高铁用关键材料课件

1、燕山大学燕山大学宁进良宁进良材料学材料学 硕研硕研11班班 高速铁路是指高速铁路是指通过改造原有线路通过改造原有线路（直线化、轨距标（直线化、轨距标准化），使营运速准化），使营运速率达到每小时率达到每小时200公里以上公里以上 或者专门修建新的或者专门修建新的“高速新线高速新线”，使，使营运速率达到每小营运速率达到每小时时250公里以上的公里以上的铁路系统。铁路系统。 世界第一条高速铁路世界第一条高速铁路日本新干线于日本新干线于19641964年成功运营，最年成功运营，最高时速高时速300300公里公里, ,运营速度运营速度210210公里。公里。 目前已有目前已有1111个国家和地区共个国家

2、和地区共1414，000000余公里高速铁路投入运余公里高速铁路投入运营。营。世界高铁发展状况世界高铁发展状况 我国高速铁路现状我国高速铁路现状 目前，中国大陆投入运营的高速铁路已达目前，中国大陆投入运营的高速铁路已达到到69206920公里我国高速铁路运营里程居世界公里我国高速铁路运营里程居世界第一位，其中：第一位，其中： 新建时速新建时速250250350350公里的高速铁路有公里的高速铁路有40444044营业公里营业公里 既有线提速达到时速既有线提速达到时速200200250250公里的高速公里的高速铁路有铁路有28762876营业公里营业公里 正在建设中的高速铁路有正在建设中的高速铁

3、路有1 1万多公里万多公里 全国铁路每天开行高速列车全国铁路每天开行高速列车10001000列左右，列左右，平均上座率达到平均上座率达到101.7%101.7%。高速铁路为广大。高速铁路为广大旅客创造了美好生活旅客创造了美好生活中国大陆目前已开通的高铁线路中国大陆目前已开通的高铁线路 20082008年年8 8月月1 1日，京津城际高铁通车日，京津城际高铁通车 2009 2009年年4 4月月1 1日，石太客运专线通车日，石太客运专线通车 2009 2009年年9 9月月2828日温福、甬台温铁路通车日温福、甬台温铁路通车 2009 2009年年1212月月2626日，武广高铁建成通车日，武广

4、高铁建成通车 2010 2010年年1 1月月2828日，郑西高铁相继建成通车日，郑西高铁相继建成通车 2010 2010年年4 4月月2626日，福厦高铁通车日，福厦高铁通车 2010 2010 年年5 5月月1 1日，成灌高铁通车日，成灌高铁通车 2010 2010年年7 7月月1 1日，沪宁高铁通车日，沪宁高铁通车 2010 2010年年9 9月月2020日，昌九城际高铁通车日，昌九城际高铁通车 2010 2010年年1010月月2626日，沪杭高铁通车日，沪杭高铁通车时速时速40004000公里，能耗不到航客机公里，能耗不到航客机1/10,1/10,噪音和废气污染及事故噪音和废气污染及

5、事故率接近于零，这是真空管道磁悬浮列车的惊人特点。率接近于零，这是真空管道磁悬浮列车的惊人特点。作为新一代磁悬浮列车，理论最高时速作为新一代磁悬浮列车，理论最高时速2 2万公里真，空管道磁万公里真，空管道磁悬浮列车将把北京与华盛顿纳入两小时交通圈，用数小时完成悬浮列车将把北京与华盛顿纳入两小时交通圈，用数小时完成环球旅行已经成为科学家近期努力的目标。环球旅行已经成为科学家近期努力的目标。中国研发真空管道磁悬浮中国研发真空管道磁悬浮 时速时速40004000公里公里吼一声！吼一声！ 车辆（车体、转向架、车辆内装及设备）车辆（车体、转向架、车辆内装及设备） 轮轮- -轨轨 受电弓滑板受电弓滑板 制

