軌鋼的強韌化和純凈化方面進行努力，大力發展全長熱處理鋼軌、稀土鋼軌和降噪降振新鋼軌。

目前，國外正在研究的貝氏體鋼抗剝離性能優于珠光體鋼，不過尚處于試驗階段。為了減重，德國正研究組合車輪，即輪心采用FRP，再套上鋼質輪和輪箍。

1、無砟軌道

無砟軌道是當前和今后世界鐵路建設發展的趨勢和方向。無砟軌道的軌枕本身是混凝土澆灌而成，而路基也不用碎石，可減少維護、降低粉塵、美化環境。鐵軌、軌枕直接鋪在混凝土路上，水泥枕與鐵軌間采取了許多連接穩固的措施。列車時速可達200ｋｍ以上。

高鐵軌道水泥枕、鐵軌和地基間的連接處均以聚氨酯彈性體填隙、密封，一則使連接穩固，不因受氣候變化而位移；二則可起防震和消除噪音作用，增添旅客乘車舒適感。

聚氨酯枕木

為適應高速列車的提速要求，開發聚氨酯枕木以取代或部分取代混凝土枕木必將是未來的發展趨勢。在西歐，該技術已有較成熟的研制和應用經驗；在日本，聚氨酯枕木已在高速列車新干線軌道上得到應用。與其他材料相比，聚氨酯枕木具有卓越的耐久性并可降低周期成本。

聚氨酯膠黏劑

高速列車的生產對聚氨酯膠黏劑的使用需求也大幅增加，聚氨酯在車輛上承擔著玻璃粘接、地板粘接、嵌縫填充、密封防水等各種必不可少的作用。按照動車組ＣＲＨ３為基礎，單節車廂用聚氨酯膠約８４。０７Ｌ，折算約合１０９。３ｋｇ。主要應用于車窗玻璃的粘接密封及部分填充部位的密封。

聚脲彈性體涂層

由于高鐵采用無碴軌道，要求防護層不僅具有防水、防滲和抗裂等基本性能，還要能經受火車高速行駛帶來的高速、重載、交變沖擊等作用。聚脲涂層無接縫，粘結力強，真正做到了整體防水，同時還具有優異的耐磨性、抗沖擊、抗開裂、耐紫外光和耐高低溫性能，可滿足高鐵的特殊要求。

三、受電弓滑板 

目前高速鐵路使用的導線主要有銅銀（0.15％一0.18% Ag），銅鎘（0. 7%-1. 3%Cd）或銅錫合金（0. 3%Sn）等。隨列車的高速化。研制高線張力和重量輕的新型復合導線（即外表為銅，芯部為鋼）是發展趨勢。

受電弓滑板是機車供電系統重要集電元件，通常有碳滑板、金屬滑板、浸金屬碳滑板和粉末冶金滑板，各國多采用碳滑板。如德國ICE和法國TGV。浸金屬碳滑板既有碳材料的自潤滑性，又具備了金屬材料集電、強度和抗沖擊力高的特點，成為最理想的滑板材料，近年來已步人產業化階段。國外目前正在加強碳纖維金屬基復合材料滑板的研究，該材料在集電、自潤滑、抗撞擊性能方而都會超過現有的滑板。

目前，國內外研究的浸金屬碳滑板已步入了實用化的階段，它主要是利用了碳滑板材料的多孔性質，將熔融的銅或銅合金等高導電性金屬，在高溫高壓下浸入到碳滑板基體中去，使它既有碳材料的自潤滑和抗電弧性能，又具備金屬材料的集電、強度高、杭彈撞擊力強的特點，成為最理想的滑板材料。

與此同時，還應加強碳纖維一金屬復合材料滑板的研究，這種滑板在集電、潤滑、杭撞擊性能方面都會超過現有的金屬滑板、碳滑板、浸金屬碳滑板和粉末冶金滑板，其應用前景十分廣闊。

四、制動摩擦系統 

 

制動摩擦系統要求摩阻材料有高而穩定的摩擦系數，更好的散熱性和耐磨性，足夠高的沖擊強度和剪切強度，對磨偶件不產生異常磨損和其他形式的損傷，制動火花少，價格便宜，而且輕量化。

制動盤過去長期使用合金鑄鐵，但高速列車要求選用高強度抗熱裂的合金鍛鋼，如Ni-Cr-Mo或Cr-Mo-V合金鋼，也有研制金屬基復合材料和C-C復合材料制動盤。日本1997年開發的耐熱裂制動盤?？梢杂?0年以上的壽命；德國的碳纖維復合材料盤，在高速250 km/h下質量好，并通過了400km/h的臺架實驗。

目前常用的摩阻材料可分為含磷鑄鐵、粉末冶金材料和合成材料。法國TGV-A、日本新干線等高速列車都采用了粉末冶金閘片，而且普遍是銅基材料。針對鐵基、鋁基材料，日本、歐美等近來在開發新材料時加人品須、陶瓷顆?；蚨汤w維等制成復合材料。在合成摩阻材料方面，德國ICE列車上安裝了鋁合金盤／合成閘片，獲得了較好的效果。目前纖維增強復合材料在摩阻制動材料方面的成功開發和運用備受矚目，成為研究熱點，例如1997年口本開發的閘片是以酚醛樹脂、石墨、合成橡膠與碳纖維復合。

五、減振、降噪材料 

 

高速帶來的沖擊、振動和噪聲的加劇，采用減振降噪元件，例如勃彈性能、耐疲勞、耐老化性能更優的橡膠元件，以保證乘坐的安全舒適。

橡膠元件已在高速列車上廣泛應用于防振、緩沖、隔音、密封、絕緣，以及彈性偶合件和空氣橡膠簧等方面，尤其是減振降噪作用特別顯著，對高速列車的舒適平穩具有無可取代的作用。

橡膠元件最引人矚目的應用是轉向架上的六連桿橡膠關節。20世紀50年代初，國外就開始采用橡膠材料作為鋼軌墊件；70 年代隨列車速度的提高，在軌道結構中采用了天然橡膠、氯丁橡膠、聚氨酯橡膠等彈性體作為鋼軌夾墊、撐墊和軌枕的墊件；80年代，低發泡聚氨酯彈性材料已廣泛應用于軌道結構材料。日本對百余種彈性材料的篩選認為，用反應注射成形法生產的低發泡聚氨酯材料最適合用作高速軌道材料。

六、結語 

 

高鐵產業代表一個國家高端制造業的水平。中國高鐵走出國門，意味著全球市場對于中國制造的肯定。中國忠旺等國內鋁型材龍頭企業，憑借強大的技術研發和產品生產實力，或將迎來更多的發展機遇和市場空間。