高分子材料在交通运输中的应用

高分子材料在交通运输中的应用摘要：综述高分子材料在交通运输行业的应用及发展状况。

关键词：产业用纺织品，交通运输，高分子纤维材料，应用。

目前我国产业用纺织品：把广泛应用于工业、农牧渔业、基本建设、交通运输、医疗卫生、文娱体育、军工及尖端科技领域的纺织品。

我国把产业用纺织品分成16大类：农业栽培用纺织品；渔业和水产养殖用纺织品；土工织物；传动、传送、通风等管、带、轮胎的骨架纺织品；蓬盖布、帆布；工业用呢、毯、垫等；产业用线、带、绳、缆；革、毡、瓦等的基布；过滤材料及筛网；隔层材料及绝缘材料；包装材料；各类劳保、防护用材料；文娱体育用品的基布；医疗卫生及妇婴保健材料；国防工业用材；其他。

下面我就结合本专业交通运输用纺织品：指汽车、火车、船舶和飞机等交通工具中应用的纺织品。

伴随世界经济的快速发展，交通运输业已成为重要产业之一。

交通工具的制造中，新技术、新材料的应用，新能源的应用，成为当前世界各国和各区域组织最为关注的课题。

今天，我们高分子纤维复合材料在交通运输领的应用进行研讨，共同展望在这一领域的发展前景。

高分子纤维材料在交通运输工具方面，应用高分子材料最多的是汽车工业，而在机车上，高分子则主要用于无油润滑部件、制动盘摩擦片、车窗玻璃等，在其他类型的交通运输工具上，高分子复合材料的应用也越来越广泛。

运输工具
（1）汽车
目前，汽车研究目标仍然是节能、降低排放量及安全性能的改进。

为此，美国重点从降低汽车自重等方面做出努力，力争将汽车的自重由目前水平再下降40％。

而方法就是采用轻质材料，特别是广泛使用的高分子材料。

高分子及其复合材料是重要的汽车轻质材料，不仅可减轻零部件约40%的质量，而且还可使采购成本降低40%左右。

近年来，高分子在汽车中的用量迅速上升。

据统计，2000年世界汽车平均每辆高分子用量在就已达105kg，约占汽车总质量的8～12%。

高分子在轿车中的用量较高，如奥迪A2型轿车的高分子件总质量已达220kg，占总用材的24.6%。

发达国家汽车用高分子现已占高分子总消耗量的7～11%，预计不久将达10～11%。

目前，车用高分子的品种与所占比例大体为：聚丙烯21%、聚氨酯19.6%、聚氯乙烯12.2%、热固性复合材料10.4%、ABS8%、尼龙7.8%、聚乙烯6%。

从品种上看，聚烯烃材料因密度小、性能较好且成本低，近来有把汽车内饰和外装材料统一到聚烯烃材料的趋势，因此其用量会有较大的
增长，预计聚丙烯今后可保持8%的年增长率，聚乙烯的增长势头也比较强劲。

我国汽车工业对聚丙烯的市场需求持续增长，主要是因为聚丙烯能够与多种材料很好配混，能够以较低的价格模拟高价格的工程高分子性能，以及能够薄型化和减轻重量等，使聚丙烯不仅在替代非聚合物，而且在与其它聚合物，如PVC、ABS、HDPE和工程高分子的竞争中也具有很大优势。