6、动摩擦制动摩擦 路基等路基等高速铁路用材料高速铁路用材料高速需要大的动力，导致更大的振动。为高速需要大的动力，导致更大的振动。为满足节能、安全、环保、舒适目标，对于满足节能、安全、环保、舒适目标，对于高速铁路用材料的要求：高速铁路用材料的要求：轻质高强轻质高强隔振减振隔振减振与普通钢相比，不锈钢减重与普通钢相比，不锈钢减重40%40%。不锈钢车体不易解决车体气密性问题，不锈钢车体不易解决车体气密性问题，只用于制造时速只用于制造时速200200公里级的车体。公里级的车体。由于铝合金比强度高，特别是大型空由于铝合金比强度高，特别是大型空心薄壁铝材轧制技术的完善，成为高心薄壁铝材轧制技术的完善，成为

7、高速列车车体最理想的材料。速列车车体最理想的材料。不锈钢和铝合金不锈钢和铝合金车体车体高铁轻量化材料高铁轻量化材料铝合金车体的发展铝合金车体的发展轻量化车体用中空双表面大型铝合金挤压型材轻量化车体用中空双表面大型铝合金挤压型材, ,可大幅度减少可大幅度减少焊接工作量，简化车辆的制造工艺。焊接工作量，简化车辆的制造工艺。日本新干线选用的铝合金大体上有：日本新干线选用的铝合金大体上有：Al-Mg Al-Mg 系合金、系合金、Al-Mg-Al-Mg-Si Si 系合金，系合金，Al-Zn-Mg Al-Zn-Mg 系合金。如系合金。如50835083、7003 7003 等牌号的铝合等牌号的铝合金金。

8、由于车辆轻量化的要求越来越高，由于车辆轻量化的要求越来越高，于是人们把目光注视到复合材料上来。于是人们把目光注视到复合材料上来。复合材料与金属材料力学性能对比复合材料与金属材料力学性能对比意大利意大利ETR500 ETR500 高速列车的车头前突部分采用的是芳纶纤维高速列车的车头前突部分采用的是芳纶纤维增强环氧树脂的增强环氧树脂的FRPFRP，用这种材料模型成型的符合空气动力，用这种材料模型成型的符合空气动力学线型要求的车头，具有优异的抗冲击能力，当列车以学线型要求的车头，具有优异的抗冲击能力，当列车以300 300 km/h km/h 速度行驶时有很好的尺寸稳定性速度行驶时有很好的尺寸稳定性

9、。芳纶纤维增强环氧车头芳纶纤维增强环氧车头玻璃纤维增强聚酯车头玻璃纤维增强聚酯车头复合材料车体的发展复合材料车体的发展复合材料车体的制造工艺是有效的，它比铝制或钢制车体的复合材料车体的制造工艺是有效的，它比铝制或钢制车体的强度大，用碳纤维复材预计可比铝制车的质量减少强度大，用碳纤维复材预计可比铝制车的质量减少25 %25 %；复合材料车体在振动性能、透声性能和绝热性能方面的优点，复合材料车体在振动性能、透声性能和绝热性能方面的优点，提高了车体的舒适性。提高了车体的舒适性。法国国营铁路公司（法国国营铁路公司（SNCFSNCF）认为对于未来的认为对于未来的TGV TGV 高速高速列车，考虑到迫切需

10、要进列车，考虑到迫切需要进一步减轻车体质量，采用一步减轻车体质量，采用碳和玻璃纤维强化环氧树碳和玻璃纤维强化环氧树脂包覆发泡蜂窝材料芯脂包覆发泡蜂窝材料芯, ,制造双层挂车，并进行线制造双层挂车，并进行线路运行试验，对其耐火性、路运行试验，对其耐火性、抗冲击强度等进行运行测抗冲击强度等进行运行测试，结果表明：试，结果表明：法国法国TGV TGV 双层高速列车双层高速列车泡沫铝在车体中的应用泡沫铝在车体中的应用泡沫铝夹心高速列车车门泡沫铝夹心高速列车车门高速列车厢体泡沫铝复合内衬（泡沫铝与聚胺高速列车厢体泡沫铝复合内衬（泡沫铝与聚胺脂泡沫材料复合）脂泡沫材料复合）高速列车车厢泡沫铝夹心地板高速列

