軌道交通用高分子材料研究進(jìn)展
發(fā)布時(shí)間：2012/12/26 作者: 株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司總經(jīng)理 楊軍 來源: 中國橡膠網(wǎng)
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一、概述
軌道交通是一種利用軌道列車進(jìn)行人員和貨物運(yùn)輸?shù)姆绞?，具有運(yùn)量大、速度快、安全、準(zhǔn)點(diǎn)、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源和用地等特點(diǎn)，主要包括干線鐵路、地鐵、輕軌、有軌電車，也包括膠輪的單軌交通系統(tǒng)、線性電機(jī)牽引系統(tǒng)、磁懸浮系統(tǒng)、空中客車等。世界主要國家和大城市大多有比較成熟與完整的軌道交通系統(tǒng)。歐洲是世界上軌道運(yùn)輸最發(fā)達(dá)的地區(qū)，巴黎1000萬人口，軌道交通承擔(dān)70%的公交運(yùn)量，倫敦軌道交通線路呈放射狀布置，足夠解決40%的出行人員需要；亞洲地區(qū)以日本的鐵道密度最高，軌道交通運(yùn)量占城市公交運(yùn)量的86%；美國是鐵路長度最長的國家，許多城市正探索新的交通政策和解決辦法，其中最重要的措施就是恢復(fù)和發(fā)展軌道交通。隨著全球經(jīng)濟(jì)自2008年開始的金融危機(jī)之后逐漸回暖，國際軌道交通必將進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。
我國軌道交通建設(shè)起步較晚，但在改革開放后已進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。尤其是《中國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要》明確提出“優(yōu)先發(fā)展交通運(yùn)輸業(yè)”，極大促進(jìn)了我國城市軌道和客運(yùn)專線的高速發(fā)展。如今我國已建成世界上首條投入商業(yè)運(yùn)營的上海磁懸浮列車，我國還是世界上高速鐵路發(fā)展最快、系統(tǒng)技術(shù)最全、集成能力最強(qiáng)、運(yùn)營里程最長、在建規(guī)模最大的國家。在我國經(jīng)濟(jì)保持高速增長的影響下，軌道交通具有良好的發(fā)展環(huán)境，預(yù)計(jì)到2020年，我國城市化水平將超過50%，城市軌道交通累計(jì)營業(yè)里程將達(dá)到7395公里。
軌道交通技術(shù)的發(fā)展，必須克服車輛的走行性能、輕量化、集電性能、環(huán)保、空氣力學(xué)以及其他諸如改善車內(nèi)環(huán)境、提高乘車舒適度、提高耐候性和耐火性等課題，其中車輛的輕量化與上述各項(xiàng)技術(shù)課題有很強(qiáng)的相關(guān)性。車輛輕量化是一個(gè)系統(tǒng)工程，它涉及到車體、轉(zhuǎn)向架、電氣部件和機(jī)械部件的輕量化。高速列車的輕量化必須大量采用高分子材料及復(fù)合材料（表 1）。[1-4] 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，具有質(zhì)輕、高強(qiáng)度以及易成型等特點(diǎn)的集結(jié)構(gòu)功能一體化的新型高分子材料，尤其是高分子復(fù)合材料越來越多地應(yīng)用在現(xiàn)代軌道交通領(lǐng)域。
本文結(jié)合高分子材料技術(shù)的一些最新進(jìn)展和現(xiàn)代軌道交通急需克服的困難和要求，介紹新型高分子材料及其復(fù)合材料在軌道交通及其基礎(chǔ)設(shè)施上的應(yīng)用。
表 1 國外高速鐵路系統(tǒng)高分子材料及復(fù)合材料應(yīng)用概況
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主要部位
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主要部件
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采用主要高分子材料
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線路及軌道
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電纜支架、疏散平臺
供電軌的支座及防護(hù)構(gòu)件
鋼軌扣件、絕緣墊板及減震墊等
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復(fù)合材料：聚酯GFRP、酚醛GFRP
復(fù)合材料：聚酯GFRP
橡膠：SBR、PUR、NR；塑料：PE、PA、PET、PC；復(fù)合材料：聚酯SMC、環(huán)氧GFRP、環(huán)氧芳綸FRP
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車體及車頭
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車體、車頂及車頭
廁所、洗手間
車窗
座椅
車門
地板及車向裝飾板
緩沖器
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復(fù)合材料：酚醛GFRP；橡膠：PU、IIR、CR
塑料：PC；橡膠：PU、IIR、CR；復(fù)合材料：FRP
塑料：SMC、發(fā)泡PU、PVC；復(fù)合材料：FRP
復(fù)合材料：FRP泡沫夾芯材料；橡膠：CR
塑料：PVC、PE、密胺樹脂板材
彈性體：TPEE、橡膠、彈性緩沖膠泥
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電氣部件
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主整流器
電線
受電弓滑板
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塑料：氟塑料
塑料：PVC；PE、PES、PEEK
復(fù)合材料：GFRP
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轉(zhuǎn)向架
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轉(zhuǎn)向架構(gòu)架
復(fù)合車輪
心盤墊、拉桿磨耗套及轉(zhuǎn)向架旁承
轉(zhuǎn)向架框、拉桿磨耗套及軸承架
合成閘瓦
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復(fù)合材料：FRP芯＋鋼殼
塑料：UHMWPE、PA
塑料：PA、PA66／GF；復(fù)合材料：FRP
復(fù)合材料：CFRP、C／C復(fù)合材料
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二、新型高分子材料在軌道交通中的應(yīng)用
高分子材料部件在新型軌道結(jié)構(gòu)中越來越廣泛的應(yīng)用，已成為繼鋼鐵、石料后的第三大類材料。國外高分子材料在軌道交通上的應(yīng)用非常廣泛，國內(nèi)鐵道線路及軌道結(jié)構(gòu)中也使用了大量的高分子材料?，F(xiàn)代軌道交通向提高安全舒適性、走行性能以及輕量化等方向發(fā)展以及我國軌道交通向高速和重載方向發(fā)展的新特點(diǎn)，對傳統(tǒng)高分子材料及其產(chǎn)業(yè)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，同時(shí)也給新型高分子材料的創(chuàng)新研究與產(chǎn)業(yè)化提供了良好機(jī)遇。
2.1聚烯烴橡膠
目前鐵道車輛中大量應(yīng)用橡膠制作各種減震、密封部件，如各種閥中的密封圈、膠墊，車門、車窗中固定玻璃的密封條，活動(dòng)小桌及門窗的定位減震墊等。隨著鐵路向高速、重載方向發(fā)展，天然橡膠(NR)、氯丁橡膠(CR)等減震橡膠在耐疲勞、耐屈撓及動(dòng)態(tài)生熱等性能方面的劣勢進(jìn)一步凸顯，人們把目標(biāo)轉(zhuǎn)向改性或新型高分子材料。
2.1.1 改性異戊橡膠
異戊橡膠（IR）是溶液聚合的高順式1,4聚異戊二烯，分子量分布窄，支化少，不含非橡膠烴成分，最接近天然橡膠，而耐水性、電絕緣性超過天然橡膠，但其生膠強(qiáng)度、粘著性、加工性能以及硫化膠的抗撕裂強(qiáng)度、耐疲勞性等均稍低于天然橡膠。
