Trong xã hội ngày nay, hệ thống vận chuyển đường sắt đô thị ngày càng trở nên phức tạp, với cả ô tô và tàu cao tốc đang trở thành phương thức vận tải chính. Giảm tiêu thụ năng lượng trong lĩnh vực này có nghĩa là giảm chi phí. Vật liệu composite sợi carbon, được biết đến với độ bền vượt trội, khả năng chống ăn mòn, khả năng chịu nhiệt độ cao, chống lão hóa và tính linh hoạt trong thiết kế, được đặc biệt ưa chuộng do tính chất nhẹ của chúng. Chúng được sử dụng rộng rãi trong vận chuyển đường sắt, bao gồm các bức tường của toa tàu cao tốc và các bộ phận khác.
Vật liệu composite sợi carbon được ứng dụng chủ yếu ở đâu trong hệ thống vận chuyển đường sắt?
1. Nón mũi: Tàu cao tốc và tàu cao tốc sử dụng vật liệu composite được gia cố bằng sợi carbon để thiết kế và phân lớp nón mũi. Việc sử dụng vật liệu tổng hợp sợi carbon tại các kết nối đảm bảo khả năng chống va đập cao và hiệu suất cơ học vượt trội. Ngoài ra, chất chống cháy được tích hợp vào nhựa trước khi đúc, giúp tăng cường đáng kể khả năng chống cháy của nón mũi.
2. Má phanh: Má phanh làm từ sợi carbon có thể chịu nhiệt đáng kể do ma sát khi phanh, tạo ra tiếng ồn thấp khi phanh và có khả năng chống mài mòn tuyệt vời. Chúng có tỷ lệ mòn thấp hơn so với má phanh bằng sợi thép và có khả năng chống ăn mòn cao, giúp kéo dài tuổi thọ của chúng.
3. Vỏ thân xe: Thân xe đóng vai trò là bệ lắp đặt và khung chịu lực. Thân tàu cao tốc hiện đại được thiết kế với kết cấu thép hoặc kim loại nhẹ tích hợp để đáp ứng yêu cầu về độ bền và độ cứng với trọng lượng nhẹ nhất có thể. Việc sử dụng cấu trúc hỗn hợp bánh sandwich sợi carbon với lõi tổ ong bằng nhôm tạo điều kiện giảm trọng lượng. So với thân xe bằng hợp kim nhôm truyền thống, tổng trọng lượng của vỏ thân xe bằng composite giảm 40% mà vẫn đáp ứng các thông số thiết kế về độ bền tĩnh điện, chống mỏi và an toàn cháy nổ.
4. Trang trí nội thất: Các bộ phận như tấm trang trí toa xe, nhà vệ sinh, ghế ngồi, bình nước, tấm mui trước, tấm nóc của xe buýt hai tầng được dát một lớp vật liệu gia cố sợi carbon chống cháy. Điều này không chỉ mang lại khả năng chống cháy mà còn tăng cường khả năng vệ sinh và chống ăn mòn của nhà vệ sinh, phòng vệ sinh, ghế ngồi và bể chứa nước.
5. Giá chuyển hướng: Giá chuyển hướng là bộ phận có độ bền cao đặc biệt quan trọng trên tàu cao tốc, có tác dụng đỡ thân toa xe, tạo điều kiện đánh lái, phanh, đảm bảo cho phương tiện tàu hỏa vận hành an toàn, êm ái trên đường ray. Là bộ phận chịu tải chính ảnh hưởng đến sự an toàn của toàn bộ xe, hiệu suất của xe chuyển hướng phải đáp ứng nhiều yêu cầu khác nhau, bao gồm an toàn, thoải mái khi vận hành, chống mài mòn và dễ bảo trì. Giá chuyển hướng làm từ vật liệu composite sợi carbon nhẹ hơn 30% so với kết cấu thép thông thường.
6. Khoang thiết bị: Các thành phần kết cấu chịu lực chính của khoang thiết bị, chẳng hạn như dầm cong, được thiết kế bằng hỗn hợp prereg được gia cố bằng sợi carbon và được ghép chéo, được sản xuất bằng quy trình đúc túi, dẫn đến tỷ lệ năng suất cao và có thể kiểm soát được chi phí sản xuất. Một thành phần cấu trúc chịu tải chính khác, dầm ngang, được hình thành bằng cách sử dụng vật liệu tổng hợp sợi carbon truyền chân không và cấu trúc lõi tổ ong aramid cong để nâng cao hiệu suất.
Sáu ứng dụng này cho thấy tính linh hoạt của vật liệu composite sợi carbon trong vận chuyển đường sắt, đặc biệt là trong tàu cao tốc và tàu cao tốc, nơi chúng góp phần giảm trọng lượng trong khi vẫn duy trì đặc tính cường độ cao và khả năng chống cháy của các sản phẩm sợi carbon.