许多汽车制造商都看好聚丙烯部件，并希望能够采用单一材料制造，以利回收，同时也希望材料的成本较低，聚丙烯因具有最佳的综合性能而成为首选。

聚氨酯由于原材料的多样性，以及不同助剂和成型方法的使用，可制得符合汽车工业要求得不同类型的产品。

目前聚氨酯泡沫高分子重点发展的车用制件包括座椅、保险杠、制动与输油管件、仪表盘、门内护板和主柱板、轿车复合型地毯、内饰顶棚、隔音耐热减震阻尼制品等。

而聚氨酯弹性体则重点开发汽车传动皮带、油封、缓冲器、门窗封条、异型材胶带、高承载轮胎等。

聚氨酯涂料和胶粘剂在汽车工业的应用也越来越广，以胶粘剂为例，可用作挡风玻璃胶、刹车蹄片胶、高强度压敏胶带以及行李箱、发动机盖、内饰件等的密封和粘结。

ABS高分子具有良好的综合性能，在汽车零部件高分子化初期就已应用到高分子工业上。

因其强度高、刚性好、耐高温、加工成型性好、尺寸稳定、外观质量好等特点，因此广泛应用于汽车外屋和内部零部件，ABS在汽车上用量约占高分子总用量的10%。

美国、西欧、日本在汽车上使用ABS高分子约占ABS总用量的20-25%。

我国汽车用高分子需求量预测。

汽车高分子的广泛应用带来了可观的经济效益和社会效益。

经济效益是节能，减轻车身自重不仅可节约油耗，而且在汽车制造过程中也节省了能源消耗。

社会效益是环保，国际上环保要求用在汽车上的材料80％以上必须能够回收利用，而高分子可以满足这一要求。

此外，高分子部件用于汽车还有一次成型，减少了工序和能源消耗，避免了部件组装过程中的误差，提高了整体精度；保持干燥，高分子部件一般无须特殊处理就具有天然的防水性能；耐热性好；无须油漆等优点。

国外汽车的内饰件已基本实现高分子化，如今高分子在汽车中的应用范围正在由内装件向外装件、车身和结构件扩展，今后的重点发展方向是开发结构件、外装件用的增强高分子复合材料、高性能树脂材料与高分子，并对材料的可回收性予以高度关注。

我国汽车高分子的应用是伴随着汽车工业的发展而发展起来的，在其发展过程中，历经了热固性树脂制备电器绝缘件和转向盘等零件、汽车内饰化即利用PUR软泡、PVC革和PVC薄膜制备汽车座椅、仪表盘、顶棚、地垫、门内板等以及随着我国石化行业的快速发展和轿车材料国产化进程加速，使我国轿车上高分子应用跨入一个新的发展水平。

目前，我国经济型轿车单车高分子用量已经达到50～60kg，中高级轿车60～80kg。

目前，我国汽车高分子应用主要包括内饰件、外饰件和功能结构件。

内饰件主要有仪表盘、车门内板、杂物箱盖、座椅、车内顶等。

功能与结构件主要有油箱、散热器水室、油门踏板、风扇叶片等。

外饰件主要有保险杠、档泥板、车轮罩、导流板等。

（2）机车车辆
自开始采用合成材料以来，纤维增强高分子作为半结构性材料已被大量应用于铁道机车车辆。

从那以后，合成材料就被推广应用于铁道机车车辆，甚至在许多应用领域享有优先权。

列车特别是高速列车必须实现车辆轻量化，单靠使用金属材料减轻其自重已经接近极限，所以，主要途径是大量采用高分子材料及其复合材料。

在选用机车车辆用高分子材料时，从安全性、功能性出发，应该是在阻燃的基础上向低烟、低毒、高比强度、高比模量的方向发展。

目前碳纤维、硼纤维的应用，各种先进结构形式加蜂窝状结构的选用是研究的重点。

树脂基复合材料的夹层结构适用于制造高速列车流线型车头，其外皮及内皮均采用树脂基复合材料，其芯部采用有足够厚度且有绝热作用的泡沫高分子，这种夹层结构能满足结构强度、冲击拉力和隔热、隔音及易于制成流线型的复杂外型的要求。

与时速高达200km/h以上的高速列车制动相配套的新型制动盘，要求所用材料摩擦系数稳定，符合制动系统的要求，并且配方中应不含有铅、石棉等有害物质，耐温达630℃以上。