IR通過原位接枝改性，可提高其力學(xué)性能并擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域。[5] 由圖 1可見，與未改性膠料相比，白炭黑原位接枝改性膠料玻璃化溫度（Tg）向高溫方向移動(dòng)，分析認(rèn)為由于原位接枝改性反應(yīng)增大了膠料的交聯(lián)密度，阻礙了橡膠分子鏈的運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，在常溫至高溫范圍內(nèi)，原位接枝改性膠料的tanδ低于未改性膠料，60℃下的tanδ值由未改性時(shí)的0.113降至0.068，這說明原位接枝改性膠料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能優(yōu)于未改性膠料；從軸箱彈簧的動(dòng)剛度曲線可以看出，使用原位接枝改性膠料的軸箱彈簧滯后圈面積明顯減小，說明該產(chǎn)品tanδ更小，減震性能改善明顯，這與膠料DTMA結(jié)果相一致。通過原位接枝改性的IR改性膠料已經(jīng)運(yùn)用于軸箱彈簧，減震性能改善明顯。
圖 1 軸箱彈簧用原位接枝改性IR（左-膠料DMTA曲線；右-軸箱彈簧動(dòng)剛度曲線）
2.1.2 高反式異戊橡膠
反式-1,4-聚異戊二烯(TPI）又稱人工合成杜仲橡膠，與NR和IR具有相同的化學(xué)組成，但其雙鍵構(gòu)型為反式結(jié)構(gòu)，因而有較大的性能差異。雙鍵、鏈柔性和反式有序性是TPI最典型的三大特征。由于TPI分子鏈中存在有雙鍵，所以其既具有不飽和橡膠的分子鏈柔順性和可硫化特征，又具有反式立構(gòu)規(guī)整聚合物的易結(jié)晶性，因而兼具橡塑雙重特性。由于其分子鏈柔順性好，反式鏈節(jié)等同周期短，常溫下以折疊鏈形式存在，當(dāng)溫度低于60℃即結(jié)晶，是一種具有高硬度和高拉伸強(qiáng)度的結(jié)晶聚合物；當(dāng)溫度高于60℃時(shí)結(jié)晶便軟化，能夠通過硫化交聯(lián)成為柔軟的彈性體。
通過采用TPI并用等技術(shù)，耐疲勞、耐屈撓及動(dòng)態(tài)生熱等性能得到明顯改善，適應(yīng)了軌道交通越來越苛刻的減震性能等要求。黃自華等將TPI與NR共混用于制作球鉸產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)共混膠可保持NR原有優(yōu)良性能的同時(shí)其屈撓性能明顯改善，動(dòng)態(tài)生熱大幅度降低（表 2）。黃寶琛等人[6] 的研究表明，TPI與CR共混所制共混膠相比CR膠料物理機(jī)械性能影響很小，但疲勞性能大幅度提高，所并用TPI橡膠應(yīng)用于機(jī)車減震部件，產(chǎn)品耐疲勞性能優(yōu)異。
表 2 TPI/NR共混膠料所制球鉸疲勞性能
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檢測項(xiàng)目
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檢驗(yàn)方法
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檢驗(yàn)結(jié)果
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未加入TPI
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加入TPI
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徑向剛度
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徑向加載30kN，計(jì)算(0-26)kN之間的剛度
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23.9kN/mm
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23.3kN/mm
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疲勞試驗(yàn)
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徑向加載±15kN，頻率3.2Hz，疲勞試驗(yàn)250萬次
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160萬次時(shí)樣品現(xiàn)裂紋（尺寸35mm×5mm）
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250萬次疲勞試驗(yàn)后樣品完好
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疲勞后徑向剛度變化率
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徑向加載30kN，計(jì)算(0-26)kN之間的剛度
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18.9kN/mm
21.1%
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24.0kN/mm
3.2%
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2.1.3 鹵化丁基橡膠
吳馳飛等提出[7]，有機(jī)小分子和極性高聚物之間會形成可逆的氫鍵，氫鍵在振動(dòng)作用下會不斷的斷裂和形成新鍵，從而將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉。依據(jù)該理論，在鹵化丁基橡膠中引入小分子（如抗氧劑、促進(jìn)劑等）所制備的雜化材料獲得高阻尼因子的良好效果。譚亮紅等[8, 9] 通過在溴化丁基橡膠中引入小分子樹脂，并采用四川大學(xué)提出的多層微納米技術(shù)，研制出阻尼性能顯著提高的高阻尼材料。如圖 2所示，多層擠出制備的阻尼材料阻尼性能明顯優(yōu)于普通共混試樣，隨層數(shù)的增加，多層試樣中的CIIR阻尼峰有效溫域逐漸拓寬，阻尼峰位置向高溫移動(dòng)，且損耗因子也是隨層數(shù)的增加依次提高。該基于IPN結(jié)構(gòu)樹脂并采用微納米多層共擠技術(shù)的系列阻尼材料，具有良好的環(huán)保性能、阻燃性能和阻尼性能，已在高速軌道車輛批量使用。
圖 2 共擠層數(shù)對CIIR/PVAc交替多層阻尼性能的影響
2.2聚硅氧烷高分子
以硅氧鍵（-Si-O-Si-）為骨架組成的聚硅氧烷，是有機(jī)硅化合物中為數(shù)最多、研究最深、應(yīng)用最廣的一類，約占總用量的90%以上。這類有機(jī)硅材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)：1，Si原子上充足的甲基將高能量的聚硅氧烷主鏈屏蔽起來；2，C-H無極性，使分子間相互作用力十分微弱；3，Si-O鍵長較長，Si-O-Si鍵鍵角大；4，Si-O鍵是具有50％離子鍵特征的共價(jià)鍵（共價(jià)鍵具有方向性，離子鍵無方向性）。由于有機(jī)硅獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，兼?zhèn)淞藷o機(jī)材料與有機(jī)材料的性能，即具有表面張力低、粘溫系數(shù)小、壓縮性高、氣體滲透性高等基本性質(zhì)，并具有耐高低溫、電氣絕緣、耐氧化穩(wěn)定性、耐候性、難燃、憎水、耐腐蝕、無毒無味以及生理惰性等優(yōu)異特性。隨著有機(jī)硅數(shù)量和品種的持續(xù)增長，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，形成化工新材料界獨(dú)樹一幟的重要產(chǎn)品體系，許多品種是其他化學(xué)品無法替代而又必不可少的。
2.2.1 有機(jī)硅彈性膠泥
彈性膠泥緩沖器是近20年來歐洲鐵路聯(lián)合系統(tǒng)(UIC)國家首先使用的一種高技術(shù)緩沖器產(chǎn)品。彈性膠泥緩沖器的優(yōu)點(diǎn)是：容量大、阻抗力小、體積小、質(zhì)量輕、檢修頻次少，兼有液壓和橡膠緩沖器兩者的優(yōu)點(diǎn)，克服了液壓緩沖器制造復(fù)雜、密封難和橡膠緩沖器吸收率低的缺點(diǎn)。[10, 11] 用于彈性膠泥緩沖器的緩沖介質(zhì)即彈性膠泥，是一種未經(jīng)硫化的聚硅氧烷高分子12] 。該聚硅氧烷高分子具有彈性、可壓縮性和流動(dòng)性，其物理性能在-80℃～250℃范圍內(nèi)具有較高的穩(wěn)定性、抗老化性、無臭、無毒，對環(huán)境和人員無污染，集固、液兩種屬性于一體，是緩沖器理想的彈性膠泥材料。[
