Il composito in fibra è diventato un materiale chiave indispensabile nel campo del transito ferroviario

Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo dell'industria del trasporto ferroviario, c'è sempre più ricerca sui nuovi materiali per i veicoli ferroviari e la proporzione del nuovo materiale è sempre più grande. Tra questi, la ricerca e l'applicazione di materiali compositi in fibra sono i più importanti. Questo perché i materiali compositi in fibra possono essere basati sui requisiti di progettazione, attraverso la selezione di diversi materiali di matrice e rinforzo, diverse proporzioni del dispiegamento e l'uso di diversi processi di formatura, che possono essere ottenuti con diverse proprietà complete di nuovi materiali, come un buon isolamento termico, resistenza alla corrosione, resistenza all'usura, alto modulo specifico, elevata resistenza specifica e altre proprietà, questa caratteristica non è in grado di soddisfare il tradizionale singolo materiale.

Nella progettazione dei veicoli ferroviari, i materiali compositi sono stati ampiamente utilizzati all'interno dei veicoli e in una certa misura sono state utilizzate anche attrezzature interne e altre parti della struttura di carico. Le parti strutturali realizzate in materiali compositi presentano i vantaggi di elevata resistenza, leggerezza ed elevata rigidità. Il processo di produzione di solito adotta la tecnologia di formatura quasi finale, che non necessita di ulteriori lavorazioni e può ridurre notevolmente i costi di produzione. L'applicazione di materiali compositi può anche migliorare efficacemente il comfort e la sicurezza dei veicoli ferroviari, ridurre le vibrazioni e il rumore e ridurre il peso corporeo. Il composito in fibra è diventato un materiale chiave indispensabile nel campo del transito ferroviario.

Il modulo specifico e la resistenza dei compositi in fibra di carbonio sono i più alti tra i materiali comunemente usati e presentano evidenti vantaggi in termini di resistenza, rigidità e tossicità del fumo. Il nuovo materiale FRP ha buone prestazioni come ritardante di fiamma e isolamento acustico. E i materiali compositi aramidici hanno resistenza alla fiamma, elevata resistenza, resistenza alle alte temperature, alto grado di isolamento, resistenza all'umidità e resistenza alla corrosione, proprietà fisiche e chimiche stabili. Tutti i tipi di materiali compositi hanno caratteristiche diverse e sono utilizzati in diverse parti chiave dei veicoli ferroviari.

2.1 Buone proprietà meccaniche

Il materiale composito incarna le prestazioni complete del materiale della matrice e del materiale di rinforzo, con elevata resistenza, leggerezza, grande rigidità, riduzione delle vibrazioni e del rumore, resistenza alla fatica, isolamento termico e altre prestazioni eccellenti, per il design leggero del veicolo, migliorare la sicurezza e il comfort del veicolo è di grande importanza.

2.2 Soddisfare i requisiti di sviluppo leggero dei veicoli ferroviari

Negli ultimi anni, la velocità operativa dei veicoli di trasporto ferroviario sta diventando sempre più elevata, il che richiede che i veicoli ferroviari raggiungano un design leggero senza ridurre le prestazioni di sicurezza. Il materiale composito è lo schema più efficace per i veicoli ferroviari.

2.3 Può ridurre il costo

Con il miglioramento della velocità delle operazioni di transito ferroviario, le persone prestano sempre più attenzione ai costi di manutenzione e ai costi operativi prestando attenzione alla sicurezza e al comfort del veicolo. Sebbene l'investimento iniziale nel settore del trasporto ferroviario sia elevato, il costo complessivo dei veicoli che utilizzano materiali compositi è significativamente superiore a quello dei materiali ordinari, soprattutto perché la ricerca e lo sviluppo di nuovi materiali e nuovi processi richiedono ingenti investimenti. Tuttavia, il ciclo operativo del transito ferroviario è lungo. Dal punto di vista dell'intero ciclo di vita dei veicoli, da un lato, i veicoli leggeri possono ridurre efficacemente il consumo energetico dei veicoli e ridurre i costi operativi. D'altra parte, la resistenza alle vibrazioni, la resistenza alla fatica, la resistenza alla corrosione, la tolleranza ai danni e l'assorbimento dell'energia di collisione dei materiali compositi sono migliori di quelle dei normali materiali metallici, quindi il ciclo di manutenzione del veicolo può essere esteso e il costo di manutenzione può essere notevolmente ridotto. Pertanto, a lungo termine, i materiali compositi possono ridurre efficacemente il costo del ciclo di vita dei veicoli.

