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热塑性复合材料支持超高速旅行

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在不远的将来,那些寻求最快旅行速度的人可能会放弃乘坐飞机,改为乘坐高速列车。高速旅行依旧面临很多挑战。但是在先进材料的帮助下,轨道列车很快就能达到比肩飞行速度的水平。

自从1964年第一辆“子弹头列车”疾驰穿越日本,很多国家都在着手安装和改良自己的高铁(HSR)项目。虽然高铁系统各不相同,但是大部分系统都依托某种形式的轨道。但是目前,全球有一些初创企业正在竞相实现一种全新形式的高速运输:“超级高铁”。2013年,Elon Musk与世界分享了他关于超级高铁Alpha的愿景,这一未来概念首次激发了人们的想象。

超级高铁是由密封管道组成的网络,其轨道(亦或“悬浮”)车辆采用“荚舱”或胶囊舱的形式。管道经过减压后消除阻力,因此荚舱的速度可以达到约750mph(1207公里/小时),且能耗极低。换言之,超级高铁扭转了飞机占优势的局面,让火车成为高速旅行的首选。
开拓性的高速旅行面临挑战

超级高铁可以带来若干优势。在燃油价格飞涨的今天,超级高铁提供了一种替代汽车或飞机旅行的廉价选择。由于所需动力大幅减少,超级高铁还可能成为一种环境上可持续发展的旅行方式。有一种车舱模型甚至还在舱顶安装了太阳能板。

纵观全球的参与者,中国已经超越日本,拥有世界上最大的HSR网络,总计超过29000公里(18000英里),其中有近一半的铁路由“子弹头列车”轨道组成,运行速度超过250公里/小时。中国还成为引领超级高铁技术开发的国家。中国航天科工集团有限公司(CASIC)宣布了若干项计划,要建立“飞行列车”的超音速T型飞行系统,这将使超级高铁迈出新的一步。理论上来讲,其最快速度可超过2300 mph(3701公里/小时),几乎是客机速度的四倍。无论采用哪种称谓:超级磁悬浮、空气动力列车或是飞行列车,有一点是肯定的:火车旅行随时准备与航空公司开展激烈的竞争。

很多公司决定迎接挑战,让超级高铁技术成为现实,Hyperloop Technologies便是其中之一,该公司已于2017年在内华达州的沙漠完成了世界首个测试轨道。另外两家公司也竞相效仿,完成了各自的测试轨道。豆荚舱原型已经完工,装备有娱乐屏和真皮座椅。同时,还有数项挑战有待解决,其中很多都需要在相关技术领域实现进展,如先进的磁悬浮技术或气动管道的废气处理。地上/地下远距离铺设钢管的可能线路也需要谨慎选择,要避免突然的扭曲或转弯。

除了这些工程挑战,对高性能材料的探索也在进行中,这可以使超级高铁的车舱在管道中超高速行驶。
用于混合技术的混合材料

超级高铁将高速飞机旅行的想法和火车一样的外观和革命性的推进技术融为一体。因此,这种混合技术——并不只是简单地将部件组合在一起,理所当然也要依赖混合材料。在这里,复合材料为未来的列车提供了一种价格实惠、可量产且可持续的解决方案。

在这里我们重温一下什么是复合材料,复合材料包含两种或更多具备截然不同的性能的材料。例如,延展性塑料和硬质金属。这些材料的结合往往可以带来独特的优质产品,并具备全新的属性,如超高强度和耐化学性。自人类制造出第一批稻草砖起,复合材料就屡见不鲜了;然而,新的材料和先进工艺(如拉挤成型)则实现了令人兴奋的新型混合材料。
用于HSR系统的创新型复合材料

让我们再回到超级高铁。对于客舱的内饰,迫切需要寻找新一代的材料,让列车变得更轻、更坚硬、更节能也更具有可持续性。而且减少车舱体积、重量和能耗的材料和技术都需要实现大规模生产。目前,诸如铝和片状模塑料(SMC)等材料已用于铁路的多种应用。但是,这些材料在减轻重量和厚度方面都存在局限性。例如,在某些列车内饰应用方面,虽然SMC与铝相比是更轻的材料,但在生产周期、量产成本以及挥发性有机化合物(VOC)排放方面存在一定程度的局限性。

为了突破这些限制,一些行业参与者和生产商正在寻找新的解决办法,如连续纤维增强热塑性复合材料。这些解决方案展示出了超越传统金属、塑料材料性能的非凡潜力,同时提供吸引人的美感和设计灵活性,特别是可量产的生产工艺。

对于大批量的需求,我们的客户需要一种加工效率高、周期短的产品。Maezio™可以做到这一点,同时还带来比镁合金、热固性塑料和注塑工艺塑料更优的显著收益。

李一兰

科思创复合材料市场开发部

聚焦Maezio™复合材料

其中一种复合材料是Maezio™,这是由科思创工程师开发的一类连续纤维增强热塑性(CFRTP)复合材料。它由碳纤维和聚碳酸酯等热塑性树脂基材组成。

与铝(7020)相比,由于具备可定制的各向异性的机械性能,Maezio™复合材料的重量可以减轻40%,硬度高2.5倍、强度高6倍。根据应用的需要,这种复合材料还可以比SMC轻20%。

论及美观性,Maezio™拥有金属般的外观和感觉,但同时又具备热塑性塑料的设计灵活度,更有碳纤维有机美感营造的高端表面品质。此外,这种材料可以与注塑工艺相结合,实现复杂形状和功能集成。

就安全和稳定性而言,Maezio™热塑性复合材料展示出巨大潜力。在初步FST(火、烟和毒性)试验中,这种材料在使用改良聚碳酸酯品级作为基体材料的情况下,表现出了很强的防火性能,并且仅产生很低的毒性和烟雾浓度。目前相关人员正通过严格测试,并采用不同的材料组合来证实这些积极的初步结果。此外,这种材料不含有害的VOC,并且在一定程度上可回收利用。在使用寿命结束后,这些材料可以经过机械切碎,形成短切纤维复合材料用于注塑工艺。
前景光明:Maezio™为大家带来可持续、可量产的设计

对于下一代应用——如超级高铁的“飞行”荚舱,可以用Maezio™创造出轻巧、细长的内部空间概念,兼具一流的表面特性和传统金属、塑料具有的全部强度。高性能热塑性复合材料可用于生产诸如座椅靠背、行李架、墙面覆层、桌子和地板。这种材料可定制性能,满足特定需求,并能使用已获得专利的一步式成型工艺制造,周期短,适于大批量生产。
这种先进的复合材料已经吸引了汽车、行李箱和电子产品生产商的注意力,他们希望做出比过去更轻便的设计。例如,以Maezio™制作的一个笔记本电脑外壳原型赢得了2017年欧洲塑料创新奖。

科思创专家希望对那些有意使用Maezio™的业界伙伴提供支持,用长期积累的专业知识来满足合作伙伴的任何特定需求,解决生产过程中可能出现的任何问题,成就更光明、更具可持续性的未来。

对于我们设计师来说,每一种新材料的开发都是创新的源泉——如果能够处理好重量和厚度,则更是如此。然后我们便会有很多机会创造新规格和尺寸。

Thorsten Frackenpohl

Noto GmbH联合创始人兼董事总经理

关键优势

  • 大幅减重兼具高机械强度  
  • 实现更纤薄设计  
  • 兼具高生产率和短生产周期  
  • 挥发性有机化合物排放低  
  • 优异的表面质量且可通过涂层、压花和激光蚀刻实现更多可能  
  • 高端碳纤维外观  

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