國際上彈性膠泥緩沖器研制、生產(chǎn)處于領(lǐng)先地位的國家有法國、波蘭等歐洲國家，在貨車上已廣泛應(yīng)用。在波蘭有兩種膠泥緩沖器用于客車上，德國的ICE列車上也裝有這種緩沖器。[10] 我國已有成功開發(fā)此類彈性膠泥材料以及專利的報(bào)道。經(jīng)采用以甲基和苯基環(huán)狀硅氧烷為主要原材料，以四甲基氫氧化銨為催化劑、六甲基二硅氧烷或一種新型硅氧烷為封端劑的樹脂體系進(jìn)行陰離子開環(huán)聚合反應(yīng)（圖3）。最終得到低溫性能優(yōu)良（小于-90oC）且粘度穩(wěn)定的螺旋式有機(jī)硅阻尼高分子材料（表3）。[13, 14] 該材料的研發(fā)成功，形成了從催化劑開發(fā)合成系列專利技術(shù)，打破了國外壟斷，所生產(chǎn)的產(chǎn)品已成功應(yīng)用于列車車鉤緩沖器產(chǎn)品、城軌地鐵線路車檔緩沖器產(chǎn)品橋梁速度鎖定器產(chǎn)品。
圖 3 螺旋式有機(jī)硅阻尼高分子材料合成機(jī)理
表 3 彈性膠泥芯體主要性能
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檢測項(xiàng)目
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技術(shù)要求
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重要度
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檢測結(jié)果
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靜態(tài)性能
（23±2oC）
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位移2mm時(shí)載荷
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≥20.0 kN
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A
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25.2kN
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距壓并3mm時(shí)載荷
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71.0±4.0 kN
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A
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74.4kN
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容量a
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≥3.5 kJ
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B
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4.9kJ
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高、低溫
最大靜態(tài)載荷
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+50oC位移2mm時(shí)載荷
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≤85.0 kN
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B
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81.6kN
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-50oCb距壓并3mm時(shí)載荷
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≥50.0 kN
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56.2kN
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靈敏度（23±2oC）
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≤4.0 KN
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0.6kN
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耐久性 （5.28萬次后）
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無膠泥泄漏，靜態(tài)特性指標(biāo)保持率≥80%
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A
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合格
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注：a、容量指彈性膠泥芯體靜態(tài)特性試驗(yàn)中測得的加載載荷與位移曲線包容的面積；
b、低溫-50oC試驗(yàn)時(shí)，曲線應(yīng)平滑、完整，且力不應(yīng)出現(xiàn)零，活塞桿應(yīng)完全復(fù)位；
c、A-關(guān)鍵，B-重要，C-一般
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2.2.2 有機(jī)硅浸漬樹脂
有機(jī)硅浸漬樹脂不僅具有優(yōu)異的耐高低溫性能、耐候性能、耐水性能、耐火性能，還具有優(yōu)異的電氣絕緣性能、阻燃性能、耐輻射性能等，廣泛應(yīng)用于H級、C級需求以及對耐候和防火等有特殊需求的電機(jī)上，如地鐵、城軌機(jī)車用牽引電機(jī)、高速動(dòng)車用牽引電機(jī)和大功率機(jī)車用牽引電機(jī)等。
我國有機(jī)硅浸漬樹脂研究已開展多年，其中姜其斌等[15-19] 開發(fā)的TJ1173無溶劑有機(jī)硅浸漬樹脂產(chǎn)品能滿足長期200oC和短期400oC的高溫使用工況，并且耐候性強(qiáng)，能滿足浸水、極寒、冷熱沖擊等惡劣環(huán)境，與進(jìn)口產(chǎn)品處于同等的技術(shù)水平。TJ1173無溶劑有機(jī)硅浸漬樹脂還因無有機(jī)溶劑、極低的揮發(fā)分和產(chǎn)品固化后無毒等特性，是一種性能優(yōu)異的環(huán)保性樹脂漆，且采用TJ1173浸漬處理的地鐵電機(jī)、機(jī)車牽引電機(jī)已在地鐵電機(jī)中批量應(yīng)用。[20, 21]
2.2.3 有機(jī)硅凝膠
軌道交通中牽引電機(jī)控制和功率變換器首選器件-絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），因需要在惡劣的環(huán)境（水汽、化學(xué)介質(zhì)、輻射以及震動(dòng)等）下工作，對電路和器件的特殊保護(hù)顯得尤為重要。有機(jī)硅凝膠作為保護(hù)IGBT的模塊封裝膠的關(guān)鍵材料應(yīng)具備：優(yōu)良的介電性能，保證模塊工作時(shí)具有穩(wěn)定的電氣性能；良好的彈性和柔性，以使模塊內(nèi)芯片及其引線在較大外力作用和受震動(dòng)時(shí)不受損；良好的粘性，使之與管芯、連線、底座緊密接觸，以防水汽浸入；耐受高溫（150oC）、低溫（-40oC）的冷熱循環(huán)并具備較好的導(dǎo)熱性；良好的化學(xué)穩(wěn)定性，固化時(shí)無低分子化合物產(chǎn)生等。
我國最近采用基于氫硅化反應(yīng)理論的合成方法制備的有機(jī)硅凝膠，與國外同類產(chǎn)品相比具有更低的離子含量（鈉鉀離子小于10ppm，氯離子小于1ppm），因而電性能更優(yōu)異，介電強(qiáng)度大于20kV/mm，體積電阻率達(dá)到6.1×1015Ω·cm，已達(dá)到IGBT模塊封裝膠的使用要求。[22]
2.3 熱塑性聚醚酯彈性體
