轨道交通用高分子材料研究进展-中国橡胶工业协会

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轨道交通用高分子材料研究进展

发布时间：2012/12/26 作者: 株洲时代新材料科技股份有限公司总经理杨军来源: 中国橡胶网订阅

一、概述

轨道交通是一种利用轨道列车进行人员和货物运输的方式，具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点，主要包括干线铁路、地铁、轻轨、有轨电车，也包括胶轮的单轨交通系统、线性电机牵引系统、磁悬浮系统、空中客车等。世界主要国家和大城市大多有比较成熟与完整的轨道交通系统。欧洲是世界上轨道运输最发达的地区，巴黎1000万人口，轨道交通承担70%的公交运量，伦敦轨道交通线路呈放射状布置，足够解决40%的出行人员需要；亚洲地区以日本的铁道密度最高，轨道交通运量占城市公交运量的86%；美国是铁路长度最长的国家，许多城市正探索新的交通政策和解决办法，其中最重要的措施就是恢复和发展轨道交通。随着全球经济自2008年开始的金融危机之后逐渐回暖，国际轨道交通必将进入快速发展时期。

我国轨道交通建设起步较晚，但在改革开放后已进入快速发展时期。尤其是《中国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》明确提出“优先发展交通运输业”，极大促进了我国城市轨道和客运专线的高速发展。如今我国已建成世界上首条投入商业运营的上海磁悬浮列车，我国还是世界上高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、在建规模最大的国家。在我国经济保持高速增长的影响下，轨道交通具有良好的发展环境，预计到2020年，我国城市化水平将超过50%，城市轨道交通累计营业里程将达到7395公里。

轨道交通技术的发展，必须克服车辆的走行性能、轻量化、集电性能、环保、空气力学以及其他诸如改善车内环境、提高乘车舒适度、提高耐候性和耐火性等课题，其中车辆的轻量化与上述各项技术课题有很强的相关性。车辆轻量化是一个系统工程，它涉及到车体、转向架、电气部件和机械部件的轻量化。高速列车的轻量化必须大量采用高分子材料及复合材料（表 1）。^{[^1-4^] 随着科学技术的不断进步，具有质轻、高强度以及易成型等特点的集结构功能一体化的新型高分子材料，尤其是高分子复合材料越来越多地应用在现代轨道交通领域。}

本文结合高分子材料技术的一些最新进展和现代轨道交通急需克服的困难和要求，介绍新型高分子材料及其复合材料在轨道交通及其基础设施上的应用。

表 1 国外高速铁路系统高分子材料及复合材料应用概况

主要部位	主要部件	采用主要高分子材料
线路及轨道	电缆支架、疏散平台供电轨的支座及防护构件钢轨扣件、绝缘垫板及减震垫等	复合材料：聚酯GFRP、酚醛GFRP 复合材料：聚酯GFRP 橡胶：SBR、PUR、NR；塑料：PE、PA、PET、PC；复合材料：聚酯SMC、环氧GFRP、环氧芳纶FRP
车体及车头	车体、车顶及车头厕所、洗手间车窗座椅车门地板及车向装饰板缓冲器	复合材料：聚酯GFRP、FRP泡沫夹芯材料复合材料：酚醛GFRP；橡胶：PU、IIR、CR 塑料：PC；橡胶：PU、IIR、CR；复合材料：FRP 塑料：SMC、发泡PU、PVC；复合材料：FRP 复合材料：FRP泡沫夹芯材料；橡胶：CR 塑料：PVC、PE、密胺树脂板材弹性体：TPEE、橡胶、弹性缓冲胶泥
电气部件	主整流器电线受电弓滑板	塑料：氟塑料塑料：PVC；PE、PES、PEEK 复合材料：GFRP
转向架	转向架构架复合车轮心盘垫、拉杆磨耗套及转向架旁承转向架框、拉杆磨耗套及轴承架合成闸瓦	复合材料：GFRP 复合材料：FRP芯＋钢壳塑料：UHMWPE、PA 塑料：PA、PA66／GF；复合材料：FRP 复合材料：CFRP、C／C复合材料

二、新型高分子材料在轨道交通中的应用

高分子材料部件在新型轨道结构中越来越广泛的应用，已成为继钢铁、石料后的第三大类材料。国外高分子材料在轨道交通上的应用非常广泛，国内铁道线路及轨道结构中也使用了大量的高分子材料。现代轨道交通向提高安全舒适性、走行性能以及轻量化等方向发展以及我国轨道交通向高速和重载方向发展的新特点，对传统高分子材料及其产业提出了严峻挑战，同时也给新型高分子材料的创新研究与产业化提供了良好机遇。

2.1聚烯烃橡胶

目前铁道车辆中大量应用橡胶制作各种减震、密封部件，如各种阀中的密封圈、胶垫，车门、车窗中固定玻璃的密封条，活动小桌及门窗的定位减震垫等。随着铁路向高速、重载方向发展，天然橡胶(NR)、氯丁橡胶(CR)等减震橡胶在耐疲劳、耐屈挠及动态生热等性能方面的劣势进一步凸显，人们把目标转向改性或新型高分子材料。

2.1.1 改性异戊橡胶

异戊橡胶（IR）是溶液聚合的高顺式1,4聚异戊二烯，分子量分布窄，支化少，不含非橡胶烃成分，最接近天然橡胶，而耐水性、电绝缘性超过天然橡胶，但其生胶强度、粘着性、加工性能以及硫化胶的抗撕裂强度、耐疲劳性等均稍低于天然橡胶。