2.4 Ha una forte designabilità

L'alto modulo specifico e l'elevata resistenza specifica sono le caratteristiche più importanti dei materiali compositi in fibra e le proprietà meccaniche possono essere variate in un'ampia gamma. Pertanto, attraverso la selezione della matrice composita e del rinforzo e la modifica del processo di formatura dei materiali, è possibile soddisfare vari requisiti di progettazione. Ad esempio, la resistenza alla trazione della fibra di vetro può raggiungere i 3500 MPa e il modulo elastico è di 70 GPa. La resistenza alla trazione della fibra di carbonio ad alto modulo può raggiungere i 3900 MPa e il modulo elastico è di 600 GPa. È stato appreso attraverso esperimenti che la migliore struttura di stratificazione può essere trovata in base ai requisiti di progettazione nel processo di formatura delle parti strutturali modificando i materiali compositi con proprietà molto diverse dei materiali della matrice.

2.5 Buona affidabilità e sicurezza

I fattori più importanti che influenzano la sicurezza delle parti strutturali sono la resistenza alla fatica e la sensibilità all'intaglio dei materiali. In precedenza, i compositi sono stati ampiamente utilizzati in campi ad alto stress come quello aerospaziale, proprio per la loro eccellente resistenza alla fatica e la bassa sensibilità al notch.

Sebbene i materiali metallici comuni abbiano un'elevata resistenza statica, la loro resistenza diminuisce significativamente in condizioni di vibrazioni intense. Ad esempio, le parti strutturali in materiale metallico presentano uno spazio in un certo punto. Sotto vibrazioni e urti (carico variabile), i difetti si diffonderanno rapidamente fino a danneggiare le parti strutturali. Tuttavia, la differenza tra resistenza statica e resistenza alle vibrazioni dei materiali compositi è quasi nulla. Anche se le parti strutturali sono intagliate, lo stress nel materiale verrà trasferito allo strato adiacente e non verrà distrutto a causa del carico variabile a lungo termine. Questo è uno dei motivi per cui le parti in composito hanno una vita molto più lunga rispetto alle parti in metallo.

3.1 Compositi in fibra di carbonio

Sebbene la ricerca e l'applicazione di materiali in fibra di carbonio siano iniziate tardi in Cina, la tecnologia si è sviluppata rapidamente negli ultimi anni, soprattutto nel campo del traffico veicolare. Ad esempio, CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Co., Ltd. ha utilizzato materiali in fibra di carbonio nella progettazione di una cabina di equipaggiamento di un treno proiettile. La resistenza agli urti, la resistenza alla corrosione e le proprietà meccaniche del veicolo sono garantite e il peso della cabina dell'attrezzatura è inferiore di circa il 35% rispetto a quello del materiale in lega di alluminio.

3.2 Materiali compositi in fibra di vetro

Con un'eccellente riduzione del rumore e proprietà ignifughe, la resistenza meccanica e le prestazioni del rapporto di rigidità sono più eccezionali. Pertanto, viene spesso utilizzato nei sedili dei veicoli ferroviari, nel copritesta della cabina di guida e in altre parti.

3.3 Compositi in fibra aramidica

Rispetto ai materiali metallici tradizionali, i compositi aramidici hanno proprietà eccellenti come ritardante di fiamma, elevata resistenza, alto grado di isolamento, resistenza all'umidità e alla corrosione e proprietà fisiche e chimiche stabili. Sono completamente utilizzati in motori, trasformatori e altre posizioni e possono svolgere un buon ruolo nella riduzione del peso dell'isolamento.

L'applicazione di materiali compositi nei veicoli ferroviari sarà sempre più estesa, soprattutto nella struttura della carrozzeria del veicolo ha una buona prospettiva di applicazione.