熱塑性聚醚酯彈性體（Thermoplastic polyether ester elastomer，TPEE）是含有聚酯硬段（聚對苯二甲酸二醇酯，如PBT、PTT等）和聚醚或聚酯軟段的嵌段共聚物（圖 4），其中聚醚軟段和未結(jié)晶的聚酯形成無定形相，聚酯硬段部分結(jié)晶形成結(jié)晶微區(qū)，起物理交聯(lián)點(diǎn)的作用。硬段和軟段的比例決定了其硬度和物理機(jī)械性能。硬段形成物理交聯(lián)點(diǎn)，承受應(yīng)力；軟段是自由分布的高彈性鏈段，貢獻(xiàn)彈性。在高溫下結(jié)晶熔化，硬段失去對分子的束縛力，材料呈現(xiàn)塑性，可用一般塑料加工手段加工。這種交聯(lián)變化是可逆的，隨著溫度的下降，硬段對分子束縛功能逐漸恢復(fù)，顯出硫化橡膠的特性。因此，TPEE兼具橡膠的柔軟性、彈性和熱塑性塑料的剛性、易加工性，是具有廣闊發(fā)展前景的第三代合成橡膠。
圖 4 TPEE分子結(jié)構(gòu)示意圖
1972年美國DuPout公司最先將TPEE工業(yè)化。隨后荷蘭DSM公司、美國GE公司、美國Hoechst Celanese公司、日本Toyobo公司和波蘭Elana公司等10家國外公司相繼推出了聚酯類熱塑性彈性體。國內(nèi)對聚醚酯彈性體材料的研究起步較晚，從70年代末才開始出現(xiàn)相關(guān)報(bào)道。目前，國內(nèi)四川晨光科新、上海中紡?fù)顿Y、遼陽科隆公司均建成年產(chǎn)千噸級TPEE生產(chǎn)線。
由于TPEE優(yōu)異的綜合性能，國外公司已有應(yīng)用于城軌客車、機(jī)車、貨車的緩沖裝置，如車鉤緩沖墊等。TPEE車鉤緩沖墊先前只有德國Durel公司和美國Miner公司掌握此項(xiàng)技術(shù)，售價(jià)昂貴。我國株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司歷經(jīng)2年的研發(fā)，連續(xù)攻克了材料配方、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成型工藝等技術(shù)難關(guān)，成功研發(fā)TPEE車鉤緩沖墊，成為第三家能生產(chǎn)該類型產(chǎn)品的公司。該公司產(chǎn)品采用獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，類似于“U”形彈簧，使得此類緩沖單元具有較高的載荷和容量，產(chǎn)品（直徑165mm，厚度65mm）最大載荷達(dá)到250噸，超過國外樣品最大載荷180噸（圖 5-左）；產(chǎn)品在受壓2813kN后，隨著外力逐漸減小，彈性體也隨之回彈到安裝前的高度（圖 5-右），未發(fā)生產(chǎn)品破壞和不回彈現(xiàn)象。我國主機(jī)廠認(rèn)為國產(chǎn)產(chǎn)品達(dá)到了國外技術(shù)水平，并且載荷和回彈性均優(yōu)于國外樣品。該公司還研發(fā)出TPEE城軌地鐵墊板、TPEE高速車一系緩沖墊等產(chǎn)品，均達(dá)到國外先進(jìn)產(chǎn)品水平（圖 6）。[23]
圖 5 國產(chǎn)TPEE力學(xué)性能（左-與國外樣品載荷對比；右-車鉤緩沖墊壓縮測試曲線）
2.4 聚氨酯
聚氨酯彈性體分子主鏈由柔性鏈段和剛性鏈段交替組成，因此兼具塑料和橡膠特性。聚氨酯彈性體比天然橡膠的機(jī)械強(qiáng)度高2-3倍，耐磨性比天然橡膠和丁苯橡膠高出10多倍，耐油性和燃油性好于丁腈橡膠，氣體滲透性低，可以和丁基橡膠媲美。與傳統(tǒng)橡膠減震墊板相比，聚氨酯微孔發(fā)泡材料具有高回彈、耐磨、壓縮應(yīng)力傳遞平穩(wěn)、耐油和抗疲勞性能優(yōu)異的特點(diǎn)，加之其高效節(jié)能環(huán)保的成型方式而備受關(guān)注。聚氨酯材料的綜合性能優(yōu)異被作為新興減震材料廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外軌道交通領(lǐng)域。
2.4.1 微孔發(fā)泡聚氨酯
軌道結(jié)構(gòu)剛度由扣件高剛度、路基剛度等組成，是影響軌道反力分布和動(dòng)態(tài)傳遞特性、軌道結(jié)構(gòu)震動(dòng)及軌道維修的關(guān)鍵因素。軌道結(jié)構(gòu)剛度中起主要作用的是扣件系統(tǒng)剛度，扣件系統(tǒng)剛度又主要由彈性墊層剛度決定，因此可以見彈性墊層的剛度是影響無咋軌道線路的關(guān)鍵技術(shù)。國外高速鐵路、重載鐵路以及城市軌道交通廣泛使用聚氨酯材料制造減震墊板。我國聚氨酯減震墊板制造技術(shù)已經(jīng)取得突破，在許多軌道交通工具中得到應(yīng)用。
國內(nèi)在前期的客運(yùn)專線扣件系統(tǒng)的研究過程中，確定了適應(yīng)不同運(yùn)營條件的高速鐵路無咋軌道扣件彈性墊性能要求，如在客貨混運(yùn)（WJ-8A）和純客運(yùn)高速鐵路（WJ-8B）運(yùn)營環(huán)境下，聚氨酯料微孔墊片動(dòng)靜剛度比要求應(yīng)不大于1.35；聚氨酯微孔墊片經(jīng)300萬次疲勞試驗(yàn)后，不得出現(xiàn)裂紋，永久變形不得大于10%，靜剛度變化率不得超過20％。株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司研制的聚氨酯微孔彈性體減震墊板除滿足上述使用要求外（表 4），還采用閉孔發(fā)泡技術(shù)，即使在大雨磅礡的環(huán)境下也只吸收極少水分，不會影響其良好的電絕緣特性。[24]
表 4 WJ-8型聚氨酯微孔彈性墊板主要性能
|
檢測項(xiàng)目
|
技術(shù)要求
|
檢測結(jié)果
|
|
|
拉伸強(qiáng)度，MPa
|
老化前
|
＞24.0
|
4~5
|
|
老化后
|
＞1.8
|
5~5.5
|
|
|
扯斷伸長率，%
|
老化前
|
＞150
|
300~350
|
|
老化后
|
＞20
|
350~380
|
|
|
300萬次疲勞后
|
靜剛度變化率，%
|
＜20
|
9~14
|
|
厚度變化率，%
|
＜10
|
4~5
|
|
|
靜剛度，kN/mm
|
23±3
|
23~25
|
|
|
動(dòng)/靜剛度比
|
＜1.35
|
1.19~1.32
|
|
|
壓縮永久變形，%
|
＜10.0
|
3~3.6
|
|
|
工作電阻，Ω
|
＞108
|
109~1010
|
|
|
耐油體積膨脹，%
|
＜10
|
4~5
|
|
目前我國開展的重載軌道改造主要為有砟線路，其主要減震原件為軌下彈性墊板。由于重載的特殊性，需要產(chǎn)品在承載載荷大于10噸時(shí)，產(chǎn)品的靜剛度能實(shí)現(xiàn)突變，即在載荷為10噸時(shí)，剛度曲線有明顯的拐點(diǎn)。目前我國只有株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司開發(fā)的聚氨酯彈性體產(chǎn)品能滿足此要求。美國標(biāo)準(zhǔn)對重載軌道彈性墊板提出了動(dòng)剛度殘余值的要求，要求在1000次動(dòng)態(tài)載荷后記錄最后一次的變形量，要求值越小越好。該公司聚氨酯彈性體產(chǎn)品動(dòng)剛度殘余值為0.13，優(yōu)于國外某著名公司熱塑性聚酯彈性體產(chǎn)品（其動(dòng)剛度殘余值為0.36）。產(chǎn)品的耐疲勞試驗(yàn)是考驗(yàn)一個(gè)材料配方性能優(yōu)異與否的最嚴(yán)厲、最苛刻的試驗(yàn)，該公司采用美國測試方法對其生產(chǎn)的聚氨酯重載墊板進(jìn)行了疲勞性能檢測，產(chǎn)品組裝靜剛度變化率剛度變化率僅為17%（表 5），完全滿足美國標(biāo)準(zhǔn)不大于25%的要求。
表 5 扣件系統(tǒng)組裝疲勞前后墊板剛度試驗(yàn)（美國測試方法）
|
疲勞前靜剛度，kN/mm
|
疲勞后靜剛度，kN/mm
|
靜剛度變化率，%
|
厚度變化率，%
|
|
549.88
|
640.95
|
+17%
|
-5.1%
|
2.4.2 玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯泡沫復(fù)合材料
聚氨酯還被研究用于道砟膠及軌枕。2009年，德國采用拜耳材料科技的彈性聚氨酯泡沫塑料系統(tǒng)Durflex®填實(shí)道床道碴碎石間的縫隙，起到避免道碴移位、極大地提高道碴上層結(jié)構(gòu)的耐久性以及吸收40%以上結(jié)構(gòu)噪音的效果。木材或混凝土是生產(chǎn)或枕木（用于支撐鐵軌）的傳統(tǒng)材料。日本積水化學(xué)工業(yè)株式會社、德國拜耳聚氨脂有限公司等研發(fā)出的玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯泡沫復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)軌枕用材木材或混凝土已在鐵路上運(yùn)行10多年，仍保持了其遠(yuǎn)高于木材或混凝土的出色機(jī)械性能。我國中船重工七二五所從2007年開始著手研究鐵路用聚氨酯復(fù)合材料軌枕，目前已在廣州地鐵、南京地鐵上有一定應(yīng)用。[25]
2.5 改性尼龍