IR通过原位接枝改性，可提高其力学性能并扩展应用领域。^{[⁵^] 由图 1可见，与未改性胶料相比，白炭黑原位接枝改性胶料玻璃化温度（T_g）向高温方向移动，分析认为由于原位接枝改性反应增大了胶料的交联密度，阻碍了橡胶分子链的运动；同时，在常温至高温范围内，原位接枝改性胶料的tanδ低于未改性胶料，60℃下的tanδ值由未改性时的0.113降至0.068，这说明原位接枝改性胶料的动态力学性能优于未改性胶料；从轴箱弹簧的动刚度曲线可以看出，使用原位接枝改性胶料的轴箱弹簧滞后圈面积明显减小，说明该产品tanδ更小，减震性能改善明显，这与胶料DTMA结果相一致。通过原位接枝改性的IR改性胶料已经运用于轴箱弹簧，减震性能改善明显。}

图 1 轴箱弹簧用原位接枝改性IR（左-胶料DMTA曲线；右-轴箱弹簧动刚度曲线）

2.1.2 高反式异戊橡胶

反式-1,4-聚异戊二烯(TPI）又称人工合成杜仲橡胶，与NR和IR具有相同的化学组成，但其双键构型为反式结构，因而有较大的性能差异。双键、链柔性和反式有序性是TPI最典型的三大特征。由于TPI分子链中存在有双键，所以其既具有不饱和橡胶的分子链柔顺性和可硫化特征，又具有反式立构规整聚合物的易结晶性，因而兼具橡塑双重特性。由于其分子链柔顺性好，反式链节等同周期短，常温下以折叠链形式存在，当温度低于60℃即结晶，是一种具有高硬度和高拉伸强度的结晶聚合物；当温度高于60℃时结晶便软化，能够通过硫化交联成为柔软的弹性体。

通过采用TPI并用等技术，耐疲劳、耐屈挠及动态生热等性能得到明显改善，适应了轨道交通越来越苛刻的减震性能等要求。黄自华等将TPI与NR共混用于制作球铰产品，发现共混胶可保持NR原有优良性能的同时其屈挠性能明显改善，动态生热大幅度降低（表 2）。黄宝琛等人^{[⁶^] 的研究表明，TPI与CR共混所制共混胶相比CR胶料物理机械性能影响很小，但疲劳性能大幅度提高，所并用TPI橡胶应用于机车减震部件，产品耐疲劳性能优异。}

表 2 TPI/NR共混胶料所制球铰疲劳性能

检测项目	检验方法	检验结果
检测项目	检验方法	未加入TPI	加入TPI
径向刚度	径向加载30kN，计算(0-26)kN之间的刚度	23.9kN/mm	23.3kN/mm
疲劳试验	径向加载±15kN，频率3.2Hz，疲劳试验250万次	160万次时样品现裂纹（尺寸35mm×5mm）	250万次疲劳试验后样品完好
疲劳后径向刚度变化率	径向加载30kN，计算(0-26)kN之间的刚度	18.9kN/mm 21.1%	24.0kN/mm 3.2%

2.1.3 卤化丁基橡胶

丁基橡胶由于聚异丁烯链段上有对称甲基，且异丁烯结构单元在大分子中所占比例超过97%，因而大分子链段取代基数目较多，链段的弛豫阻力增大；丁基橡胶还有特殊的“液-液”转变温度，所以内耗峰既高且宽，非常适合用作阻尼减震性能要求高的材料。不过丁基橡胶因分子主链几乎全饱和性导致硫化速度慢且粘着性差。为改善丁基橡胶硫化速度和粘着性并进一步提高其耐热性和抗氧化性，引入卤素进行化学改性（如溴化丁基橡胶、氯化丁基橡胶等）是常见的方法。

吴驰飞等提出^{[⁷^]，有机小分子和极性高聚物之间会形成可逆的氢键，氢键在振动作用下会不断的断裂和形成新键，从而将振动机械能转化为热能而耗散掉。依据该理论，在卤化丁基橡胶中引入小分子（如抗氧剂、促进剂等）所制备的杂化材料获得高阻尼因子的良好效果。谭亮红等^{[^{8, 9}^] 通过在溴化丁基橡胶中引入小分子树脂，并采用四川大学提出的多层微纳米技术，研制出阻尼性能显著提高的高阻尼材料。如图 2所示，多层挤出制备的阻尼材料阻尼性能明显优于普通共混试样，随层数的增加，多层试样中的CIIR阻尼峰有效温域逐渐拓宽，阻尼峰位置向高温移动，且损耗因子也是随层数的增加依次提高。该基于IPN结构树脂并采用微纳米多层共挤技术的系列阻尼材料，具有良好的环保性能、阻燃性能和阻尼性能，已在高速轨道车辆批量使用。}}

图 2 共挤层数对CIIR/PVAc交替多层阻尼性能的影响

2.2聚硅氧烷高分子

以硅氧键（-Si-O-Si-）为骨架组成的聚硅氧烷，是有机硅化合物中为数最多、研究最深、应用最广的一类，约占总用量的90%以上。这类有机硅材料具有独特的结构：1，Si原子上充足的甲基将高能量的聚硅氧烷主链屏蔽起来；2，C-H无极性，使分子间相互作用力十分微弱；3，Si-O键长较长，Si-O-Si键键角大；4，Si-O键是具有50％离子键特征的共价键（共价键具有方向性，离子键无方向性）。由于有机硅独特的结构，兼备了无机材料与有机材料的性能，即具有表面张力低、粘温系数小、压缩性高、气体渗透性高等基本性质，并具有耐高低温、电气绝缘、耐氧化稳定性、耐候性、难燃、憎水、耐腐蚀、无毒无味以及生理惰性等优异特性。随着有机硅数量和品种的持续增长，应用领域不断拓宽，形成化工新材料界独树一帜的重要产品体系，许多品种是其他化学品无法替代而又必不可少的。

