轻量化材料在车窗上的应用

轻量化材料在车窗上的应用

刘晓孟，万志华，李洪波，解鹏程，孙洪楠

中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063000

摘要：具有光学特性的聚碳酸酯(PC)材料以其独特的耐冲击性、耐候性、质量轻和强度高等特性成为传统无机玻璃在车窗上轻量化应用理想的首选替代品。本文介绍聚碳酸酯(PC)材料的特点、应用、及应用前景。

关键词：聚碳酸酯(PC)车窗轻量化

0 引言

高铁车窗玻璃材料要求具有优异的透光率、耐候性、耐磨性以及良好的机械强度，以满足其光学性能要求以及长期日光照射、雨水侵蚀及沙石撞击的要求。传统的无机玻璃虽然具有良好的透光率及优异的耐磨、耐刮擦和耐候等特性，但缺点是无机玻璃密度大，重量重。目前高速铁路需要进一步提高速度，降低能耗，因此整车对减重需求很大。

1 车窗材料特点

车窗玻璃材料分为传统的无机玻璃和塑料玻璃。无机玻璃分为钢化玻璃和夹层玻璃两类；塑料玻璃以聚碳酸酯玻璃为主(也有亚克力玻璃)，由涂层和聚碳酸酯基材构成。如下图1所示。

图1 玻璃结构示意图

目前高铁所采用的车窗主要有铝型材和传统无机玻璃组成，玻璃采用夹层结构。高铁车窗采用铝合金挤压型材作为窗框，是车窗主要承载结构，起到连接车体窗口和安装玻璃的作用。玻璃结构从车外到车内：夹层玻璃中间空气层+夹层玻璃。由于玻璃采用无极玻璃，车窗整体重量较重。

无机玻璃刚性较高、透光率较好、耐候性优异、耐磨性好、线性热膨胀系数低；但密度较聚碳酸酯玻璃高出1倍，且受成型工艺影响，难以做出复杂曲面，使得设计自由度较低。挡风玻璃一般使用夹层玻璃，其余侧窗根据速度等级不同使用夹层或中空玻璃。无机玻璃密度较大，导致车窗整体重量较重，不利于高铁进一步提高速度，降低能耗。

聚碳酸酯是一种无色、透明的无定形热塑性工程塑料，具有高强度、高韧性、良好的耐热性、抗冲性、阻燃性和密度第。缺点是：耐溶剂性较差，易开裂；表面硬度较低，长期接受风、沙、雨刮的磨损易雾化；抗紫外线性能差，长期暴露室外易老化黄变，影响车身美观。因此，聚碳酸酯车窗需要增加涂层以保证车窗的优异耐候性能及耐刮擦性能。

2 聚碳酸酯（PC）材料需求情况

高速动车组现有车窗采用的材料为玻璃和铝合金窗框，玻璃重量在整窗重量中的占比都很高，以时速350公里复兴号中国标准动车组车窗为例，玻璃自重在整窗中的重量份额占79%左右，聚碳酸酯(PC)材料的密度为玻璃的一半，若把玻璃全部更换为聚碳酸酯(PC)材料，整窗可减重40%左右，以尺寸为1450mm×750mm的车窗为例，玻璃窗重约55公斤，PC窗重量约为33公斤，整列车窗重量约6.65吨，换成PC材料后重量约4吨，整列减重约2.65吨，新型轻量化聚碳酸酯(PC)材料车窗是符合国家节能降耗政策的一款产品，符合科技创新发展规律，聚碳酸酯(PC)车窗的应用可使高速动车组的运行更加节能。

3聚碳酸酯(PC)材料国内外差距

国外聚碳酸酯(PC)材料生产企业主要有德国拜耳公司、沙伯基础创新塑料公司及株式会社雷尼阿斯等，与这些企业相比，我国在工艺、质量管控、标准体系、服役评价等方面还存在一定差距。日本的新干线列车的侧窗采用的是单层聚碳酸酯(PC)材料的小尺寸侧窗，尚无大尺寸高速车的应用先例，PC板初始雾度是0.5%以下，生产工艺先进，管理水平高，平整度公差小，波筋可以满足GB18045-2000《铁道车辆用安全玻璃》中的要求。在聚碳酸酯(PC)深加工方面，国外长期在轨道行业的应用经验，提高了深加工的工艺水平，产品合格率高。

国内目前聚碳酸酯(PC)材料主要使用在建筑领域和工程车、乘用车上，在同样厚度的情况下国产聚碳酸酯(PC)的初始雾度通常是1%～2%以上，根源是原材料控制不严格，工艺和质量控制不到位，导致平整度差。在聚碳酸酯(PC)深加工方面，国内相对比较落后，丝印、外观和光学质量差，导致产品的合格率低

4 聚碳酸酯（PC）材料的特点

2.1曲面造型和集成多功能

无机玻璃受材质和成型工艺的影响，很难加工出较大的弯折角度，限制了许多车身流线设计和空气动力学要求的设计方案的实施；同时受材质所限，也不适合将众多零件功能集成于一体。

