Trong những năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng của ngành vận tải đường sắt, ngày càng có nhiều nghiên cứu về vật liệu mới cho phương tiện đường sắt, và tỷ lệ vật liệu mới ngày càng lớn. Trong số đó, nghiên cứu và ứng dụng vật liệu composite sợi là nổi bật nhất. Điều này là do vật liệu composite sợi có thể dựa trên các yêu cầu thiết kế, thông qua việc lựa chọn các vật liệu gia cố và ma trận khác nhau, tỷ lệ triển khai khác nhau và sử dụng các quy trình tạo hình khác nhau, có thể thu được các đặc tính toàn diện khác nhau của vật liệu mới, chẳng hạn như cách nhiệt tốt, chống ăn mòn, chống mài mòn, mô đun riêng cao, cường độ riêng cao và các đặc tính khác, đặc tính này không thể đáp ứng vật liệu đơn lẻ truyền thống.
Trong thiết kế phương tiện đường sắt, vật liệu composite đã được sử dụng rộng rãi trong nội thất của phương tiện, thiết bị bên trong và các bộ phận khác của kết cấu tải trọng cũng được sử dụng ở một mức độ nhất định. Các bộ phận cấu trúc làm bằng vật liệu composite có ưu điểm là độ bền cao, trọng lượng nhẹ và độ cứng cao. Quy trình sản xuất thường áp dụng công nghệ tạo hình gần cuối cùng, không cần xử lý thêm và có thể giảm đáng kể chi phí sản xuất. Việc áp dụng vật liệu composite cũng có thể cải thiện hiệu quả sự thoải mái và an toàn của các phương tiện đường sắt, giảm độ rung và tiếng ồn, đồng thời giảm trọng lượng cơ thể. Sợi composite đã trở thành một vật liệu quan trọng không thể thiếu trong lĩnh vực vận chuyển đường sắt.
1
Đặc điểm của vật liệu composite sợi
Mô-đun và độ bền cụ thể của vật liệu tổng hợp sợi carbon là cao nhất trong số các vật liệu thường được sử dụng và chúng có những ưu điểm rõ ràng về độ bền, độ cứng và độc tính của khói. Vật liệu FRP mới có hiệu suất tốt như chất chống cháy và cách âm. Và vật liệu composite aramid có khả năng chống cháy, độ bền cao, khả năng chịu nhiệt độ cao, lớp cách nhiệt cao, khả năng chống ẩm và chống ăn mòn, tính chất vật lý và hóa học ổn định. Tất cả các loại vật liệu composite có đặc điểm khác nhau và được sử dụng trong các bộ phận quan trọng khác nhau của phương tiện đường sắt.
2
Phân tích ưu điểm ứng dụng của vật liệu composite trong phương tiện giao thông đường sắt
2.1 Tính chất cơ học tốt
Vật liệu composite thể hiện hiệu suất toàn diện của vật liệu ma trận và vật liệu gia cố, với độ bền cao, nhẹ, độ cứng lớn, giảm rung và tiếng ồn, chống mỏi, cách nhiệt và hiệu suất tuyệt vời khác, cho thiết kế nhẹ của xe, cải thiện sự an toàn và sự thoải mái của chiếc xe có ý nghĩa rất lớn.
2.2 Đáp ứng yêu cầu phát triển trọng lượng nhẹ của phương tiện đường sắt
Trong những năm gần đây, tốc độ hoạt động của các phương tiện vận chuyển đường sắt ngày càng cao, đòi hỏi các phương tiện đường sắt phải đạt được thiết kế nhẹ mà không làm giảm hiệu suất an toàn. Vật liệu composite là phương án hiệu quả nhất cho các phương tiện đường sắt.
2.3 Có thể giảm chi phí
Với việc cải thiện tốc độ vận hành của phương tiện đường sắt, mọi người ngày càng chú ý đến chi phí bảo trì và chi phí vận hành đồng thời chú ý đến sự an toàn và thoải mái của phương tiện. Mặc dù đầu tư ban đầu vào ngành vận tải đường sắt là lớn, nhưng tổng chi phí của phương tiện sử dụng vật liệu composite cao hơn đáng kể so với vật liệu thông thường, đặc biệt là do việc nghiên cứu và phát triển vật liệu mới và quy trình mới nhất định cần đầu tư rất lớn. Tuy nhiên, chu kỳ hoạt động của vận tải đường sắt kéo dài. Một mặt, từ góc độ toàn bộ vòng đời của phương tiện, phương tiện hạng nhẹ có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng của phương tiện và giảm chi phí vận hành một cách hiệu quả. Mặt khác, khả năng chống rung, chống mỏi, chống ăn mòn, chịu hư hỏng và hấp thụ năng lượng va chạm của vật liệu composite tốt hơn so với vật liệu kim loại thông thường, do đó chu kỳ bảo dưỡng của xe có thể kéo dài và chi phí bảo dưỡng có thể giảm. được giảm đi rất nhiều. Do đó, về lâu dài, vật liệu composite có thể giảm chi phí vòng đời của phương tiện một cách hiệu quả.