2.2.1 有机硅弹性胶泥

弹性胶泥缓冲器是近20年来欧洲铁路联合系统(UIC)国家首先使用的一种高技术缓冲器产品。弹性胶泥缓冲器的优点是：容量大、阻抗力小、体积小、质量轻、检修频次少，兼有液压和橡胶缓冲器两者的优点，克服了液压缓冲器制造复杂、密封难和橡胶缓冲器吸收率低的缺点。^[^{10, 11}^] 用于弹性胶泥缓冲器的缓冲介质即弹性胶泥，是一种未经硫化的聚硅氧烷高分子¹²^] 。该聚硅氧烷高分子具有弹性、可压缩性和流动性，其物理性能在-80℃～250℃范围内具有较高的稳定性、抗老化性、无臭、无毒，对环境和人员无污染，集固、液两种属性于一体，是缓冲器理想的弹性胶泥材料。^[

国际上弹性胶泥缓冲器研制、生产处于领先地位的国家有法国、波兰等欧洲国家，在货车上已广泛应用。在波兰有两种胶泥缓冲器用于客车上，德国的ICE列车上也装有这种缓冲器。^[¹⁰^] 我国已有成功开发此类弹性胶泥材料以及专利的报道。经采用以甲基和苯基环状硅氧烷为主要原材料，以四甲基氢氧化铵为催化剂、六甲基二硅氧烷或一种新型硅氧烷为封端剂的树脂体系进行阴离子开环聚合反应（图3）。最终得到低温性能优良（小于-90^oC）且粘度稳定的螺旋式有机硅阻尼高分子材料（表3）。^[^{13, 14}^] 该材料的研发成功，形成了从催化剂开发合成系列专利技术，打破了国外垄断，所生产的产品已成功应用于列车车钩缓冲器产品、城轨地铁线路车档缓冲器产品桥梁速度锁定器产品。

图 3 螺旋式有机硅阻尼高分子材料合成机理

表 3 弹性胶泥芯体主要性能

检测项目		技术要求	重要度	检测结果
静态性能（23±2^oC）	位移2mm时载荷	≥20.0 kN	A	25.2kN
	距压并3mm时载荷	71.0±4.0 kN	A	74.4kN
	容量^a	≥3.5 kJ	B	4.9kJ
高、低温最大静态载荷	+50^oC位移2mm时载荷	≤85.0 kN	B	81.6kN
高、低温最大静态载荷	-50^oC^b距压并3mm时载荷	≥50.0 kN	B	56.2kN
灵敏度（23±2^oC）		≤4.0 KN		0.6kN
耐久性（5.28万次后）		无胶泥泄漏，静态特性指标保持率≥80%	A	合格
注：a、容量指弹性胶泥芯体静态特性试验中测得的加载载荷与位移曲线包容的面积； b、低温-50^oC试验时，曲线应平滑、完整，且力不应出现零，活塞杆应完全复位； c、A-关键，B-重要，C-一般

2.2.2 有机硅浸渍树脂

有机硅浸渍树脂不仅具有优异的耐高低温性能、耐候性能、耐水性能、耐火性能，还具有优异的电气绝缘性能、阻燃性能、耐辐射性能等，广泛应用于H级、C级需求以及对耐候和防火等有特殊需求的电机上，如地铁、城轨机车用牵引电机、高速动车用牵引电机和大功率机车用牵引电机等。

我国有机硅浸渍树脂研究已开展多年，其中姜其斌等^{[^15-19^] 开发的TJ1173无溶剂有机硅浸渍树脂产品能满足长期200^oC和短期400^oC的高温使用工况，并且耐候性强，能满足浸水、极寒、冷热冲击等恶劣环境，与进口产品处于同等的技术水平。TJ1173无溶剂有机硅浸渍树脂还因无有机溶剂、极低的挥发分和产品固化后无毒等特性，是一种性能优异的环保性树脂漆，且采用TJ1173浸渍处理的地铁电机、机车牵引电机已在地铁电机中批量应用。^[^{20, 21}^]}

2.2.3 有机硅凝胶

轨道交通中牵引电机控制和功率变换器首选器件-绝缘栅双极型晶体管（IGBT），因需要在恶劣的环境（水汽、化学介质、辐射以及震动等）下工作，对电路和器件的特殊保护显得尤为重要。有机硅凝胶作为保护IGBT的模块封装胶的关键材料应具备：优良的介电性能，保证模块工作时具有稳定的电气性能；良好的弹性和柔性，以使模块内芯片及其引线在较大外力作用和受震动时不受损；良好的粘性，使之与管芯、连线、底座紧密接触，以防水汽浸入；耐受高温（150^oC）、低温（-40^oC）的冷热循环并具备较好的导热性；良好的化学稳定性，固化时无低分子化合物产生等。

我国最近采用基于氢硅化反应理论的合成方法制备的有机硅凝胶，与国外同类产品相比具有更低的离子含量（钠钾离子小于10ppm，氯离子小于1ppm），因而电性能更优异，介电强度大于20kV/mm，体积电阻率达到6.1×10¹⁵Ω·cm，已达到IGBT模块封装胶的使用要求。^[²²^]

2.3 热塑性聚醚酯弹性体

热塑性聚醚酯弹性体（Thermoplastic polyether ester elastomer，TPEE）是含有聚酯硬段（聚对苯二甲酸二醇酯，如PBT、PTT等）和聚醚或聚酯软段的嵌段共聚物（图 4），其中聚醚软段和未结晶的聚酯形成无定形相，聚酯硬段部分结晶形成结晶微区，起物理交联点的作用。硬段和软段的比例决定了其硬度和物理机械性能。硬段形成物理交联点，承受应力；软段是自由分布的高弹性链段，贡献弹性。在高温下结晶熔化，硬段失去对分子的束缚力，材料呈现塑性，可用一般塑料加工手段加工。这种交联变化是可逆的，随着温度的下降，硬段对分子束缚功能逐渐恢复，显出硫化橡胶的特性。因此，TPEE兼具橡胶的柔软性、弹性和热塑性塑料的刚性、易加工性，是具有广阔发展前景的第三代合成橡胶。

