文|农夫

编辑|农夫

随着轨道交通技术的发展和科技的进步，高速动车组速度逐步提高，由此带来的振动与噪音问题日益凸显，减振降噪成为车辆设计和制造的重点和难点。

研究发现，非受电弓车的车内噪声主要来源于车下，即轮轨接触的振动噪声。

另外振动测试结果显示，地板、墙板等结构件振动幅值偏大，同时振动频率与车内部分噪声频率相吻合，这说明结构振动辐射噪声对车内影响很大。

所以开发先进的车体用减振降噪新材料可以有效减少车下噪音向车内的传递，减少二次固体传声，从而有效地解决动车组噪声与振动问题，提高动车组列车的舒适性。

为了进一步提高动车组列车舒适性，减少列车运行过程中产生的振动和噪音，我们针对性开发了2种可用于动车组的减振降噪新材料：

新型多层复合材料和新型中空复合材料，并对其在车辆减振降噪方面的应用前景进行了展望。

那么动车组减振降噪新材料的研发，应用在动车中，将会带来什么样的好处呢？

一、动车组

减振降噪材料现状动车组减振降噪是一门综合的技术，影响噪声控制的主要因素有车体轻量化设计、减振结构及材料的选择、车体材料的强度、刚度等。

通常来讲，车体的轻量化往往造成车体局部刚度不足、隔声性能变差，从而增加了车内低频噪声。

所以，如何在实现车体轻量化的同时，保证材料刚度，同时提高其隔音性能，是减振降噪新材料设计的重点。

现行动车组列车内部结构中，地板、侧墙板、顶板等构件很大部分应用铝合金蜂窝板。

国内生产铝蜂窝相关产品的企业近年来也得到了飞速发展。但是随着高速动车组速度的提高，应用铝蜂窝板时车内噪音偏高。

尤其是350km／h动车组车内噪音成为影响乘客舒适程度的突出问题。

一般来讲，铝蜂窝板材对于不同频率的声音传播衰减大概在20～25dB左右，已满足不了动车组对于隔音板材的要求。

同时其特殊的中空结构，导致垂直方向的隔音效果远低于水平方向。除了隔音性能，铝蜂窝材料在使用的过程中也存在易剥离、耐冲击疲劳性能差的问题。

为了满足动车组对减振降噪的要求，需要开发新一代减振降噪材料。

高分子材料具有质量轻、强度高以及易成型等特点，目前已经成为轨道交通领域材料研究的热点，比如金属基复合材料、三维整体中空复合材料、三聚氰胺泡沫材料等。

金属基复合材料可以很好地兼容金属材料和高分子材料的优势，比如高性能纤维一金属层合板是由铝合金层板和高强玻璃纤维增强树脂热压成型。

具有比铝合金更加优异的抗冲击、耐疲劳性能，同时可减重6％一30％；三维整体中空复合材料采用一体成型方式，使得面板和芯材成为一个整体，材料的剥离强度非常高；

三聚氰胺泡沫是一种极轻质材料，可以提高隔音减振性能。考虑到车辆的轻量化和乘客的舒适度，本文开发了2种动车组减振降噪新材料：

新型多层复合材料和新型中空复合材料。

新型减振降噪材料综合了金属基复合材料、三维整体中空复合材料轻质高强的优点以及三聚氰胺泡沫隔音减振的特性，以期在满足车辆轻量化的基础上，提高乘客的舒适性。

二、新型多层复合材料

新型多层复合材料属于夹芯结构，图1为结构示意图。与铝蜂窝板相比，新型多层复合材料面板由单层铝板替换为铝基复合层板。

同时芯材由铝蜂窝替换为轻质高强的玻纤增强三聚氰胺泡沫，以改性阻燃酚醛树脂为胶黏剂。其中，铝基复合层板具有比铝合金更好的抗冲击、耐疲劳性能，密度明显低于铝合金。

芯材是轻质三聚氰胺泡沫，可以提供优良的隔音、隔热效果。

该新型多层复合材料符合车辆轻量化、舒适化的要求，同时改善了铝蜂窝材料的耐疲劳、抗冲击性能j新型多层复合材料面板属于金属基复合材料。

由上而下由高强度铝合金层、玻璃纤维增强环氧树脂预浸料层、高强度铝合金层交替热压而成。

预浸料层为玻璃纤维增强环氧树脂，其密度小于铝合金，所以新型面板比相同厚度的铝合金板重量轻。

板材在承受集中载荷和冲击载荷时，载荷依次经过铝合金、预浸料层、铝合金多级传递后逐渐减弱，层界面对于应力也会起到一定的分散作用，从而提高了板材的抗冲击、疲劳性能。

避免了传统铝蜂窝板材受冲击时面板破坏或下陷的情况。除了较好的力学性能，新型多层复合材料还具有更好的隔音性能：

面板中存在层界面，当声音通过板材传递时，连续层界面会对噪声进行多重反射（图2），从而增加层间的声阻抗比，提高了板材的隔音性能。

另外三聚氰胺泡沫芯材为开孔结构，孔洞长径比为10—20，声波进入孔洞深层后逐渐被消耗吸收，转化为振动能，从而提高了板材的隔音性能，对不同频率的噪音衰减达25～30dB。