可用高性能树脂或高性能树脂基复合材料制作。

机车发动机冷却水泵的叶轮和进水接盘，以前多用铁、铝、铜等金属材料制成。

由于加工复杂，密度大，且在使用过程中存在严重的气蚀现象，使表面产生麻坑，最后致使金属脱落，同时，气蚀现象还会使水泵产生噪音和震动，使工作效率降低、供水量减少。

现在选用PA制作水泵叶轮和进水接盘，不仅避免了气蚀现象，而且简化了制造工艺，实现了轻量化，提高了生产效率，降低了成本。

也有采用增韧增强聚苯硫醚制作水泵叶轮和进水接盘的。

机车心盘衬垫是高承载车辆部件，在运行状态下受纵向、横向、扭力及动载加速等因素的影响，其受力情况相当复杂，磨耗很大，所以要求所选材料具有高强度、耐热性、耐寒性且有自润滑性。

通常多选用玻纤增强增韧PA、含油铸型PA等制作。

采用玻纤毡增强PM制作的机车磨耗板已装在机车上试运行。

机车内饰件要求有一定的强度，且能阻燃。

现在使用酚醛树脂(PF)代替不饱和聚酯(UP)，不仅发烟少，而且无氮、无氯。

这种PF/GF复合材料能在200℃下连续使用，适合于餐车操作间及客车内部装饰。

此外，夹层结构的复合材料广泛地应用于列车的门板、地板、天花板等内饰件。

用于铁道车辆制造的组合体常常采用热固性树脂，目前市场首选是聚酯。

乙烯酸酯、环氧树脂、酚醛树脂和改性的丙烯树脂则分享了其余份额。

目前按树脂的种类分，在制造铁道车辆用合成材料中，聚酯占35%，乙烯酸酯占22%，环氧树脂占21%，酚醛树脂占15%，改性的丙烯酸树脂占4%，其他树脂占3%。

另外，聚合物泡沫、软木或蜂窝材料用于制造质量小、刚性好的板材，已经在铁路工业中得到了推广应用。

用于铁路机车的聚合物泡沫通常是热固性的，用于制造热公差较大的组件，热塑性泡沫也有采用。

机车中使用的泡沫高分子最常见的可能是聚氨酯和聚氯乙烯。

其中，聚氨酯能在两表面层之间现场发泡，因此，不需要整体预成形。

在铁路装饰件和半结构件市场中，GFRP已经占据了牢固的地位。

而碳基合成材料和以芳族聚酰胺纤维为基的合成材料，由于碳纤维的价格问题，应用还比较有限。

就纤维增强复合材料而言，按纤维的种类分，在制造铁道车辆用的合成材料中，玻璃纤维占58%，芳族聚酰胺纤维占20%，碳纤维占20%，其他纤维占2%。

按纤维的形式、规格分，在制造铁道车辆合成材料的增强纤维中，切断的玻璃纤维毡占33%，连续的玻璃纤维毡占16%，玻璃纤维织物占34%，抗折叠织物占12%，其他占5%。

3）水运工具
舰船已经成为工业部门中应用高分子材料及其复合材料的一个重要方面，目前舰船中所用的复合材料绝大多数为纤维增强高分子，其中用量最大、范围最广为玻璃纤维增强热固性高分子。

船用纤维增强高分子由于质轻、高强，对减轻结构重量有较大的潜力，特别适用于限制重量的高性能船舶和赛艇；由于耐腐蚀、抗海生物附着，比传统的造船材料更适合在海洋环境中使用；由于无磁性，因而是扫雷艇、猎雷艇最佳的结构功能材料；由于介电性和微波穿透性好，而适宜于军用舰艇；由于能吸收高能量，冲击韧性好，所以船舶不易因一般的碰撞、挤压而损坏；由于导热系数低，隔热性好，因而适合制造救生艇(特别是全封闭式耐火救生艇)、渔船和冷藏船等；由于船体表面能达到镜面光滑，并可具有各种色彩，所以特别适合建造形状复杂、款式多样、外形美观的游艇；具有可设计性好的特点，能按船舶结构各部位的不同要求，通过选材、铺层研究和结构选型等来实现优化设计；整体性好，可以做到整个船体无接缝和缝隙；船体成型简便，比钢质、木质船省工，且批量生产性特别好，降低造价的潜力很大；所制造的舰船维修保养方便，维修费比钢质、铝质和木质船少得多，全寿命期的经济性能好。