聚碳酸酯(PC)玻璃的出现使得设计自由度大大增加，可以直接注压成型各种造型的零件，也可以集成众多功能，使设计更加流畅,零件装配也更加简便。聚碳酸酯(PC)车窗在司机室曲面侧窗和双层客车上层曲面车窗上更易实现。

2.2隔热

无机玻璃的导热系数为0.5～1.0 w/mK，聚碳酸酯(PC)的导热系数约为0.2 w/mK，远小于无机玻璃，使其隔热效果更好，且不易起雾，同时可以降低空调系统的能源消耗，减少碳排放，对降低能源的消耗具有重要意义。

2.3 减重

聚碳酸酯(PC)的密度约为1.2g/m3(无机玻璃密度约为2.5g/m3)，制造相同的零件，理论上可减重50％；但实际上，聚碳酸酯(PC)玻璃略厚于无机玻璃，一些部位也需要特殊的加强设计，实际减重约为

40％。高铁玻璃通过采用聚碳酸酯(PC)材料，可以大大减小车窗的重量，有利于高铁进一步提高速度，降低能耗。

2.4耐磨性

目前的聚碳酸酯(PC)技术还无法满足侧窗的耐磨要求(泰伯测试l 000转后的光漫射≤2％)。UN ECE R43《关于安全玻璃材料及其在车辆上安装认证的统一规定》也规定挡风玻璃不能使用塑料玻璃，其它部位都可以使用。随着材料性能的不断提升、各地法规的陆续健全、生产工艺的逐步优化，聚碳酸酯(PC)车窗技术日趋成熟，耐磨性可通过在表面添加涂层解决。通过在聚碳酸酯(PC)车窗表面使用抗模型的涂层，可以使聚碳酸酯(PC)车窗在长久时间里保持良好的抗磨损性。

2.5 抗冲击性

聚碳酸酯(PC)的抗冲击强度比普通无机玻璃高250多倍。撞击试验表明：1个1kg的球状物体以540km/h的速度撞击15mm的聚碳酸酯(PC)车窗，车窗不会被击碎。其在抗冲击要求很高的前风挡上有很好的应用前景。

2.6 透光度

透光性是用于玻璃材料的基本特性。在光线由空气层射人材料介质中时，该材料介质与空气界面间的损耗即光线反射率的大小是影响材料透

光性能的因素之一。此时，光线反射率R与材料折射率之间有如下关系：R=(n-1)2／(n+1)2。聚碳酸酯(PC)的折射率n=1．586 9，故其R仅为5.1％，表明光线在聚碳酸酯(PC)材料与空气界面间的损耗是很小的。因此，纯净的聚碳酸酯(PC)具有良好的可见光透过性能。其透光率与样片厚度有关，样片厚度为2 mm时，其透光率为90％，与无机玻璃相当。

5 发展前景

聚碳酸酯(PC)车窗在汽车和飞机上有广泛的使用。目前轨道交通车辆车窗采用轻量化材料聚碳酸酯，已经成为发展趋势之一。在国外铁路客车上聚碳酸酯(PC)车窗有很多应用，日本北海道列车侧窗采用聚碳酸酯(PC),而北美客车侧窗中聚碳酸酯(PC)为最常用的材料。

鉴于高速动车组对于轻量化的技术需求和国家节能降耗的政策，PC在同等厚度重量比玻璃轻一半，对酸、酒精、果汁、饮料无任何反应；对汽油、煤油也有一定抵抗能力，在隔音、隔热、光学性能等指标等同于玻璃的前提下，采用聚碳酸酯(PC)材料车窗可以有效减轻车窗的重量，提高车窗的抗冲击性，因此聚碳酸酯(PC)材料车窗拥有广阔的应用前景。

6 结论

车窗是高铁的一个重要部件，其轻量化对整车速度提升和降低能量消耗非常重要。聚碳酸酯（PC）是一种综合性能优良的工程塑料，在透光性、质量轻以及耐冲击性等方面拥有巨大优势。聚碳酸酯（PC）新技术不断涌现，也使其能够逐渐克服其耐磨性差、表面硬度不足等缺点，发挥其更重要的作用。轻量化聚碳酸酯（PC）材料车窗是符合国家节能降耗政策的一款产品，符合科技创新发展规律，聚碳酸酯（PC）车窗的应用可使高速动车组的运行更加节能。

参考文献：

1. 高暮琰，王宏雁．聚碳酸酯材料在轻质车身中的应用[J］．汽车工艺与材料，2010，2：46．

2．吴景诚．聚碳酸酯车窗技术开发现状及展望[J]．中国塑料信息，2002，72：72．

3．范存良．聚碳酸酯的生产与应用[J]．化工技术经济，2003，21(10)：11．

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作者简介：刘晓孟（1987-），男，河北邢台人，2015年毕业于河北工业大学机械工程专业，工学硕士，现从事于轨道交通设备设计开发工作。