同时三聚氰胺泡沫材料导热系数低，三维孔洞结构可以有效阻滞空气对流传热，提高隔热性能。目前已研制出新型多层复合材料样机，并进行了部分试验测试。

结果表明：新型多层复合材料结构简单，重量轻，比现有铝蜂窝板的重量减轻5％一20％；隔音量25～30dB；

导热系数K≤4W／m2·K，新型多层复合材料面板、底板与芯层的黏接质量好，面板和底板固化过程中无气泡产生。

芯层与面板和底板之间贴合程度在99％以上，受冲击时避免了面板或底板的脱落和翘曲。

三、新型中空复合材料

中空复合材料是一种整体式夹芯材料，主要由增强纤维通过纺织加工成一定形状的三维织物，然后与树脂基体复合而成"J，其纤维结构如图3所示。

与传统的蜂窝、泡沫芯材不同，中空复合材料是由纤维经过三维编织设备一次整体成型，面层与中间层纱线整体编织，形成三维中空夹层结构。

中空复合材料目前已用于飞机、轨道交通结构中的内装饰、厢体、导流罩等部件。传统中空复合材料随着厚度方向上编织高度的增加，材料的力学性能有所降低。

新型中空复合材料是在传统中空复合材料的基础上进行改进，织物结构改为上下双层编织（如图4所示），避免了传统中空复合材料厚度增加以后力学性能下降。

同时在中间夹层空间填充三聚氰胺泡沫，进一步提高材料的隔音减振性能。

与传统蜂窝、泡沫芯材等夹层复合材料比较，新型中空复合材料除拥有较高的抗弯刚度、更小的密度之外，还具有整体性好、隔音减振、抗冲击性能强、一次成型等多项优点。

新型中空复合材料的成型分为3步：纤维编织、浸润树脂、泡沫填充。

三维织物需编织成上下2层，其结构基础是上中下面层的经纱、纬纱与芯部的z向纤维，织物的编织高度范围为2—20mm，编织纤维的类型包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等。

中空纤维织物与预浸料接触后，织物会迅速吸收树脂，z向纤维通过“毛细”作用自动浸润树脂，使织物可以自动成型到设计高度。

在中空复合板的中间空隙处填充三聚氰胺泡沫，即可制备新型中空复合材料。

通过对新型中空复合材料样件的测试，结果表明：新材料轻质高强，相对密度低，比强度与比模量为普通玻璃钢的2倍以上，符合轨道交通轻量化的发展要求。

填充的三聚氰胺泡沫使隔音减振效果明显增强，隔音达23～28dB；芯层直接织人表层形成一个整体，面板与芯层不会产生分层、塌陷、开裂，抗疲劳、耐腐蚀性能好。

双层织物的结构设计，改进了传统中空复合材料随厚度增加力学性能明显降低的问题；结构可设计性强，纤维体系多样，为车辆不同结构部件的优化设计提供了广阔的自由度。

四、总结

高分子复合材料具有重量轻、强度高的特点，目前已逐渐取代部分金属材料应用于动车组。

探索先进的材料应用技术，在动车组列车中大面积推广应用轻质高强的高分子复合材料，辅以隔音减振技术。

实现动车组列车的轻量化、舒适化是未来高速列车结构材料的发展方向和趋势。

新型多层复合材料和新型中空复合材料属于新材料，目前均已研制出样机，并进行了部分试验测试，结果表明新材料满足列车轻量化、舒适化的要求，同时力学性能优异。

隔音效果显著（表1）。

下一步工作：一方面会进一步完善试验，对材料性能进行更全面的评估，比如阻燃环保、高低温性能等；同时改进试制工艺，提高生产效率，降低成本。

为新材料在轨道交通车辆的应用奠定基础。

研究表明，在考虑了高铁新线运营和老线配车密度提升对动车组的需求后，未来几年动车组需求大概在400—500标准列（参考铁总2015年动车组招标数据）。

每年仅地板的年需求量就达到24万m2，若考虑到侧墙板、门板等其他应用领域，动车组对于板材的需求量会更大。

所以新型多层复合材料和新型中空复合材料在轨道交通领域的应用市场广阔，具有很好的应用前景。

参考文献

（1）徐会庆，彭立民，王东．木质隔音地板在高速动车组上的要求及应用改进[J]。木材加工机械，2013，（6）：8—10．

（2）沈艳祥．高速动车组地板结构隔声实验及仿真研究[D]．北京：北京交通大学，2009．

（3）台雪琰，朱利嫒，牛忠荣．蜂窝材料的工程应用及发展[J]．工程与建设。2012。26（4）：518—520．

（4）彭明军，孙勇，李东田．简介蜂窝铝板[J]．材料导报：网络版，2006，（1）：17一19．