图 4 TPEE分子结构示意图

1972年美国DuPout公司最先将TPEE工业化。随后荷兰DSM公司、美国GE公司、美国Hoechst Celanese公司、日本Toyobo公司和波兰Elana公司等10家国外公司相继推出了聚酯类热塑性弹性体。国内对聚醚酯弹性体材料的研究起步较晚，从70年代末才开始出现相关报道。目前，国内四川晨光科新、上海中纺投资、辽阳科隆公司均建成年产千吨级TPEE生产线。

由于TPEE优异的综合性能，国外公司已有应用于城轨客车、机车、货车的缓冲装置，如车钩缓冲垫等。TPEE车钩缓冲垫先前只有德国Durel公司和美国Miner公司掌握此项技术，售价昂贵。我国株洲时代新材料科技股份有限公司历经2年的研发，连续攻克了材料配方、结构设计、成型工艺等技术难关，成功研发TPEE车钩缓冲垫，成为第三家能生产该类型产品的公司。该公司产品采用独特的中空结构设计，类似于“U”形弹簧，使得此类缓冲单元具有较高的载荷和容量，产品（直径165mm，厚度65mm）最大载荷达到250吨，超过国外样品最大载荷180吨（图 5-左）；产品在受压2813kN后，随着外力逐渐减小，弹性体也随之回弹到安装前的高度（图 5-右），未发生产品破坏和不回弹现象。我国主机厂认为国产产品达到了国外技术水平，并且载荷和回弹性均优于国外样品。该公司还研发出TPEE城轨地铁垫板、TPEE高速车一系缓冲垫等产品，均达到国外先进产品水平（图 6）。^[²³^]

图 5 国产TPEE力学性能（左-与国外样品载荷对比；右-车钩缓冲垫压缩测试曲线）

图 6 国产典型列车用TPEE产品（左-车钩缓冲垫；中-城轨地铁垫板；右-高速车一系缓冲垫）

2.4 聚氨酯

聚氨酯弹性体分子主链由柔性链段和刚性链段交替组成，因此兼具塑料和橡胶特性。聚氨酯弹性体比天然橡胶的机械强度高2-3倍，耐磨性比天然橡胶和丁苯橡胶高出10多倍，耐油性和燃油性好于丁腈橡胶，气体渗透性低，可以和丁基橡胶媲美。与传统橡胶减震垫板相比，聚氨酯微孔发泡材料具有高回弹、耐磨、压缩应力传递平稳、耐油和抗疲劳性能优异的特点，加之其高效节能环保的成型方式而备受关注。聚氨酯材料的综合性能优异被作为新兴减震材料广泛应用于国内外轨道交通领域。

2.4.1 微孔发泡聚氨酯

轨道结构刚度由扣件高刚度、路基刚度等组成，是影响轨道反力分布和动态传递特性、轨道结构震动及轨道维修的关键因素。轨道结构刚度中起主要作用的是扣件系统刚度，扣件系统刚度又主要由弹性垫层刚度决定，因此可以见弹性垫层的刚度是影响无咋轨道线路的关键技术。国外高速铁路、重载铁路以及城市轨道交通广泛使用聚氨酯材料制造减震垫板。我国聚氨酯减震垫板制造技术已经取得突破，在许多轨道交通工具中得到应用。

国内在前期的客运专线扣件系统的研究过程中，确定了适应不同运营条件的高速铁路无咋轨道扣件弹性垫性能要求，如在客货混运（WJ-8A）和纯客运高速铁路（WJ-8B）运营环境下，聚氨酯料微孔垫片动静刚度比要求应不大于1.35；聚氨酯微孔垫片经300万次疲劳试验后，不得出现裂纹，永久变形不得大于10%，静刚度变化率不得超过20％。株洲时代新材料科技股份有限公司研制的聚氨酯微孔弹性体减震垫板除满足上述使用要求外（表 4），还采用闭孔发泡技术，即使在大雨磅礡的环境下也只吸收极少水分，不会影响其良好的电绝缘特性。^{[²⁴^]}

表 4 WJ-8型聚氨酯微孔弹性垫板主要性能

检测项目		技术要求	检测结果
拉伸强度，MPa	老化前	＞24.0	4~5
拉伸强度，MPa	老化后	＞1.8	5~5.5
扯断伸长率，%	老化前	＞150	300~350
扯断伸长率，%	老化后	＞20	350~380
300万次疲劳后	静刚度变化率，%	＜20	9~14
300万次疲劳后	厚度变化率，%	＜10	4~5
静刚度，kN/mm		23±3	23~25
动/静刚度比		＜1.35	1.19~1.32
压缩永久变形，%		＜10.0	3~3.6
工作电阻，Ω		＞10⁸	10⁹~10¹⁰
耐油体积膨胀，%		＜10	4~5

目前我国开展的重载轨道改造主要为有砟线路，其主要减震原件为轨下弹性垫板。由于重载的特殊性，需要产品在承载载荷大于10吨时，产品的静刚度能实现突变，即在载荷为10吨时，刚度曲线有明显的拐点。目前我国只有株洲时代新材料科技股份有限公司开发的聚氨酯弹性体产品能满足此要求。美国标准对重载轨道弹性垫板提出了动刚度残余值的要求，要求在1000次动态载荷后记录最后一次的变形量，要求值越小越好。该公司聚氨酯弹性体产品动刚度残余值为0.13，优于国外某著名公司热塑性聚酯弹性体产品（其动刚度残余值为0.36）。产品的耐疲劳试验是考验一个材料配方性能优异与否的最严厉、最苛刻的试验，该公司采用美国测试方法对其生产的聚氨酯重载垫板进行了疲劳性能检测，产品组装静刚度变化率刚度变化率仅为17%（表 5），完全满足美国标准不大于25%的要求。

