复合材料应用于铁路和公共交通：轻量化之外的防火、防烟和毒性要求

在未来几年中，铁路和其他大众运输市场为其公司以及其他复合材料制造商和供应商提供的机会将越来越多。公共交通车辆的安全至关重要性意味着围绕其设计和建造的决策主要由安全法规主导。虽然汽车没有统一的标准，但在欧洲，火车和有轨电车有EN 45545，公共汽车有UN ECE Reg.118。该标准对大众运输提出了更严格的防火、防烟和防毒（FST）要求，通过使用酚醛树脂系统，复合材料制造商可以将必要的防火和防烟性能纳入其产品中。

这些标准中最严格的是EN 45545，其目标是“最小化火灾发生的可能性，控制火灾发展的速度和程度，并通过这一点，最小化火灾产物对乘客和工作人员的影响。”

危险等级
当然，必须在列车运行和设计的背景下考虑这一目标。该标准规定了四个操作类别，包括列车是否在地面上行驶，定期通过隧道和高架结构，最近的紧急车站距离多远，是否可以侧向疏散，以及列车多快可以停下来。

这些操作类别与字母ADSN对应的四个设计类别相对应。“a”包括构成自动列车一部分的车辆，车上没有经过紧急培训的人员，“D”是双层车辆，“S”是卧铺和卧铺车辆，“N”包括所有其他标准车辆。

操作和设计的结合决定了危险的严重程度，危险分为三级:HL1、HL2和HL3。反过来，危险等级决定了可以使用的材料的标准。

复合材料的作用
现代火车、有轨电车和公共汽车的大部分由拉挤成型的增强纤维复合材料制成，典型地由玻璃纤维和碳纤维制成。各种材料之间的选择通常归结为机械性能、成本、FST符合性和形状复杂性之间的平衡。

因此，复合材料是一种多用途的材料选择，不仅因其重量轻、节油效果好、结构强度高而受到重视，还因其能够增加零件功能、抗腐蚀、隔热和提供耐用的油漆涂层表面而受到重视。

在外观上，复合材料被用于从侧板和壁脚板到支撑屋顶的栏杆的所有地方。在室内，复合材料用于创建各种覆盖型材、加热管道、天花板型材、扶手、窗户型材等。另外，公共汽车、地铁和火车的运营商开始意识到复合材料在降低噪声振动和刺耳声方面的优势。如果您曾经在地铁上听到过金属板在嘎嘎作响。若面板是由复合材料制成的，则它会减弱声音，从而使火车更安静。

FST要求
总而言之，EN 45545-2标准列出了26种材料和部件的“产品组”，这些材料和部件必须满足基于材料位置、形状和布局、暴露表面以及材料相对质量和厚度的FST要求。

这26组中的每一个部件都必须符合针对列车3个危险等级的不同的FST要求，这些要求是从总共17种试验方法中选择的。快速合成复合材料成为一项复杂的技术能力。

例如，德国的复合材料面料生产商Saertex为欧洲铁路运营商Duetsche Bahn的66辆ICE-3快车地板提供了LEO®材料系统。LEO是一种分层的非卷曲织物，比机织织物具有更高的机械性能和更大的轻量化潜力。四组分复合材料系统包括特殊的防火涂料、玻璃纤维增强材料、SAERfoam®（具有集成3D-玻璃纤维桥的核心材料）和LEO乙烯基酯树脂。

复合材料制造商SMT（也位于德国）使用英国公司Alan Harper制造的可重复使用的硅真空袋，通过真空灌注工艺制造了地板。LEO系统基于具有非填充树脂系统的连续纤维层压板，具有出色的机械性能，并且符合新的阻燃标准。此外，复合材料不腐烂，这是一个很大的优势，特别是在冬天下雪并且地板很湿的地区。

天花板复合材料
因为FST需求覆盖了如此大量的产品组，每个产品组都有自己的测试，所以值得看一个例子来了解上下文。让我们以天花板复合材料为例，它属于1B产品组。这包括所有内部水平向下的表面，包括天花板镶板、翼片、盒子、罩和百叶窗。IN1B产品必须符合R1的要求，并通过五项测试，包括横向火焰蔓延、热释放率、烟雾生成、光密度和毒性。

这些测试中的三项：烟雾生成、光密度和气体分析，符合EN ISO 5659-2的要求，这是一项确定水平放置的样品在密封室内受到特定热辐射时产生的烟雾的光密度的测试。放出的烟雾被收集在室内，光源和光电池用于测量烟雾的特定光密度或透明度。

还从该室提取烟雾样品，并使用FTIR分析来确定有毒物质的存在，包括一氧化碳、盐酸、溴化氢、氟化氢、氰化氢、一氧化二氮和二氧化硫。

选择正确的复合材料
在采购复合材料时，工程师应考虑那些含有阻燃添加剂的材料，这些材料使用无卤素物质(如三水合铝(ATH))来减少或延迟燃烧过程，与非运输应用中使用的传统卤化添加剂相比，这些物质燃烧时释放的有毒烟雾要少得多。

另一个关键的考虑是找到正确的轮廓形状。复合材料可以将复杂的几何形状组合成满足FST、结构和美学需求的单一轮廓，而不是使用多个分立的部件。

这就是与复合材料合作伙伴(如Exel composites)合作的价值所在，Exel composites了解专业的拉挤成型制造技术，可以生产各种复杂形状的复合材料，增强材料包括玻璃纤维和碳纤维，并根据需要与聚酯、聚氨酯和环氧树脂等树脂结合。

通过做出正确的操作、设计和FST选择，公共汽车、火车和电车的制造商可以给乘客充足的时间到达安全地带。