11、车车厢泡沫铝夹心地板高速列车噪声设备（如发电机、风机、空压机、高速列车噪声设备（如发电机、风机、空压机、中央空调等）用泡沫铝隔音板中央空调等）用泡沫铝隔音板与使用传统蜂窝铝材料相比，隔音、隔热、隔震性与使用传统蜂窝铝材料相比，隔音、隔热、隔震性能提高数倍，并可降低成本。能提高数倍，并可降低成本。转向架转向架能相对车体回转的一种装置能相对车体回转的一种装置, ,起支承车体、转向和制动的作用，并保证起支承车体、转向和制动的作用，并保证机车车辆在轨道上安全平稳地运行。机车车辆在轨道上安全平稳地运行。提速使机车车辆的转向架振动加剧，疲劳寿命和安全可靠性问题突出。提速使机车车辆的转向架振动加剧，疲劳寿命

12、和安全可靠性问题突出。多次出现电机悬挂的转向架构架端梁断裂和牵引拉杆断裂等十分危险多次出现电机悬挂的转向架构架端梁断裂和牵引拉杆断裂等十分危险的事故的事故 转向架的构架转向架的构架是特别重要的高强度部件，关系到整个车辆安全性。转是特别重要的高强度部件，关系到整个车辆安全性。转向架必须满足安全、运行舒适度以及耐磨损、易检修等要求。向架必须满足安全、运行舒适度以及耐磨损、易检修等要求。多采用优质碳素钢、低合金低碳高强度钢、耐候钢制造的构架。近来多采用优质碳素钢、低合金低碳高强度钢、耐候钢制造的构架。近来研究热点为高分子复合材料和铝合金制造的构架。研究热点为高分子复合材料和铝合金制造的构架。德国开发

13、了世界上第一个纤德国开发了世界上第一个纤维复合材料的转向架构架，并维复合材料的转向架构架，并过了静态模拟实验、耐久试验、过了静态模拟实验、耐久试验、运行试验，运营了运行试验，运营了100100多万多万kmkm后检测未现任何损坏、磨损或后检测未现任何损坏、磨损或撕裂。撕裂。车辆内装及设备车辆内装及设备车辆内装及设备主要有装饰板、厕所、盟洗室、座车辆内装及设备主要有装饰板、厕所、盟洗室、座椅及水箱等椅及水箱等, , 应以铝合金和高分子材料为主应以铝合金和高分子材料为主, , 如装如装饰板采用铝合金上叠合一层不燃性的纤维增强塑料饰板采用铝合金上叠合一层不燃性的纤维增强塑料, , 厕所、盟洗室、座椅及

14、水箱还要考虑到卫生和耐腐厕所、盟洗室、座椅及水箱还要考虑到卫生和耐腐蚀性蚀性, , 也以不燃性的为佳也以不燃性的为佳轮轮- - 轨材料轨材料轮轮& &轴轴当列车的时速达到当列车的时速达到300300公里时，高速列车车轮的杂质含量必须公里时，高速列车车轮的杂质含量必须严格控制。在钢铁冶炼的时候，就必须要求车轮钢杂质含量严格控制。在钢铁冶炼的时候，就必须要求车轮钢杂质含量极低且分布均匀。由于车轮不过关，曾经导致德国高速列车极低且分布均匀。由于车轮不过关，曾经导致德国高速列车脱轨，人员伤亡。车轴是空心轴，列车所有的重量都压在车脱轨，人员伤亡。车轴是空心轴，列车所有的重量都压在车轴上，技术虽然不是特别

15、尖端，但批量生产的时候单件产品轴上，技术虽然不是特别尖端，但批量生产的时候单件产品质量控制必须非常严格。质量控制必须非常严格。钢轨钢轨就线路而言就线路而言, , 高速铁路区别于一般铁路最主要的特点是高速铁路区别于一般铁路最主要的特点是曲率半径大、应变速率高、轴重轻和牵引力大曲率半径大、应变速率高、轴重轻和牵引力大, , 钢轨的钢轨的磨耗较小磨耗较小, , 疲劳损伤相对突出疲劳损伤相对突出, , 因此对钢轨材料的选择因此对钢轨材料的选择要求较高。要求较高。对于钢轨材料而言对于钢轨材料而言, , 欧洲铁路一直在合金钢轨上进行研欧洲铁路一直在合金钢轨上进行研究究, ,如非热处理的如非热处理的Cr-M