表 5 扣件系统组装疲劳前后垫板刚度试验（美国测试方法）

疲劳前静刚度，kN/mm	疲劳后静刚度，kN/mm	静刚度变化率，%	厚度变化率，%
549.88	640.95	+17%	-5.1%

2.4.2 玻璃纤维增强聚氨酯泡沫复合材料

聚氨酯还被研究用于道砟胶及轨枕。2009年，德国采用拜耳材料科技的弹性聚氨酯泡沫塑料系统Durflex®填实道床道碴碎石间的缝隙，起到避免道碴移位、极大地提高道碴上层结构的耐久性以及吸收40%以上结构噪音的效果。木材或混凝土是生产或枕木（用于支撑铁轨）的传统材料。日本积水化学工业株式会社、德国拜耳聚氨脂有限公司等研发出的玻璃纤维增强聚氨酯泡沫复合材料代替传统轨枕用材木材或混凝土已在铁路上运行10多年，仍保持了其远高于木材或混凝土的出色机械性能。我国中船重工七二五所从2007年开始着手研究铁路用聚氨酯复合材料轨枕，目前已在广州地铁、南京地铁上有一定应用。^{[²⁵^]}

2.5 改性尼龙

轨道线路要求铁路轨道结构具备较高刚性、稳定性及适宜的弹性，实现铁路的安全性、舒适性及减少维修。由绝缘块、套管、垫板等主要高分子材料产品组成的线路扣件部件作为铁路轨道固定、绝缘、减震和调节轨道间距的重要部件，可以有效的解决机车震动、噪音大的问题，确保轴距稳定，极大提升铁路的安全和舒适性能。与金属部件比，尼龙有质轻、防锈、抗振、抗冲击和绝缘性好，而且加工性能优异，设计灵活，易于实现部件一体化，减少了部件数量和组装工序，提高了安装效率，维修方便。

目前，世界各国高速铁路迅速发展，以德国VOSSLOH和英国PANDROL为首的公司在铁路线路扣件系统设计及制造方面处于领先地位。美国铁路还采用尼龙制造转向架框、制动拉杆磨耗套等。轴承保持架采用塑料制造的趋势已很明显，法国使用纤维增强尼龙制造轴承保持架，比黄铜保持架耐磨、寿命更长。^[²⁶^] 随着高速铁路的快速发展，使用地域将极度放大，对高分子材料的高强度、耐高低温等性能要求越来越高。国内外现有尼龙合金复合材料及相关扣件普遍存在如下缺点：聚合物基体流动性较差，制品表面浮纤严重，影响制品外观；耐低温性差，存在较大安全隐患；制品尺寸稳定性及耐候性能也有待进一步提高。我国株洲时代新材料科技股份有限公司在解决以上缺陷方面的研发工作，走在行业前列。

2.5.1 连续反应尼龙

我国东北部和蒙古国等地铁路货车轨道弯道多且工况复杂，导致运行中机车振动剧烈，并且所处地域纬度高，因此对机车心盘磨耗板所用材料性能提出了较高要求，如我国齐齐哈尔车辆厂将其常温缺口冲击强度指标从4 kJ/m²提高到10 kJ/m²，低温冲击性能3 kJ/m²由原来-50^oC提到-60^oC，同时材料的断裂伸长率也由原来的50%提高到150%。

刘爱学等人^{[^27-29^]对连续反应表 6），成功应用于我国东北部、蒙古国等地铁路货车心盘磨耗盘（图 7）、澳大利亚铁路货车衬垫等产品。尼龙所涉及的催化剂、活性剂、增韧剂等进行了详细的研究，所制得的连续反应尼龙显著改善低温性能并提高力学性能（}

表 6 连续反应尼龙制心盘磨耗板产品典型性能与行业指标对比

检测项目	国内车指标	出口车指标	时代新材产品
拉伸强度，MPa	≥55MPa	≥50MPa	58.3
压缩强度，MPa	≥75MPa	≥65MPa	75.8
弯曲强度，MPa	≥55MPa	≥40MPa	40.5
断裂伸长率，%	≥50	≥150	157
缺口冲击强度， kJ/m²	≥4（23 ºC）	≥10（23 ºC）	25.1
缺口冲击强度， kJ/m²	≥3（-50 ºC）	≥3（-60 ºC）	4.2

图 7 国产铁路货车心盘磨耗盘

2.5.2高流动性尼龙6

普通尼龙由于玻纤浸渍性差，存在玻纤填充量小且浮纤严重的问题。高流动性尼龙6具有熔体流动性好、可快速成型、加工成本低、设计自由度大、偶联浸渍性佳等优势，可替代普通尼龙6并有效解决玻纤填充量小且浮纤等问题。

胡天辉等人^{[^{30, 31}^]开发出力学性能好、熔体流动性能优异、浸渍性极佳的高流动性尼龙6树脂，打破了国外公司对我国高流动性尼龙6树脂的封锁。由表 7可见，玻纤填充量达60%的高流动性尼龙力学性能显著优于普通尼龙，且由于树脂基体优异的流动性和浸渍性，从而制品表观性能好，无浮纤，在行李架、轨道扣件等以塑代钢产品中具有广阔的应用前景。火车结构内饰件及结构复杂的薄壁电子电气部件要求所使用材料具有优异的力学强度及无卤阻燃性能，普通尼龙6在产品生产过程中存在玻纤外露，翘曲等问题，而以高流动性尼龙6为基体树脂所研制的改性料，不仅提高了力学性能，还减少阻燃剂用量（与普通尼龙相比减少1/3），有效解决了体系分散和相容性差、玻纤外露问题，所得制品在保持优异外观性能的同时，还显著减少薄壁复杂电子元件材料的翘曲问题。以高流动性尼龙6为基础树脂的60%长玻纤增强尼龙改性粒料，由于高流动性尼龙6树脂对玻纤的浸渍效果极佳，所制备改性粒料外观光洁并具有优异力学性能、抗蠕变性及低温性能，综合性能达到国外公司如RTP等公司同类产品水平。}

