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科技日报记者 李 禾
当前，世界上高速铁路正快速发展，但随着高铁列车速度的不断提高，由金属材料制造的传统列车面临振动强、阻力大、噪声高等问题。特别是在包括高原、沙漠在内的高温、高寒、高海拔等复杂多变的环境里，现有金属材料暴露出减震隔音性能差、能耗高等问题。
近日，国际竹藤中心科研团队和福建和其昌竹业股份有限公司，在仿生竹材强韧性能开发可再生轻质减震型轨道交通车辆底板材料方面取得重要进展。受竹子的生物结构启发，他们提出了轻质减震型轨道交通车辆底板的层积结构设计策略，仿生制备出具有类似竹材壁层结构的复合材料。这种利用竹材、木材等天然绿色材料制备而成的可再生轻质阻尼减震复合材料，具有轻质减震、阻燃、耐疲劳和抗冲击等特点，成为高铁等轨道交通车辆底板用材的重要研发方向。
“目前，时速为250公里的高铁列车，车辆底板材料多使用碳素钢和不锈钢，但是这两种材料密度大，导致车厢偏重、耗能偏大，且容易受环境腐蚀，设计时需要留出较高的腐蚀余量。时速为350公里的高铁列车，车辆底板材料多使用铝合金和碳纤维复合材料，这两种材料密度较小、耗能小、延展性好、耐腐蚀，但价格昂贵。”国际竹藤中心博士研究生韩善宇说，上述金属材料均属于不可再生材料，减震隔音性能差。
竹子是一种天然的纤维增强生物质复合材料，经过千百万年的自然进化形成了精巧有序的梯度层积和多孔隙结构、多层级界面。梯度层积结构是指竹竿中纤维分布密度，沿着竹壁自表皮向内层递减，因此竹材的力学性能也是逐渐变化的，呈现出明显的功能梯度特性，加上竹材结构是由纤维—纤维、纤维—薄壁细胞、薄壁细胞—薄壁细胞等多项界面组成的，使其具有天然的强韧性能和阻尼性能。
国际竹藤中心副研究员陈复明说，他们模仿天然竹材的结构和功能，将几种容易获取的材质轻软的速生人工林木材单板与废弃橡胶单板层积热压复合，然后将高强度、高硬度，且具有多孔结构特征的竹炭塑板置于表层，进行二次冷压复合成型，得到类似于竹子的、具有梯度层积结构、多孔隙结构和多层级界面特性的可再生轻质阻尼减震复合材料。阻尼有助于减小材料结构的共振振幅，可避免因动应力达到极限而造成结构破坏，使材料可以快速恢复到稳定状态，并降低噪声等。
该复合材料具有原材料来源广泛、可再生、无污染、密度小、质量轻、耐疲劳、抗冲击，以及减振隔音效果和防火阻燃性能优异等优点，符合轨道交通车辆底板的综合性能要求。
国际竹藤中心研究员王戈说，一般的竹木质结构材料经常应用于建筑、装饰装修和家具领域，较少应用在高铁上。如今通过研究创新，第一批具有轻量化、高强度、高耐候的可再生轻质阻尼减震复合材料产品已成功应用于部分时速350公里的高铁车厢底板上，未来可在高铁、地铁、公交等车厢上大显身手，进行大面积推广。
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