16、oCr-Mo。合金钢轨除了有较高的循环软。合金钢轨除了有较高的循环软化抗力外化抗力外, ,也有较好的抵抗短波磨损的能力也有较好的抵抗短波磨损的能力, , 是今后钢是今后钢轨材料的重点选择对象之一。轨材料的重点选择对象之一。此外此外, , 还应从钢轨钢的还应从钢轨钢的强韧化强韧化和和纯净化纯净化方面进行努力方面进行努力, , 大力发展全长热处理钢轨、稀土钢轨和降噪降振新钢轨。大力发展全长热处理钢轨、稀土钢轨和降噪降振新钢轨。国外在高速铁轨上正在开发贝氏体钢轨，以提高耐磨性国外在高速铁轨上正在开发贝氏体钢轨，以提高耐磨性和抗疲劳性和抗疲劳性。列车提速和重载运输，使弓网振动加剧，受流负荷加大，离线率

17、增加造列车提速和重载运输，使弓网振动加剧，受流负荷加大，离线率增加造成电弧烧蚀，使接触线出现大量硬点，弓网成电弧烧蚀，使接触线出现大量硬点，弓网/ /滑块磨损进一步加剧，甚至滑块磨损进一步加剧，甚至造成接触线熔断。造成接触线熔断。接触网导线材料接触网导线材料高速列车通常采用电力牵引。需要保证接触网导线与受电弓滑板之间在高速列车通常采用电力牵引。需要保证接触网导线与受电弓滑板之间在高速运行时具有良好的受流性能，目前高速铁路研究开发了铜合金导线，高速运行时具有良好的受流性能，目前高速铁路研究开发了铜合金导线，主要品种有铜银合金导线、铜镉合金及铜锡合金导线等。主要品种有铜银合金导线、铜镉合金及铜锡合

18、金导线等。随着车速进一步提高，导线材料已由单一材料向复合材料的方向发展，随着车速进一步提高，导线材料已由单一材料向复合材料的方向发展，其中一个品种是钢芯铜皮的铜其中一个品种是钢芯铜皮的铜钢复合材料。钢复合材料。接触线滑块摩擦副材料接触线滑块摩擦副材料 受电弓滑板材料受电弓滑板材料 受电弓滑板是机车供电系统中的重要集电元件受电弓滑板是机车供电系统中的重要集电元件, , 高速运行的电力机车上高速运行的电力机车上的滑板一旦失效的滑板一旦失效, , 将严重危及行车安全将严重危及行车安全, , 因此要求它的使用必须经济安全因此要求它的使用必须经济安全, , 既对接触网导线磨耗小既对接触网导线磨耗小, ,

19、 自身有足够的使用寿命自身有足够的使用寿命, , 又不影响弓网关系。又不影响弓网关系。 目前目前, , 国内外研究的浸金属碳滑板已步入了实用化的阶段国内外研究的浸金属碳滑板已步入了实用化的阶段, ,它主要是利用它主要是利用了碳滑板材料的多孔性质了碳滑板材料的多孔性质, , 将熔融的铜或铜合金等高导电性金属将熔融的铜或铜合金等高导电性金属, , 在高温在高温高压下浸入到碳滑板基体中去高压下浸入到碳滑板基体中去, , 使它既有碳材料的自润滑和抗电弧性能使它既有碳材料的自润滑和抗电弧性能, , 又具备金属材料的集电、强度高、抗弹撞击力强的特点又具备金属材料的集电、强度高、抗弹撞击力强的特点, , 成