軌道線路要求鐵路軌道結(jié)構(gòu)具備較高剛性、穩(wěn)定性及適宜的彈性，實(shí)現(xiàn)鐵路的安全性、舒適性及減少維修。由絕緣塊、套管、墊板等主要高分子材料產(chǎn)品組成的線路扣件部件作為鐵路軌道固定、絕緣、減震和調(diào)節(jié)軌道間距的重要部件，可以有效的解決機(jī)車震動(dòng)、噪音大的問題，確保軸距穩(wěn)定，極大提升鐵路的安全和舒適性能。與金屬部件比，尼龍有質(zhì)輕、防銹、抗振、抗沖擊和絕緣性好，而且加工性能優(yōu)異，設(shè)計(jì)靈活，易于實(shí)現(xiàn)部件一體化，減少了部件數(shù)量和組裝工序，提高了安裝效率，維修方便。
目前，世界各國高速鐵路迅速發(fā)展，以德國VOSSLOH和英國PANDROL為首的公司在鐵路線路扣件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及制造方面處于領(lǐng)先地位。美國鐵路還采用尼龍制造轉(zhuǎn)向架框、制動(dòng)拉桿磨耗套等。軸承保持架采用塑料制造的趨勢已很明顯，法國使用纖維增強(qiáng)尼龍制造軸承保持架，比黃銅保持架耐磨、壽命更長。[26] 隨著高速鐵路的快速發(fā)展，使用地域?qū)O度放大，對高分子材料的高強(qiáng)度、耐高低溫等性能要求越來越高。國內(nèi)外現(xiàn)有尼龍合金復(fù)合材料及相關(guān)扣件普遍存在如下缺點(diǎn)：聚合物基體流動(dòng)性較差，制品表面浮纖嚴(yán)重，影響制品外觀；耐低溫性差，存在較大安全隱患；制品尺寸穩(wěn)定性及耐候性能也有待進(jìn)一步提高。我國株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司在解決以上缺陷方面的研發(fā)工作，走在行業(yè)前列。
2.5.1 連續(xù)反應(yīng)尼龍
我國東北部和蒙古國等地鐵路貨車軌道彎道多且工況復(fù)雜，導(dǎo)致運(yùn)行中機(jī)車振動(dòng)劇烈，并且所處地域緯度高，因此對機(jī)車心盤磨耗板所用材料性能提出了較高要求，如我國齊齊哈爾車輛廠將其常溫缺口沖擊強(qiáng)度指標(biāo)從4 kJ/m2提高到10 kJ/m2，低溫沖擊性能3 kJ/m2由原來-50oC提到-60oC，同時(shí)材料的斷裂伸長率也由原來的50%提高到150%。
劉愛學(xué)等人[27-29]對連續(xù)反應(yīng)表 6），成功應(yīng)用于我國東北部、蒙古國等地鐵路貨車心盤磨耗盤（圖 7）、澳大利亞鐵路貨車襯墊等產(chǎn)品。尼龍所涉及的催化劑、活性劑、增韌劑等進(jìn)行了詳細(xì)的研究，所制得的連續(xù)反應(yīng)尼龍顯著改善低溫性能并提高力學(xué)性能（
表 6 連續(xù)反應(yīng)尼龍制心盤磨耗板產(chǎn)品典型性能與行業(yè)指標(biāo)對比
|
檢測項(xiàng)目
|
國內(nèi)車指標(biāo)
|
出口車指標(biāo)
|
時(shí)代新材產(chǎn)品
|
|
拉伸強(qiáng)度，MPa
|
≥55MPa
|
≥50MPa
|
58.3
|
|
壓縮強(qiáng)度，MPa
|
≥75MPa
|
≥65MPa
|
75.8
|
|
彎曲強(qiáng)度，MPa
|
≥55MPa
|
≥40MPa
|
40.5
|
|
斷裂伸長率，%
|
≥50
|
≥150
|
157
|
|
缺口沖擊強(qiáng)度， kJ/m2
|
≥4（23 ºC）
|
≥10（23 ºC）
|
25.1
|
|
缺口沖擊強(qiáng)度， kJ/m2
|
≥3（-50 ºC）
|
≥3（-60 ºC）
|
4.2
|
圖 7 國產(chǎn)鐵路貨車心盤磨耗盤
2.5.2高流動(dòng)性尼龍6
普通尼龍由于玻纖浸漬性差，存在玻纖填充量小且浮纖嚴(yán)重的問題。高流動(dòng)性尼龍6具有熔體流動(dòng)性好、可快速成型、加工成本低、設(shè)計(jì)自由度大、偶聯(lián)浸漬性佳等優(yōu)勢，可替代普通尼龍6并有效解決玻纖填充量小且浮纖等問題。
胡天輝等人[30, 31]開發(fā)出力學(xué)性能好、熔體流動(dòng)性能優(yōu)異、浸漬性極佳的高流動(dòng)性尼龍6樹脂，打破了國外公司對我國高流動(dòng)性尼龍6樹脂的封鎖。由表 7可見，玻纖填充量達(dá)60%的高流動(dòng)性尼龍力學(xué)性能顯著優(yōu)于普通尼龍，且由于樹脂基體優(yōu)異的流動(dòng)性和浸漬性，從而制品表觀性能好，無浮纖，在行李架、軌道扣件等以塑代鋼產(chǎn)品中具有廣闊的應(yīng)用前景?；疖嚱Y(jié)構(gòu)內(nèi)飾件及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁電子電氣部件要求所使用材料具有優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度及無鹵阻燃性能，普通尼龍6在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中存在玻纖外露，翹曲等問題，而以高流動(dòng)性尼龍6為基體樹脂所研制的改性料，不僅提高了力學(xué)性能，還減少阻燃劑用量（與普通尼龍相比減少1/3），有效解決了體系分散和相容性差、玻纖外露問題，所得制品在保持優(yōu)異外觀性能的同時(shí)，還顯著減少薄壁復(fù)雜電子元件材料的翹曲問題。以高流動(dòng)性尼龍6為基礎(chǔ)樹脂的60%長玻纖增強(qiáng)尼龍改性粒料，由于高流動(dòng)性尼龍6樹脂對玻纖的浸漬效果極佳，所制備改性粒料外觀光潔并具有優(yōu)異力學(xué)性能、抗蠕變性及低溫性能，綜合性能達(dá)到國外公司如RTP等公司同類產(chǎn)品水平。
表 7 高流動(dòng)性尼龍6與其他尼龍6典型性能比較
|
檢測項(xiàng)目
|
短玻纖增強(qiáng)
|
玻纖增強(qiáng)無鹵阻燃
|
長玻纖增強(qiáng)
|
|||
|
高流動(dòng)性PA6-G60
|
普通PA6-G60
|
高流動(dòng)性PA6-G30
|
普通PA6-G30
|
高流動(dòng)性PA6-G60
|
RTP
PA6-G60
|
|
|
簡缺口沖擊，KJ/m2
|
24
|
19
|
12
|
9
|
50
|
45
|
|
簡無缺口沖擊，KJ/m2
|
104
|
88
|
/
|
/
|
101
|
95
|
|
彎曲強(qiáng)度，Mpa
|
376
|
314
|
205
|
176
|
401
|
395
|
|
彎曲模量，Mpa
|
16000
|
14000
|
/
|
/
|
17500
|
15500
|
|
拉伸強(qiáng)度，Mpa
|
265
|
225
|
150
|
130
|
265
|
260
|
2.5.3 耐高溫尼龍
隨著鐵路牽引系統(tǒng)中所用電子電氣元件采用表面貼裝技術(shù)（Surface Mount Technology）組裝，各個(gè)電器元件和線路基板要同時(shí)在紅外加熱裝置中加熱，對制成各個(gè)元件和線路板的材料的耐回流性和尺寸穩(wěn)定性提出了更高的要求。為減少環(huán)境污染，大力提倡使用不含鉛的焊錫。以前的鉛-錫焊錫的熔點(diǎn)在183ºC，新型的焊錫為錫-銅-銀焊錫，熔點(diǎn)為215 ºC，熔點(diǎn)較以前的材料提高了30ºC，這時(shí)PA66、PBT等材料的耐熱性就不能滿足要求，因此開發(fā)耐熱性更高的材料就成為必然。
PA10T是一種新型耐高溫尼龍，其合成的單體之一癸二胺來源于可再生資源蓖麻油，在石油資源日益枯竭的今天，用可再生資源合成高性能樹脂具有較好的應(yīng)用前景，并且PA10T的主要性能優(yōu)于現(xiàn)有的高溫尼龍品種，可替代PA46、PA6T、和PA9T，具有良好的工業(yè)化應(yīng)用前景。王文志等[32, 33] 以對苯二甲酸及癸二胺為原料，經(jīng)成鹽、預(yù)聚合、固相聚合或擠出增粘三個(gè)步驟，制備得到耐高溫尼龍PA10T，綜合性能達(dá)到國外商品化材料同等水平（表 8）。
表 8 耐高溫尼龍PA10T與其他耐高溫尼龍材料性能對比
|
檢測項(xiàng)目
|
PA66
|
PA46
|
PA9T
|
PA10T
|
|
密度，g/cm3
|
1.14
|
1.18
|
1.14
|
1.04
|
|
熔點(diǎn)，ºC
|
255
|
295
|
295
|
310
|
|
玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，ºC
|
50
|
78
|
126
|
130
|
|
吸水率（23ºC，24h），%
|
1.20
|
4.00
|
0.17
|
0.16
|
|
拉伸強(qiáng)度，MPa
|
87.0
|
102.0
|
92.0
|
101
|
|
斷裂伸長率，%
|
>300
|
200
|
20.0
|
19.7
|
|