因此，纤维增强高分子具有传统造船材料所无法比拟的优越性能，倍受各国造船界的重视，经多年的开发应用，迄今已成为一种重要的船用材料。

从性能及船舶设计、建造技术的现有水平和发展前景来看，纤维增强高分子在造船中的应用将日益广泛，发展前景极为可观。

当前已能用它来建造各种中小型舰船，从数量上来看，最多的是游艇、渔船、救生艇、工作艇以及反水雷舰艇等。

以渔船为例，现在99％的渔船还是木制的，每年用于维修或建造新船的木材大约为300万m3，而中国现有纤维增强高分子渔船厂200家，纤维增强高分子渔船正处于上升势头，把纤维增强高分子应用于渔船生产，可以充分发挥树脂基复合材料质轻、高强度、耐腐蚀的特性，增强船体浮力，减少制造成本。

（4）飞行器
多种高性能的高分子复合材料目前已经用于各种航空航天工具中。

例如，碳纤维复合材料不久前还只在军用飞机上用做主结构如机身和机翼。

但是，近年来先进复合材料已开始用于大型民航客机上用做主结构，玻纤增强高分子也大量使用在一些较为次要的部位。

在美国，碳纤维复合材料主要用于航空航天工业；在欧洲，碳纤维复合材料在航空航天领域的使用量达到33%，仅次于其他工业用途。

例如，无人驾驶飞机上，目前已经大量使用碳纤维复合材料。

新近推出的波音公司新型民航客机7E7和空中客车公司A380，都开始采用航空航天复合材料作飞机的主结构。

这是因为复合材料能提供目前制铝工业所能提
供的铝合金大致相同的性能，而且复合材料还能进一步降低成本。

此外，复合材料还有耐久性好，所需保护少，零部件可以整合，耐腐蚀性强，通过利用智能纤维材料和嵌入式传感器进行结构监测等优点。

7E7客机绝大多是用复合材料制造的，将需要约25吨增韧碳纤维增强环氧树脂叠合材料和夹层材料。

A380也使用通常的复合材料结构，例如机翼包皮的40％采用碳纤维增强高分子，减轻质量1.5t，减轻全装配结构11.6t。

尾翼的大部分包括尾翼的安定面是碳纤维复合材料，仿照老式空中客车客机。

未增强的后机身由连接到复合材料机架上的复合材料与合金架的组合体上的碳纤维蒙皮构成。

总计复合材料将占机架质量的大约16%，减轻同种规模的全金属结构（空飞机的总质量将约为170t）。

三、结束语
交通运输是国民经济的命脉，世界各国都在不断提高和完善自身交通运输的水平，其中主要的途径之一就是要实现交通工具轻量化，增加高分子及其复合材料部件，特别是扩大高分子在该领域中的应用。

当前我国正在实施中西部大开发战略，将有多条公路、铁路以及若干座桥梁需要建设，这给高分子其复合材料发挥巨大作用提供了广阔的空间和前所未有的机遇。

参考文献
罗益峰，高科技纤维的新形势和我国的机遇，《高科技纤维与应用》2008.23.6,。

《产业用纺织品》2011.11.25
《纺织材料与检测》作者曾志明211.10.23
《中文科技期刊数据库》2011.11.25
《复合材料及其工程应用》2011.11.25
《纤维增强树脂基复合材料在交通运输领域应用展望》2011.12.17。