表 7 高流动性尼龙6与其他尼龙6典型性能比较

检测项目	短玻纤增强		玻纤增强无卤阻燃		长玻纤增强
检测项目	高流动性PA6-G60	普通PA6-G60	高流动性PA6-G30	普通PA6-G30	高流动性PA6-G60	RTP PA6-G60
简缺口冲击，KJ/m²	24	19	12	9	50	45
简无缺口冲击，KJ/m²	104	88	/	/	101	95
弯曲强度，Mpa	376	314	205	176	401	395
弯曲模量，Mpa	16000	14000	/	/	17500	15500
拉伸强度，Mpa	265	225	150	130	265	260

2.5.3 耐高温尼龙

随着铁路牵引系统中所用电子电气元件采用表面贴装技术（Surface Mount Technology）组装，各个电器元件和线路基板要同时在红外加热装置中加热，对制成各个元件和线路板的材料的耐回流性和尺寸稳定性提出了更高的要求。为减少环境污染，大力提倡使用不含铅的焊锡。以前的铅-锡焊锡的熔点在183ºC，新型的焊锡为锡-铜-银焊锡，熔点为215 ºC，熔点较以前的材料提高了30ºC，这时PA66、PBT等材料的耐热性就不能满足要求，因此开发耐热性更高的材料就成为必然。

PA10T是一种新型耐高温尼龙，其合成的单体之一癸二胺来源于可再生资源蓖麻油，在石油资源日益枯竭的今天，用可再生资源合成高性能树脂具有较好的应用前景，并且PA10T的主要性能优于现有的高温尼龙品种，可替代PA46、PA6T、和PA9T，具有良好的工业化应用前景。王文志等^[^{32, 33}^] 以对苯二甲酸及癸二胺为原料，经成盐、预聚合、固相聚合或挤出增粘三个步骤，制备得到耐高温尼龙PA10T，综合性能达到国外商品化材料同等水平（表 8）。

表 8 耐高温尼龙PA10T与其他耐高温尼龙材料性能对比

检测项目	PA66	PA46	PA9T	PA10T
密度，g/cm³	1.14	1.18	1.14	1.04
熔点，ºC	255	295	295	310
玻璃化转变温度，ºC	50	78	126	130
吸水率（23ºC，24h），%	1.20	4.00	0.17	0.16
拉伸强度，MPa	87.0	102.0	92.0	101
断裂伸长率，%	>300	200	20.0	19.7
弯曲弹性模量，GPa	2.8	3.2	2.6	1.9
热变形温度（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）是粘均分子量为150万以上的高密度聚乙烯，不仅具有优异的抗冲击性、抗应力裂变性和耐寒性，而且还具有极低的吸水性、良好的耐化学腐蚀性和较高的耐热性。此外，极佳的自润滑性和无声运转、无油润滑性能也是UHMWPE突出的优点。UHMWPE主要用来制造特种薄膜、大型容器、以及各种耐冲击、耐摩擦的机械零部件，是一种极有发展前景的工程塑料。由于UHMWPE的熔融粘度很高流动性极低，原来只能采用冷压烧结法或热压法成型，目前已能改用挤塑法加工，从而应用领域越来越广泛。

桥梁支座耐磨材料是桥梁支座中至关重要的滑动部件，主要起两个方面的作用：一是利用其竖向刚度和弹性变形，向桥墩传递桥面的支承反力，承受垂直荷载；二是通过耐磨材料与滑动板组成的摩擦副，利用其低摩擦系数，使梁端能自由滑动，水平位移不受限制，保证了桥梁结构在活载、温度变化、混凝土收缩和蠕变等因素作用下能自由变形。^{[³⁴^] 因此，耐磨材料在桥梁减震隔震、减少桥梁摩擦、提高桥梁支座使用寿命起了至关重要的作用。最初德国毛勒公司将改善了抗蠕变和自润滑特性的改性UHMWPE替代聚四氟乙烯（PTFE）应用于高速铁路及磁悬浮列车的桥梁支座上，以适应支座快速位移的需要。但UHMWPE在重载高速摩擦过程中显示摩擦热传导性能差且受热发生塑性变形，降低材料的抗承载能力和耐磨性能，从而产生安全隐患。}

最新研究显示^{[^34-37^]，UHMWPE为基体材料的超高耐磨板通过采用纳米包覆技术制备了Si0₂包覆纳米碳化硅、氮化铝复合粒子为导热剂，改善复合材料在承载摩擦过程中散热性，减少热变形，提高产品的使用寿命；通过部分交联，提高材料压缩强度与抗承载变形能力；采用多层模压一步法生产工艺，降低能耗和原料损耗、提高产品质量及尺寸控制精度。该超高耐磨板抗承载应力达200MPa，在45MPa正应力下摩擦系数0.004，50km长期磨耗小于1μm/km，耐磨板拉伸强度和断裂伸长率分别达41MPa和320%（表 9），远优于传统PTFE耐磨板。实际应用结果表明，该超高耐磨板适应于高速重载、活载位移速率大、累计活载位移长的工作环境，是高铁、城际轨道交通及磁悬浮列车桥梁支座耐磨滑块的理想之选。}