彎曲彈性模量，GPa
|
2.8
|
3.2
|
2.6
|
1.9
|
|
熱變形溫度（1.8MPa），ºC
|
90
|
220
|
143
|
145
|
2.6 超高分子量聚乙烯
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是粘均分子量為150萬以上的高密度聚乙烯，不僅具有優(yōu)異的抗沖擊性、抗應(yīng)力裂變性和耐寒性，而且還具有極低的吸水性、良好的耐化學(xué)腐蝕性和較高的耐熱性。此外，極佳的自潤滑性和無聲運(yùn)轉(zhuǎn)、無油潤滑性能也是UHMWPE突出的優(yōu)點(diǎn)。UHMWPE主要用來制造特種薄膜、大型容器、以及各種耐沖擊、耐摩擦的機(jī)械零部件，是一種極有發(fā)展前景的工程塑料。由于UHMWPE的熔融粘度很高流動(dòng)性極低，原來只能采用冷壓燒結(jié)法或熱壓法成型，目前已能改用擠塑法加工，從而應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。
橋梁支座耐磨材料是橋梁支座中至關(guān)重要的滑動(dòng)部件，主要起兩個(gè)方面的作用：一是利用其豎向剛度和彈性變形，向橋墩傳遞橋面的支承反力，承受垂直荷載；二是通過耐磨材料與滑動(dòng)板組成的摩擦副，利用其低摩擦系數(shù)，使梁端能自由滑動(dòng)，水平位移不受限制，保證了橋梁結(jié)構(gòu)在活載、溫度變化、混凝土收縮和蠕變等因素作用下能自由變形。[34] 因此，耐磨材料在橋梁減震隔震、減少橋梁摩擦、提高橋梁支座使用壽命起了至關(guān)重要的作用。最初德國毛勒公司將改善了抗蠕變和自潤滑特性的改性UHMWPE替代聚四氟乙烯（PTFE）應(yīng)用于高速鐵路及磁懸浮列車的橋梁支座上，以適應(yīng)支座快速位移的需要。但UHMWPE在重載高速摩擦過程中顯示摩擦熱傳導(dǎo)性能差且受熱發(fā)生塑性變形，降低材料的抗承載能力和耐磨性能，從而產(chǎn)生安全隱患。
最新研究顯示 [34-37]，UHMWPE為基體材料的超高耐磨板通過采用納米包覆技術(shù)制備了Si02包覆納米碳化硅、氮化鋁復(fù)合粒子為導(dǎo)熱劑，改善復(fù)合材料在承載摩擦過程中散熱性，減少熱變形，提高產(chǎn)品的使用壽命；通過部分交聯(lián)，提高材料壓縮強(qiáng)度與抗承載變形能力；采用多層模壓一步法生產(chǎn)工藝，降低能耗和原料損耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量及尺寸控制精度。該超高耐磨板抗承載應(yīng)力達(dá)200MPa，在45MPa正應(yīng)力下摩擦系數(shù)0.004，50km長期磨耗小于1μm/km，耐磨板拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別達(dá)41MPa和320%（表 9），遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)PTFE耐磨板。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該超高耐磨板適應(yīng)于高速重載、活載位移速率大、累計(jì)活載位移長的工作環(huán)境，是高鐵、城際軌道交通及磁懸浮列車橋梁支座耐磨滑塊的理想之選。
表 9 超高耐磨板與PTFE板性能對比
|
性能指標(biāo)
|
超高耐磨板
|
PTFE板
|
|
|
密度，g/cm3
|
0.938
|
2.17
|
|
|
拉伸強(qiáng)度，MPa
|
43.1
|
37
|
|
|
斷裂伸長率，%
|
320
|
380
|
|
|
彈性模量，MPa
|
826
|
420
|
|
|
壓縮強(qiáng)度，MPa
|
35.4
|
27.9
|
|
|
雙缺口沖擊強(qiáng)度
|
21oC，kJ.m-2
|
-
|
15
|
|
-60 oC，kJ.m-2
|
-
|
17.3
|
|
|
導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m×K)
|
0.58
|
0.26
|
|
|
初始靜摩擦系數(shù)
|
0.0035
|
0.0027
|
|
|
線磨耗率，μm/km
|
0.4
|
13.5
|
|
2.7 聚酰亞胺樹酯
聚酰亞胺具有突出的耐熱性和耐寒性、優(yōu)良的機(jī)械性能、電絕緣性能、耐腐蝕性能以及耐輻射性能，是目前世界上綜合性能最好的絕緣薄膜材料。聚酰亞胺薄膜是電力電器的關(guān)鍵絕緣材料，被廣泛應(yīng)用于牽引電機(jī)、變頻電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備及高壓變壓器等的制造。[38] 在軌道交通領(lǐng)域，聚酰亞胺薄膜主要應(yīng)用于牽引電機(jī)主絕緣材料：1）與乙烯-丙烯氟膜復(fù)合后繞包燒結(jié)于電磁線之上；2）與云母復(fù)合或單獨(dú)使用于線圈的繞包；3）與Nomex芳綸紙復(fù)合后用于電機(jī)轉(zhuǎn)子的槽絕緣。
聚酰亞胺薄膜的生產(chǎn)技術(shù)分為熱亞胺化法和化學(xué)亞胺化法。熱亞胺化法是指單純由加熱實(shí)現(xiàn)聚酰胺酸酰亞胺化的方法，化學(xué)亞胺化法是在聚酰胺酸溶液中添加適量的脫水劑和酰亞胺化催化劑，再以一定的熱能實(shí)現(xiàn)脫水閉環(huán)亞胺化的方法。采用化學(xué)亞胺化法生產(chǎn)的薄膜與熱亞胺化法相比，制備的樹脂具有更高的分子量和更加均勻的分子量分布，得到的薄膜產(chǎn)品也具有更好的一致性、機(jī)械強(qiáng)度、電氣強(qiáng)度和熱尺寸穩(wěn)定性（表 10），且生產(chǎn)過程效率更高而能耗更低。大功率機(jī)車和高速動(dòng)車組牽引電機(jī)用聚酰亞胺薄膜對材料可靠性、力學(xué)和電學(xué)強(qiáng)度有極高的要求，只有采用化學(xué)亞胺化技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品才能滿足其要求。[39] 由于以前未攻克化學(xué)亞胺化關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)，目前我國還沒有化學(xué)亞胺化法薄膜生產(chǎn)線，大功率機(jī)車和高速動(dòng)車組牽引電機(jī)用聚酰亞胺薄膜均從美國杜邦公司引進(jìn)。如今我國株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司在已建立熱亞胺化法生產(chǎn)線和薄膜研發(fā)平臺基礎(chǔ)上，正籌建化學(xué)亞胺化法試驗(yàn)線。目前該公司已攻克配方設(shè)計(jì)、高粘度流體穩(wěn)定輸送、多相流股瞬時(shí)混合以及樹脂冷凍工程等多項(xiàng)核心技術(shù)，化學(xué)亞胺化法薄膜生產(chǎn)線預(yù)計(jì)近年投產(chǎn)。
表 10 兩種不同產(chǎn)業(yè)技術(shù)生產(chǎn)的聚酰亞胺薄膜性能比較
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檢測項(xiàng)目
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化學(xué)亞胺化法
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熱亞胺化法
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測定方法
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彈性模量（MD/TD），GPa
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3.2 / 3.2
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1.25 / 0.96
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ASTM D882
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拉伸強(qiáng)度（MD/TD），MPa
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260 / 260
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228 / 174
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ASTM D882
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斷裂伸長率（MD/TD），%