2.4 Có khả năng thiết kế mạnh mẽ
Mô đun riêng cao và cường độ riêng cao là những đặc điểm nổi bật nhất của vật liệu composite sợi, và các tính chất cơ học có thể thay đổi trong phạm vi rộng. Do đó, thông qua việc lựa chọn ma trận composite và cốt thép và thay đổi quá trình tạo hình của vật liệu, có thể đáp ứng các yêu cầu thiết kế khác nhau. Ví dụ, độ bền kéo của sợi thủy tinh có thể đạt tới 3500MPa và mô đun đàn hồi là 70GPa. Độ bền kéo của sợi carbon mô đun cao có thể đạt tới 3900MPa và mô đun đàn hồi là 600GPa. Người ta đã học được thông qua các thí nghiệm rằng cấu trúc phân lớp tốt nhất có thể được tìm thấy theo yêu cầu thiết kế trong quá trình tạo hình các bộ phận kết cấu bằng cách thay đổi vật liệu composite với các đặc tính rất khác của vật liệu ma trận.
2.5 Độ tin cậy và bảo mật tốt
Các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự an toàn của các bộ phận kết cấu là khả năng chống mỏi và độ nhạy của vật liệu. Trước đây, vật liệu tổng hợp đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực ứng suất cao như hàng không vũ trụ, chính xác là do khả năng chống mỏi tuyệt vời và độ nhạy thấp của chúng.
Mặc dù các vật liệu kim loại thông thường có độ bền tĩnh cao, nhưng độ bền của chúng giảm đáng kể trong điều kiện rung động khắc nghiệt. Ví dụ, các bộ phận cấu trúc vật liệu kim loại có một khoảng trống tại một điểm nhất định. Dưới tác động của rung động và va đập (tải trọng thay đổi), các khuyết tật sẽ nhanh chóng lan rộng cho đến khi hư hỏng các bộ phận kết cấu. Tuy nhiên, sự khác biệt giữa độ bền tĩnh và độ bền rung của vật liệu composite gần như bằng không. Ngay cả khi các bộ phận cấu trúc được tạo rãnh, ứng suất trong vật liệu sẽ được truyền sang lớp liền kề và sẽ không bị phá hủy do tải trọng thay đổi trong thời gian dài. Đây là một trong những lý do mà các bộ phận composite có tuổi thọ cao hơn nhiều so với các bộ phận kim loại.
3
Ứng dụng của sợi composite trong phương tiện giao thông đường sắt
3.1 Vật liệu tổng hợp sợi carbon
Mặc dù việc nghiên cứu và ứng dụng vật liệu sợi carbon bắt đầu muộn ở Trung Quốc, nhưng công nghệ này đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, đặc biệt là trong lĩnh vực giao thông phương tiện. Ví dụ, CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Co., Ltd. đã sử dụng vật liệu sợi carbon trong thiết kế cabin thiết bị của tàu cao tốc. Khả năng chống va đập, chống ăn mòn, cơ tính của xe được đảm bảo, trọng lượng của cabin thiết bị thấp hơn khoảng 35% so với vật liệu hợp kim nhôm.
3.2 Vật liệu composite cốt sợi thủy tinh
Với đặc tính giảm tiếng ồn và chống cháy tuyệt vời, độ bền cơ học và hiệu suất tỷ lệ độ cứng vượt trội hơn. Do đó, nó thường được sử dụng trên ghế của các phương tiện đường sắt, nắp đầu của buồng lái và các bộ phận khác.
3.3 Vật liệu tổng hợp sợi Aramid
So với các vật liệu kim loại truyền thống, vật liệu tổng hợp aramid có các đặc tính tuyệt vời như chống cháy, độ bền cao, lớp cách nhiệt cao, chống ẩm và chống ăn mòn, đồng thời có các tính chất vật lý và hóa học ổn định. Chúng được sử dụng đầy đủ trong động cơ, máy biến áp và các vị trí khác, đồng thời có thể đóng vai trò tốt trong việc giảm trọng lượng cách điện.
4
Kết thúc
Ứng dụng của vật liệu composite trong phương tiện đường sắt sẽ ngày càng rộng rãi, đặc biệt là trong cấu trúc thân phương tiện có triển vọng ứng dụng tốt.
