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专家观点 | 城际高铁/城际轨交与新材料

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城际高铁/城际轨交与新材料

自2008年京津城际铁路开通以来,我们城际高铁、城际轨交建设遍地开花。这背后是因为我国城市群布局和架构日益完善,目前我国已经形成了包括京津冀、长三角、珠三角在内的20多个城市群。而城际高铁和城际轨交,是助力城市群内部各种要素流动不可或缺的重要支撑。同样是铁路,之所以城际高铁、城际轨交可以称作新基建,是因为它们融合了我国一系列的先进技术,如动力装置、实时供电以及多种新材料的应用。并且在5G、大数据、云计算、人工智能等新兴技术的支撑下,可以实现更高层次的信息化升级,助力城际高铁和城际轨交实现一体化运营。

(一)车身材料

早在20世纪50年代,世界上较发达的一些国家就开始采用铝型材来制造铁路车辆,目前国内高铁列车车厢也已大量使用铝合金材料。铝合金材料由于表面易氧化形成致密而稳定的氧化膜,所以具有较好的耐蚀性。并且由于铝的融化温度低,流动性好,易于制造各种复杂外形的零件。同时由于铝合金密度低,使得车辆更加轻量化,使得能耗降低。业内专家指出,时速300公里以上的高速列车车体必须采用轻量化的铝合金材料,350公里以上的列车车厢除底盘外全部使用铝型材。目前中国铁路客运专线动车组采用的车辆型号中,除CRHI型车体采用的是不锈钢材外,其余动车组车体均为铝合金材质。近年来有研究尝试用镁合金、钛合金、碳纤维增强复合材料等航空材料制造车体骨架的尝试,其重量比铝更轻,减重效果明显,但还在考察试验中。

(二)受电弓材料

受电弓滑板是机车与导线接触供电的重要元件,其材料主要经历了纯金属滑板、粉末冶金滑板、纯碳滑板、浸金属碳滑板等发展过程。浸金属碳滑板既有碳材料的自润滑性,又具备了金属材料集电、强度和抗冲击力高的特点,成为最理想的滑板材料。国外目前正在加强碳纤维金属基复合材料滑板的研究,该材料在集电、自润滑、抗撞击性能方面都会超过现有的滑板,其应用前景十分广阔。

(三)制动摩擦材料

制动摩擦系统要求摩阻材料有高而稳定的摩擦系数,更好的散热性和耐磨性,足够高的冲击强度和剪切强度,对磨偶件不产生异常磨损和其他形式的损伤,制动火花少,而且轻量化。刹车片材料经历了由合成材料,粉末冶金材料到碳纤维材料的过程。当前,主流的高铁所使用的制动闸片主要为粉末冶金刹车片,当制动单元体积温度达到500℃以上,闪点温度达到1000℃左右的时候,粉末冶金刹车片仍能保持良好的刹车性能,适用温度比合成材料提高,相应的适用速度、冲击韧性也较合成材料有了一定的提高。但是人们对高铁的速度和效率的要求也在不断提高,在这种情形下,有必要开发一种耐高温、质量轻的新型刹车材料,如碳纤维复合材料和陶瓷复合材料等。其中碳/碳(C/C)复合材料是近几年开发出来的新型制动材料,是一种碳纤维增强、以C为基体的新型结构材料,它具有质量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸震性好等一系列的优良性能,C/C 复合材料的这些独特性能使之能同时完成刹车副的三项功能,即提高摩擦、传递机械载荷、吸收动能。

(四)新能源汽车与新材料

汽车行业既是受益于“新基建”的众多新动能之一,同时自身也是“新基建’”的一份子,是可以孵化和创生无数新兴业态的巨大的新型平台。尤其是以充电汽车为代表的新能源汽车,掀起了汽车产业的革命。一方面,面对全球性的能源危机及环境污染,发展新能源汽车成为解决能源危机、应对气候变化的必经之路。另一方面,在新一轮信息技术和能源革命背景下,发展新能源汽车成为我国实施制造强国战略、推动高质量发展的重要推手。新能源汽车更是对新材料的研发与应用有迫切需求,包括动力电池材料、充电桩材料、轻量化材料在内的突破,都将有效推动新能源汽车产业的发展。