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110 / 110
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85.5 / 67.9
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ASTM D882
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熱膨脹系數(shù)（MD/TD），ppm/ oC
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32 / 32
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62 / 66
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(100-200 oC/TMA)
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熱收縮率（MD/TD），%
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0.08 / 0.03
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0.08 / 0.02
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(200 oC×2hr/IPC-TM-650)
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電氣強(qiáng)度，KV/mm
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300
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250
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ASTM D149
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2.8 環(huán)氧樹脂
目前國內(nèi)外的牽引電機(jī)用絕緣結(jié)構(gòu)中除有機(jī)硅浸漬漆外，環(huán)氧樹脂基體浸漬漆是另一主要材料。浸漬漆在電機(jī)的絕緣處理中被廣泛使用，其作用為：（1）粘結(jié)各種主絕緣材料，（2）填充以形成致密結(jié)構(gòu)，增加導(dǎo)熱性。該類產(chǎn)品技術(shù)含量高，要求材料具有優(yōu)異的耐熱、耐候、耐水等應(yīng)用性能、較高的電氣絕緣性能，并且無溶劑添加，固化過程VOC排放極低。[40] 目前在軌道交通領(lǐng)域中，機(jī)車牽引電機(jī)普遍使用國外進(jìn)口產(chǎn)品。
目前我國環(huán)氧酸酐無溶劑浸漬漆研究也已經(jīng)取得重大進(jìn)展。[41, 42] 株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司已完成200級環(huán)氧酸酐無溶劑浸漬漆的分子設(shè)計(jì)和配方優(yōu)化工作，并對200級環(huán)氧酸酐無溶劑浸漬漆的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測試。結(jié)果表明（表 11），所設(shè)計(jì)的浸漬漆固化物與同類進(jìn)口產(chǎn)品相比耐熱性、機(jī)械和電氣性能相當(dāng)，固化揮發(fā)分比進(jìn)口產(chǎn)品降低40%以上。將該浸漬漆應(yīng)用于直線電機(jī)線圈試驗(yàn)，對電機(jī)線圈進(jìn)行了電、熱、機(jī)械振動(dòng)多因子加速老化試驗(yàn)，老化后的殘余擊穿電壓優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品，表明該漆具有優(yōu)異的綜合性能。該產(chǎn)品已經(jīng)小批量應(yīng)用于地鐵和城軌的直線電機(jī)生產(chǎn)，高鐵和動(dòng)車組的電機(jī)樣機(jī)正在試制過程中。該公司還開發(fā)了IGBT模塊封裝膠用途的環(huán)氧樹脂雙組分膠 [43, 44]，取得了較好的市場效果。
表 11 200級環(huán)氧酸酐無溶劑浸漬漆主要技術(shù)指標(biāo)
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檢測項(xiàng)目
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200級無溶劑絕緣漆
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粘度（旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)），cp
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1686
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膠凝時(shí)間（150±），min
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15
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固化揮發(fā)份，%
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4.9
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粘結(jié)強(qiáng)度，N
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常態(tài)
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58.8
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155oC
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117.6
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電氣強(qiáng)度，MV/m
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常態(tài)
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26.17
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浸水24h
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23.75
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體積電阻率，?.m
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常態(tài)
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1.24×1017
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浸水24h
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8.1×1016
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介質(zhì)損耗，%
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常態(tài)
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0.53
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200 oC
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4.7
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表觀分解溫度，oC
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333.9