表 9 超高耐磨板与PTFE板性能对比

性能指标		超高耐磨板	PTFE板
密度，g/cm³		0.938	2.17
拉伸强度，MPa		43.1	37
断裂伸长率，%		320	380
弹性模量，MPa		826	420
压缩强度，MPa		35.4	27.9
双缺口冲击强度	21^oC，kJ.m^-2	-	15
双缺口冲击强度	-60^oC，kJ.m^-2	-	17.3
导热系数，W/(m×K)		0.58	0.26
初始静摩擦系数		0.0035	0.0027
线磨耗率，μm/km		0.4	13.5

2.7 聚酰亚胺树酯

聚酰亚胺具有突出的耐热性和耐寒性、优良的机械性能、电绝缘性能、耐腐蚀性能以及耐辐射性能，是目前世界上综合性能最好的绝缘薄膜材料。聚酰亚胺薄膜是电力电器的关键绝缘材料，被广泛应用于牵引电机、变频电机、风力发电设备及高压变压器等的制造。^{[³⁸^] 在轨道交通领域，聚酰亚胺薄膜主要应用于牵引电机主绝缘材料：1）与乙烯-丙烯氟膜复合后绕包烧结于电磁线之上；2）与云母复合或单独使用于线圈的绕包；3）与Nomex芳纶纸复合后用于电机转子的槽绝缘。}

聚酰亚胺薄膜的生产技术分为热亚胺化法和化学亚胺化法。热亚胺化法是指单纯由加热实现聚酰胺酸酰亚胺化的方法，化学亚胺化法是在聚酰胺酸溶液中添加适量的脱水剂和酰亚胺化催化剂，再以一定的热能实现脱水闭环亚胺化的方法。采用化学亚胺化法生产的薄膜与热亚胺化法相比，制备的树脂具有更高的分子量和更加均匀的分子量分布，得到的薄膜产品也具有更好的一致性、机械强度、电气强度和热尺寸稳定性（表 10），且生产过程效率更高而能耗更低。大功率机车和高速动车组牵引电机用聚酰亚胺薄膜对材料可靠性、力学和电学强度有极高的要求，只有采用化学亚胺化技术生产的产品才能满足其要求。^{[³⁹^] 由于以前未攻克化学亚胺化关键生产技术，目前我国还没有化学亚胺化法薄膜生产线，大功率机车和高速动车组牵引电机用聚酰亚胺薄膜均从美国杜邦公司引进。如今我国株洲时代新材料科技股份有限公司在已建立热亚胺化法生产线和薄膜研发平台基础上，正筹建化学亚胺化法试验线。目前该公司已攻克配方设计、高粘度流体稳定输送、多相流股瞬时混合以及树脂冷冻工程等多项核心技术，化学亚胺化法薄膜生产线预计近年投产。}

表 10 两种不同产业技术生产的聚酰亚胺薄膜性能比较

检测项目	化学亚胺化法	热亚胺化法	测定方法
弹性模量（MD/TD），GPa	3.2 / 3.2	1.25 / 0.96	ASTM D882
拉伸强度（MD/TD），MPa	260 / 260	228 / 174	ASTM D882
断裂伸长率（MD/TD），%	110 / 110	85.5 / 67.9	ASTM D882
热膨胀系数（MD/TD），ppm/^oC	32 / 32	62 / 66	(100-200^oC/TMA)
热收缩率（MD/TD），%	0.08 / 0.03	0.08 / 0.02	(200^oC×2hr/IPC-TM-650)
电气强度，KV/mm	300	250	ASTM D149

2.8 环氧树脂

目前国内外的牵引电机用绝缘结构中除有机硅浸渍漆外，环氧树脂基体浸渍漆是另一主要材料。浸渍漆在电机的绝缘处理中被广泛使用，其作用为：（1）粘结各种主绝缘材料，（2）填充以形成致密结构，增加导热性。该类产品技术含量高，要求材料具有优异的耐热、耐候、耐水等应用性能、较高的电气绝缘性能，并且无溶剂添加，固化过程VOC排放极低。^[⁴⁰^] 目前在轨道交通领域中，机车牵引电机普遍使用国外进口产品。

目前我国环氧酸酐无溶剂浸渍漆研究也已经取得重大进展。^{[^{41, 42}^] 株洲时代新材料科技股份有限公司已完成200级环氧酸酐无溶剂浸渍漆的分子设计和配方优化工作，并对200级环氧酸酐无溶剂浸渍漆的各项技术指标进行了测试。结果表明（表 11），所设计的浸渍漆固化物与同类进口产品相比耐热性、机械和电气性能相当，固化挥发分比进口产品降低40%以上。将该浸渍漆应用于直线电机线圈试验，对电机线圈进行了电、热、机械振动多因子加速老化试验，老化后的残余击穿电压优于进口产品，表明该漆具有优异的综合性能。该产品已经小批量应用于地铁和城轨的直线电机生产，高铁和动车组的电机样机正在试制过程中。该公司还开发了IGBT模块封装胶用途的环氧树脂双组分胶^[^{43, 44}^]，取得了较好的市场效果。}

表 11 200级环氧酸酐无溶剂浸渍漆主要技术指标

检测项目		200级无溶剂绝缘漆
粘度（旋转粘度计），cp		1686
胶凝时间（150±），min		15
固化挥发份，%		4.9
粘结强度，N	常态	58.8
	155^oC	117.6
电气强度，MV/m	常态	26.17
	浸水24h	23.75
体积电阻率，Ώ.m	常态	1.24×10¹⁷
	浸水24h	8.1×10¹⁶
介质损耗，%	常态	0.53
	200^oC	4.7
表观分解温度，^oC		333.9
耐热指数，^oC		200