20、为最理想的滑成为最理想的滑板材料。板材料。 与此同时与此同时, , 还应加强碳纤维一金属复合材料滑板的研究还应加强碳纤维一金属复合材料滑板的研究, , 这种滑板在集这种滑板在集电、润滑、抗撞击性能方面都会超过现有的金属滑板、碳滑板、浸金属碳电、润滑、抗撞击性能方面都会超过现有的金属滑板、碳滑板、浸金属碳滑板和粉末冶金滑板滑板和粉末冶金滑板, , 其应用前景十分广阔。其应用前景十分广阔。无砟轨道系统无砟轨道系统 板式无砟轨道是由板式无砟轨道是由长钢轨、扣件系统、轨道板、水泥沥青砂浆、长钢轨、扣件系统、轨道板、水泥沥青砂浆、混凝土底座混凝土底座及及凸形挡台凸形挡台组成的一种新型轨道结构。组成的一种

21、新型轨道结构。 为了使板式轨道具有一定的弹性，并固定轨道结构的位置，在混为了使板式轨道具有一定的弹性，并固定轨道结构的位置，在混凝土底座和轨道板之间，以及凸形挡台周围填充缓冲材料层，同时凝土底座和轨道板之间，以及凸形挡台周围填充缓冲材料层，同时消除混凝土构件施工误差。消除混凝土构件施工误差。 作为缓冲充填材料，应既有一定的弹性，又有一定的强度，水泥作为缓冲充填材料，应既有一定的弹性，又有一定的强度，水泥砂浆强度足够高，但弹性不足，沥青弹性好，但强度低，受温度影砂浆强度足够高，但弹性不足，沥青弹性好，但强度低，受温度影响大，因此采用了将二者结合的水泥沥青砂浆，一般采用水泥、乳响大，因此采用了将二

22、者结合的水泥沥青砂浆，一般采用水泥、乳化沥青、砂及各种掺和料混合而成，通称化沥青、砂及各种掺和料混合而成，通称CACA砂浆砂浆。每公里客运专线需要的扣件在每公里客运专线需要的扣件在6200-66006200-6600套之间，套之间，以以1.61.6万公里计算，高铁共需要万公里计算，高铁共需要9920-105609920-10560万套扣万套扣件，如果按照现在的件，如果按照现在的300300元左右的价格，市场空间元左右的价格，市场空间为为300300亿元左右。亿元左右。中国高速铁路扣件占有中国高速铁路扣件占有前三名前三名：1 1、德国、德国VosslohVossloh扣件扣件2 2、英国、英国P

23、androlPandrol扣件扣件3 3、晋亿实业股份有限、晋亿实业股份有限公司公司( (订单订单2222亿、交货亿、交货9.59.5亿亿) ) 占有率占有率25%25%高速铁路无砟轨道系统用高分子材料高速铁路无砟轨道系统用高分子材料高铁铁轨所用到的高分子减振、降噪材料多达十几种。聚高铁铁轨所用到的高分子减振、降噪材料多达十几种。聚氨酯、碳纤维复合材料、热塑性弹性体、聚氯乙烯、硅橡氨酯、碳纤维复合材料、热塑性弹性体、聚氯乙烯、硅橡胶、环氧树脂、丁基橡胶、丁苯橡胶、三元乙丙胶等。胶、环氧树脂、丁基橡胶、丁苯橡胶、三元乙丙胶等。CACA砂浆及专用沥青乳液砂浆及专用沥青乳液微粒带正电荷；贮存稳定微粒

24、带正电荷；贮存稳定性好；配制砂浆外加水少，性好；配制砂浆外加水少，有利于防止砂浆泌水；与有利于防止砂浆泌水；与水泥、细骨料附着力好，水泥、细骨料附着力好，可有效防止砂浆离析；抗可有效防止砂浆离析；抗冻性与耐候性好，冻性与耐候性好，有效延长了使用寿命有效延长了使用寿命。凸形挡台填充聚氨酯树脂凸形挡台填充聚氨酯树脂粘度小，易于施工；防沉降效果好，具有较高的承载强度粘度小，易于施工；防沉降效果好，具有较高的承载强度及韧性，抗冲击性能优秀，并拥有良好粘结强度，优异的及韧性，抗冲击性能优秀，并拥有良好粘结强度，优异的抗疲劳性、耐热老化性及耐腐蚀性。抗疲劳性、耐热老化性及耐腐蚀性。由于高铁采用无碴轨道，要