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耐熱指數(shù)，oC
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200
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三、高分子材料在軌道交通中的應(yīng)用發(fā)展方向
高分子材料在從內(nèi)外飾件到結(jié)構(gòu)承力件等應(yīng)用于現(xiàn)代軌道交通，都展示了巨大的優(yōu)勢及其在軌道交通領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)前我國正處在軌道交通建設(shè)的繁榮時(shí)期，并已成為世界上最大的高速鐵路和城市軌道交通市場。國內(nèi)除應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)和工藝，還應(yīng)深入研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型高分子材料及其制造技術(shù)并批量化生產(chǎn)，以促進(jìn)我國軌道交通事業(yè)的高速發(fā)展。結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)狀，我們認(rèn)為高分子材料在我國現(xiàn)代軌道交通領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用，尤其在大型和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用，尚需重視發(fā)展以下一系列高分子材料和突破關(guān)鍵技術(shù)。
3.1 高性能彈性體
（1）發(fā)展熱塑性彈性體及橡膠納米技術(shù)，改變合成橡膠傳統(tǒng)的加工技術(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)分子水平的設(shè)計(jì)與分子水平的加工。掌握結(jié)構(gòu)與組分可控的烯烴聚合技術(shù)，制備分子量及分布、立體選擇性可控和結(jié)構(gòu)明確的能擴(kuò)展性能和應(yīng)用的均聚和嵌段聚烯烴材料，如溶聚丁苯、高乙烯基聚丁二烯橡膠、3-4-聚異戊二烯橡膠等，是高性能化彈性體材料的重要發(fā)展方向。如為彌補(bǔ)天然橡膠性能的不足進(jìn)行分子設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化，以稀土順丁橡膠和稀土異戊橡膠替代傳統(tǒng)順丁橡膠和異戊橡膠，完成天然橡膠結(jié)構(gòu)和性能的最佳“模擬”和替代，從而在耐疲勞、耐屈撓及動(dòng)態(tài)生熱等減震性能方面得到應(yīng)用。我國在這些材料的合成領(lǐng)域已取得一定突破，但是工業(yè)化和廣泛應(yīng)用方面還需拓展。
（2）發(fā)展導(dǎo)電、阻尼等功能集成化復(fù)合彈性體材料。比如在各種橡膠基體中加入壓電顆粒、導(dǎo)電顆粒、增強(qiáng)材料顆粒等，可制備了一系列壓電阻尼材料。磁性橡膠是以橡膠為基體，加入磁性固體粉末及其他配合劑而制成的一種功能性復(fù)合材料，其中磁性固體粉末可分鐵粉和稀土磁性粉末，其中加入稀土磁性粉末時(shí)需要在強(qiáng)磁場的作用下進(jìn)行充磁，并能在一定的方向顯示出磁性從而制成磁性橡膠。橡膠基壓電、磁性阻尼復(fù)合材料因能顯著提高各種橡膠的阻尼性能，在國外軌道及機(jī)車內(nèi)部減震降噪等方面已有應(yīng)用。
3.2 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料
（1）掌握先進(jìn)復(fù)合材料的制造工藝和技術(shù)。復(fù)合材料可以簡單的用低速?zèng)_擊后壓縮強(qiáng)度（Compression After Impact，CAI）或韌性分級。最初的復(fù)合材料是單一的樹脂與纖維的簡單層狀復(fù)合，韌性低（損傷容限即CAI值小于180MPa）；后來發(fā)展的第二代增韌樹脂CAI值通常超過200MPa，為中韌性。當(dāng)前研究主流為以樹脂傳遞模塑成型（Resin Transfer Moulding，RTM）為主體的液態(tài)成型技術(shù)，發(fā)展第三代復(fù)合材料技術(shù)（CAI值通常大于300MPa）。復(fù)合材料科學(xué)的魅力在于其多層次、多尺度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度。而實(shí)現(xiàn)這種多層次、多尺度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度的最大挑戰(zhàn)則在于結(jié)構(gòu)化復(fù)合材料的低成本化、高性能化，也就是如何利用中等性能的各組分材料（低成本），借助巧妙的組合和構(gòu)造技術(shù)（多層次、多尺度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化），得到高韌性甚至超高韌性的復(fù)合材料。實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)化復(fù)合材料的低成本化、高性能化，關(guān)鍵在于掌握和發(fā)展先進(jìn)復(fù)合材料的制造工藝和技術(shù)。
（2）突破特種樹脂和碳纖維與有機(jī)纖維合成、加工以及表面處理等技術(shù)。高分子復(fù)合材料包括許多品種，主流是以高分子樹脂為連續(xù)相和無機(jī)材料如碳纖維或有機(jī)纖維作為增強(qiáng)層的分散相的復(fù)合材料。聚酰亞胺作為耐熱特種高分子材料，即可用作復(fù)合材料的基體樹脂、結(jié)構(gòu)膠粘劑，也可用利用其力學(xué)性能相當(dāng)于碳纖維而密度僅為其70%-80%的輕質(zhì)纖維材料，極具發(fā)展前景。與此同時(shí)，熱塑性復(fù)合材料如聚醚醚酮（PEEK）的本征高韌性使它能夠比較輕松的達(dá)到300MPa的復(fù)合材料CAI值，似乎天生就是第三代高韌性的復(fù)合材料。目前各先進(jìn)國家均將碳纖維視為本世紀(jì)的尖端材料，是復(fù)合材料中最為重要的增強(qiáng)體材料之一。芳綸纖維為集高強(qiáng)度、低變形、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、阻燃、無疲勞反應(yīng)和優(yōu)良的電絕緣性能等于一體的高科技材料，迄今還沒有任何一種材料能完全與之媲美。實(shí)現(xiàn)這些特種材料的合成、加工技術(shù)突破，并解決這些異質(zhì)材料復(fù)合的界面相問題也就是表面處理技術(shù)，將會開創(chuàng)21世紀(jì)先進(jìn)復(fù)合材料的新紀(jì)元。
3.3 節(jié)能環(huán)保高分子材料
（1）加快輕量化材料進(jìn)程。交通領(lǐng)域先進(jìn)復(fù)合材料取代金屬、陶瓷等單質(zhì)傳統(tǒng)材料，可以顯著節(jié)能降耗。
（2）解決水性涂料、粉末涂料和紫外光固化涂料等環(huán)保涂料的基礎(chǔ)樹脂的關(guān)鍵制備技術(shù)。我國科技發(fā)展規(guī)劃水性涂料為代表的環(huán)保涂料2020年占涂料比重超過60%、2030年超過75%而2050年達(dá)到90%。
（3）解決生物降解塑料的規(guī)?；苽浼夹g(shù)和廢棄高分子材料高值化再生技術(shù)。早些年國內(nèi)外在解決“白色污染”方面發(fā)展了許多重要的技術(shù)，塑料等高分子材料的生物降解是其一，但是規(guī)?；苽渖锝到馑芰线€有很長的路。通過選擇性催化裂解結(jié)合高溫水蒸氣裂解技術(shù)將廢棄高分子材料進(jìn)行高效化學(xué)轉(zhuǎn)化制備高值化產(chǎn)品如低分子量功能高分子材料、中高檔油品等，也是我國材料科學(xué)發(fā)展的重要方向。尤其是軌道交通列車全面高分子材料化后，這些高分子材料的回收利用也將是可預(yù)見的緊迫性工作，同時(shí)也具備良好的發(fā)展前景。
除了以上介紹的高分子材料發(fā)展方向以及需要重視的一些關(guān)鍵技術(shù)，我們還需在材料分析與表征、材料性能和壽命預(yù)測與失效分析、制造過程檢測與控制、材料檢測評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制等諸多方面取得進(jìn)展和突破，從而滿足我國交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域需求，實(shí)現(xiàn)企業(yè)創(chuàng)新能力大幅提升，基礎(chǔ)研究水平和新材料新工藝研發(fā)能力接近世界發(fā)達(dá)國家水平。