三、高分子材料在轨道交通中的应用发展方向

高分子材料在从内外饰件到结构承力件等应用于现代轨道交通，都展示了巨大的优势及其在轨道交通领域广泛的应用前景。当前我国正处在轨道交通建设的繁荣时期，并已成为世界上最大的高速铁路和城市轨道交通市场。国内除应用现有技术和工艺，还应深入研究具有自主知识产权的新型高分子材料及其制造技术并批量化生产，以促进我国轨道交通事业的高速发展。结合国内外现状，我们认为高分子材料在我国现代轨道交通领域得到大规模应用，尤其在大型和关键结构件上的应用，尚需重视发展以下一系列高分子材料和突破关键技术。

3.1 高性能弹性体

（1）发展热塑性弹性体及橡胶纳米技术，改变合成橡胶传统的加工技术，同时实现分子水平的设计与分子水平的加工。掌握结构与组分可控的烯烃聚合技术，制备分子量及分布、立体选择性可控和结构明确的能扩展性能和应用的均聚和嵌段聚烯烃材料，如溶聚丁苯、高乙烯基聚丁二烯橡胶、3-4-聚异戊二烯橡胶等，是高性能化弹性体材料的重要发展方向。如为弥补天然橡胶性能的不足进行分子设计和性能优化，以稀土顺丁橡胶和稀土异戊橡胶替代传统顺丁橡胶和异戊橡胶，完成天然橡胶结构和性能的最佳“模拟”和替代，从而在耐疲劳、耐屈挠及动态生热等减震性能方面得到应用。我国在这些材料的合成领域已取得一定突破，但是工业化和广泛应用方面还需拓展。

（2）发展导电、阻尼等功能集成化复合弹性体材料。比如在各种橡胶基体中加入压电颗粒、导电颗粒、增强材料颗粒等，可制备了一系列压电阻尼材料。磁性橡胶是以橡胶为基体，加入磁性固体粉末及其他配合剂而制成的一种功能性复合材料，其中磁性固体粉末可分铁粉和稀土磁性粉末，其中加入稀土磁性粉末时需要在强磁场的作用下进行充磁，并能在一定的方向显示出磁性从而制成磁性橡胶。橡胶基压电、磁性阻尼复合材料因能显著提高各种橡胶的阻尼性能，在国外轨道及机车内部减震降噪等方面已有应用。

3.2 结构复合材料

（1）掌握先进复合材料的制造工艺和技术。复合材料可以简单的用低速冲击后压缩强度（Compression After Impact，CAI）或韧性分级。最初的复合材料是单一的树脂与纤维的简单层状复合，韧性低（损伤容限即CAI值小于180MPa）；后来发展的第二代增韧树脂CAI值通常超过200MPa，为中韧性。当前研究主流为以树脂传递模塑成型（Resin Transfer Moulding，RTM）为主体的液态成型技术，发展第三代复合材料技术（CAI值通常大于300MPa）。复合材料科学的魅力在于其多层次、多尺度的结构设计自由度。而实现这种多层次、多尺度的结构设计自由度的最大挑战则在于结构化复合材料的低成本化、高性能化，也就是如何利用中等性能的各组分材料（低成本），借助巧妙的组合和构造技术（多层次、多尺度的结构优化），得到高韧性甚至超高韧性的复合材料。实现这种结构化复合材料的低成本化、高性能化，关键在于掌握和发展先进复合材料的制造工艺和技术。

（2）突破特种树脂和碳纤维与有机纤维合成、加工以及表面处理等技术。高分子复合材料包括许多品种，主流是以高分子树脂为连续相和无机材料如碳纤维或有机纤维作为增强层的分散相的复合材料。聚酰亚胺作为耐热特种高分子材料，即可用作复合材料的基体树脂、结构胶粘剂，也可用利用其力学性能相当于碳纤维而密度仅为其70%-80%的轻质纤维材料，极具发展前景。与此同时，热塑性复合材料如聚醚醚酮（PEEK）的本征高韧性使它能够比较轻松的达到300MPa的复合材料CAI值，似乎天生就是第三代高韧性的复合材料。目前各先进国家均将碳纤维视为本世纪的尖端材料，是复合材料中最为重要的增强体材料之一。芳纶纤维为集高强度、低变形、耐高温、耐化学腐蚀、阻燃、无疲劳反应和优良的电绝缘性能等于一体的高科技材料，迄今还没有任何一种材料能完全与之媲美。实现这些特种材料的合成、加工技术突破，并解决这些异质材料复合的界面相问题也就是表面处理技术，将会开创21世纪先进复合材料的新纪元。

3.3 节能环保高分子材料

（1）加快轻量化材料进程。交通领域先进复合材料取代金属、陶瓷等单质传统材料，可以显著节能降耗。

（2）解决水性涂料、粉末涂料和紫外光固化涂料等环保涂料的基础树脂的关键制备技术。我国科技发展规划水性涂料为代表的环保涂料2020年占涂料比重超过60%、2030年超过75%而2050年达到90%。

（3）解决生物降解塑料的规模化制备技术和废弃高分子材料高值化再生技术。早些年国内外在解决“白色污染”方面发展了许多重要的技术，塑料等高分子材料的生物降解是其一，但是规模化制备生物降解塑料还有很长的路。通过选择性催化裂解结合高温水蒸气裂解技术将废弃高分子材料进行高效化学转化制备高值化产品如低分子量功能高分子材料、中高档油品等，也是我国材料科学发展的重要方向。尤其是轨道交通列车全面高分子材料化后，这些高分子材料的回收利用也将是可预见的紧迫性工作，同时也具备良好的发展前景。

除了以上介绍的高分子材料发展方向以及需要重视的一些关键技术，我们还需在材料分析与表征、材料性能和寿命预测与失效分析、制造过程检测与控制、材料检测评价标准与计量标准物质研制等诸多方面取得进展和突破，从而满足我国交通运输等领域需求，实现企业创新能力大幅提升，基础研究水平和新材料新工艺研发能力接近世界发达国家水平。