25、求防护层不仅具有防水、防渗和由于高铁采用无碴轨道，要求防护层不仅具有防水、防渗和抗裂等基本性能，还要能经受火车高速行驶带来的高速、重载、抗裂等基本性能，还要能经受火车高速行驶带来的高速、重载、交变冲击等作用。聚脲涂层无接缝，粘结力强，真正做到了整交变冲击等作用。聚脲涂层无接缝，粘结力强，真正做到了整体防水，同时还具有优异的耐磨性、抗冲击、抗开裂、耐紫外体防水，同时还具有优异的耐磨性、抗冲击、抗开裂、耐紫外光和耐高低温性能，可满足高铁的特殊要求。光和耐高低温性能，可满足高铁的特殊要求。聚脲弹性体涂层在高铁中的应用聚脲弹性体涂层在高铁中的应用京津高铁工程中聚脲材料防护工程达京津高铁工程中聚脲材料防

26、护工程达9595万万m2m2，聚脲用量超过聚脲用量超过2000t2000t。京沪高速铁路全长。京沪高速铁路全长1318km1318km，需要聚脲弹性体涂层，需要聚脲弹性体涂层2 2万万t t、脂肪族、脂肪族PUPU面层涂料面层涂料868t868t、PUPU防水涂料防水涂料6707t6707t，工程总额，工程总额达到达到2020亿元。亿元。广州秀珀化工股份有限公司同样也是高速铁路广州秀珀化工股份有限公司同样也是高速铁路材料众多供应商中的一员。材料众多供应商中的一员。20092009年年1010月月1313日，日，该企业中标京沪高速铁路工程桥面防水层材料该企业中标京沪高速铁路工程桥面防水层材料采购

27、项目，中标金额近采购项目，中标金额近1.41.4亿元，成为京沪高亿元，成为京沪高速铁路工程中最大的聚脲供应商。速铁路工程中最大的聚脲供应商。除高铁外，与高铁配套的海底隧道、过江隧道、除高铁外，与高铁配套的海底隧道、过江隧道、山体隧道和地铁隧道，山体隧道和地铁隧道，均需大量聚脲涂层。均需大量聚脲涂层。PUPU枕木是一种玻纤增强的枕木是一种玻纤增强的硬质硬质PUPU微孔弹性体，具有比微孔弹性体，具有比强度大、减震、降噪、耐电强度大、减震、降噪、耐电气绝缘、高耐久和环保等优气绝缘、高耐久和环保等优良性能。在日本，塑料枕木良性能。在日本，塑料枕木的应用历史已超过的应用历史已超过2525年，且年，且已应

28、用於新乾线高速列车的已应用於新乾线高速列车的铁轨上。铁轨上。 PU PU枕木目前已受到枕木目前已受到PUPU和铁路业界高度关注，是全球和铁路业界高度关注，是全球PUPU材料界研材料界研究的一个热点课题。根据国家发展高速铁路长远计划，为了适应究的一个热点课题。根据国家发展高速铁路长远计划，为了适应高速列车提速要求，开发高速列车提速要求，开发PUPU枕木以取代或部分取代混凝土枕木必枕木以取代或部分取代混凝土枕木必将是未来发展趋势。按国外经验将是未来发展趋势。按国外经验1km1km高速铁路需用高速铁路需用18001800根左右轨根左右轨枕计，则枕计，则7000km7000km高速铁路高速铁路PUPU枕木市场规模将达到枕木市场规模将达到500500亿元，这无亿元，这无疑将给我国新型疑将给我国新型PUPU弹性体带来巨大市场空间。弹性体带来巨大市场空间。PUPU枕木枕木未来未来3 3年高速铁路投资额度将达到年高速铁路投资额度将达到90009000亿元以上，年均投资亿元以上，年均投资