1. 新能源汽车的电池材料

电动汽车发展是个系统工程,涉及整车开发、电机、电控、电池、轻量化、智能化等,最基础、最重要的是电池技术突破,电池是破解里程焦虑、降低成本、提升性能的关键。以当前主流的锂电池为例,锂离子电池是一个复杂的体系,包含了正极、负极、隔膜、电解液、集流体、粘结剂、导电剂等,材料的性能对电池性能具有决定性的作用。从1990年日本Sony公司率先实现锂离子电池商业化至今,负极材料一直是碳基材料,而正极材料则有了长足的发展,是推动锂离子电池性能提升的最关键材料。钴酸锂LiCoO2(LCO)材料是目前压实密度最高的正极材料,因此所制备的锂离子电池体积比能量最高,成为平板电脑和移动智能终端用锂离子电池的主要正极材料。其缺点主要是钴资源有限、成本高,限制了其在电动车领域的广泛应用。锰酸锂LiMn2O4(LMO)材料的主要优点是原料资源丰富、成本低、电池安全性好;其公认的主要缺点是电池比能量低,同时循环稳定性欠佳。目前,LMO虽然已经很少用于车用动力电池,但在对成本较为敏感的电动自行车等小型动力电池行业得到了广泛的应用。磷酸铁锂LiFePO4(LFP)材料的主要优点是原料资源丰富、成本低、电池安全性和循环性能好,其主要缺点是电池比能量低。该材料不仅在电动自行车、电动大巴、电动公交车、特种车行业得到了广泛应用,而且在大规模储能行业得到了广泛的应用。层状三元材料由Ni、Co、Mn过渡金属元素组成的层状氧化物组成,是目前乘用车动力电池的主要正极材料。其主要缺点是钴含量高,存在资源和成本的问题。为了降低成本、提高容量,人们不断把镍含量提高,研发出了一系列不同镍含量的层状三元材料。

2. 充电桩与新材料

充电桩主要由以下7个部分组成:充电桩壳体、充电墙外壳、插头、插座、断路器、接触器、电源模块外壳、充电桩用电缆。充电桩用到的材料主要为改性塑料,如目前的交流充电桩外壳普遍用改性PC、PC/ABS等,一般要求具备阻燃、耐候、方便配色、环境友好等特性。而电气连接系统材料一般选用聚酯PBT和尼龙,主要性能要求电绝缘和高强度等。内部元器件一般选用聚酯PBT、无卤阻燃尼龙材料。

3. 新能源汽车轻量化材料

与传统燃油车不同的是,新能源汽车采用电池作为动力来驱动汽车运转,受动力电池重量、动力电池续航里程的限制,在严苛的节能降耗法规下,车身轻量化成为新能源车企首先考虑的问题。目前从车身材料来看,钢铁约占整车重量的65%-70%,有色金属占据10%-15%、非金属材料占据20%。在未来10-15年之间,汽车的各类材料和用量将会平分秋色,普通钢、高强钢、铝合金、镁合金都会达到20%的应用,这是汽车材料工业的大革命。随着复合材料的应用,在汽车轻量化设计过程中得到了广泛的应用,主要应用在汽车内部、外饰、管材以及内部部件等。碳纤维具有良好的高扭转刚度和实际的整合度,在新能源汽车安全性设计获得良好的效果。但是受到材料和制作成本的影响,导致碳纤维在汽车在实际应用遇到了极大的阻碍。新材料具有高强度和质量轻的特点,可以极大提升汽车的性能。但是从实际生产效果来看,新型材料成本比较高,整体结构也比较复杂,对设计人员提出了更高的要求和标准。

2021年2月26日 14:19
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