Komposit serat telah menjadi bahan kunci yang sangat diperlukan di bidang angkutan kereta api

Dalam beberapa tahun terakhir, dengan pesatnya perkembangan industri transportasi kereta api, semakin banyak penelitian tentang material baru untuk kendaraan kereta api, dan proporsi material baru semakin besar. Di antara mereka, penelitian dan penerapan bahan komposit serat adalah yang paling menonjol. Ini karena bahan komposit serat dapat didasarkan pada persyaratan desain, melalui pemilihan bahan matriks dan penguat yang berbeda, proporsi penyebaran yang berbeda, dan penggunaan proses pembentukan yang berbeda, yang dapat diperoleh dengan sifat komprehensif yang berbeda dari bahan baru, seperti insulasi panas yang baik, ketahanan korosi, ketahanan aus, modulus spesifik tinggi, kekuatan spesifik tinggi, dan sifat lainnya, karakteristik ini tidak dapat memenuhi bahan tunggal tradisional.

Dalam desain kendaraan rel, material komposit telah banyak digunakan di bagian dalam kendaraan, dan peralatan internal serta bagian lain dari struktur beban juga telah digunakan sampai batas tertentu. Bagian struktural yang terbuat dari bahan komposit memiliki keunggulan kekuatan tinggi, ringan, dan kekakuan tinggi. Proses manufaktur biasanya mengadopsi teknologi pembentukan hampir final, yang tidak memerlukan pemrosesan lebih lanjut dan dapat sangat mengurangi biaya produksi. Penerapan material komposit juga dapat secara efektif meningkatkan kenyamanan dan keamanan kendaraan kereta api, mengurangi getaran dan kebisingan, serta mengurangi berat badan. Komposit serat telah menjadi bahan kunci yang sangat diperlukan di bidang angkutan kereta api.

Modulus spesifik dan kekuatan komposit serat karbon adalah yang tertinggi di antara bahan yang biasa digunakan, dan memiliki keunggulan yang jelas dalam kekuatan, kekakuan, dan toksisitas asap. Bahan FRP baru memiliki kinerja yang baik sebagai penghambat api dan insulasi suara. Dan material komposit aramid memiliki ketahanan api, kekuatan tinggi, ketahanan suhu tinggi, tingkat insulasi tinggi, ketahanan kelembaban, dan ketahanan korosi, sifat fisik dan kimia yang stabil. Semua jenis material komposit memiliki karakteristik yang berbeda dan digunakan di berbagai bagian utama kendaraan rel.

2.1 Sifat mekanik yang baik

Bahan komposit mewujudkan kinerja komprehensif dari bahan matriks dan bahan penguat, dengan kekuatan tinggi, ringan, kekakuan besar, pengurangan getaran dan kebisingan, ketahanan lelah, insulasi panas, dan kinerja luar biasa lainnya, untuk desain ringan kendaraan, meningkatkan keselamatan dan kenyamanan kendaraan sangat penting.

2.2 Memenuhi persyaratan pengembangan ringan kendaraan kereta api

Dalam beberapa tahun terakhir, kecepatan pengoperasian kendaraan angkutan kereta api semakin tinggi, yang mengharuskan kendaraan kereta api untuk mencapai desain yang ringan tanpa mengurangi kinerja keselamatan. Material komposit adalah skema yang paling efektif untuk kendaraan rel.

2.3 Dapat mengurangi biaya

Dengan peningkatan kecepatan pengoperasian angkutan kereta api, masyarakat semakin memperhatikan biaya pemeliharaan dan biaya operasional dengan tetap memperhatikan keamanan dan kenyamanan kendaraan. Meskipun investasi awal dalam industri angkutan kereta api besar, biaya keseluruhan kendaraan yang menggunakan material komposit jauh lebih tinggi daripada material biasa, terutama karena penelitian dan pengembangan material baru dan proses baru pasti membutuhkan investasi besar. Namun, siklus operasi angkutan kereta api panjang. Dari perspektif seluruh siklus hidup kendaraan, di satu sisi, kendaraan ringan dapat secara efektif mengurangi konsumsi energi kendaraan dan mengurangi biaya pengoperasian. Di sisi lain, ketahanan getaran, ketahanan lelah, ketahanan korosi, toleransi kerusakan, dan penyerapan energi tumbukan material komposit lebih baik daripada material logam biasa, sehingga siklus perawatan kendaraan dapat diperpanjang, dan biaya perawatan dapat menjadi sangat berkurang. Oleh karena itu, dalam jangka panjang, material komposit dapat secara efektif mengurangi biaya siklus hidup kendaraan.

2.4 Memiliki desain yang kuat

Modulus spesifik tinggi dan kekuatan spesifik tinggi adalah karakteristik yang paling menonjol dari bahan komposit serat, dan sifat mekaniknya dapat bervariasi dalam rentang yang luas. Oleh karena itu, melalui pemilihan matrik komposit dan perkuatan serta mengubah proses pembentukan material, berbagai persyaratan desain dapat dipenuhi. Misalnya, kekuatan tarik serat kaca bisa mencapai 3500MPa dan modulus elastisitasnya 70GPa. Kekuatan tarik serat karbon modulus tinggi dapat mencapai 3900MPa dan modulus elastisnya adalah 600GPa. Telah dipelajari melalui eksperimen bahwa struktur pelapisan terbaik dapat ditemukan sesuai dengan persyaratan desain dalam proses pembentukan bagian struktural dengan mengubah material komposit dengan sifat material matriks yang sangat berbeda.

2.5 Keandalan dan keamanan yang baik

Faktor terpenting yang mempengaruhi keamanan bagian struktural adalah ketahanan lelah dan sensitivitas takik material. Sebelumnya, komposit telah banyak digunakan di bidang dengan tekanan tinggi seperti dirgantara, justru karena ketahanan lelahnya yang sangat baik dan sensitivitas takik yang rendah.

Meskipun bahan logam biasa memiliki kekuatan statis yang tinggi, kekuatannya menurun secara signifikan di bawah kondisi getaran yang parah. Misalnya, bagian struktur material logam memiliki celah pada titik tertentu. Di bawah getaran dan benturan (beban variabel), cacat akan menyebar dengan cepat hingga bagian struktural rusak. Namun, perbedaan antara kekuatan statis dan kekuatan getaran material komposit hampir nol. Bahkan jika bagian struktural berlekuk, tegangan pada material akan dipindahkan ke lapisan yang berdekatan dan tidak akan hancur karena beban variabel jangka panjang. Ini adalah salah satu alasan mengapa bagian komposit memiliki umur yang lebih lama daripada bagian logam.

3.1 Komposit serat karbon

Meski penelitian dan penerapan bahan serat karbon dimulai terlambat di China, teknologinya telah berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir, terutama di bidang lalu lintas kendaraan. Misalnya, CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Co., Ltd. menggunakan bahan serat karbon dalam desain kabin peralatan kereta peluru. Ketahanan benturan, ketahanan korosi, dan sifat mekanis kendaraan dijamin, dan bobot kabin peralatan sekitar 35 persen lebih rendah daripada bahan paduan aluminium.

3.2 Bahan komposit serat kaca

Dengan pengurangan kebisingan yang sangat baik dan sifat tahan api, kekuatan mekanik dan kinerja rasio kekakuan lebih luar biasa. Oleh karena itu, sering digunakan pada jok kendaraan rel, penutup kepala kabin pengemudi, dan bagian lainnya.

3.3 Komposit serat aramid

Dibandingkan dengan bahan logam tradisional, komposit aramid memiliki sifat yang sangat baik seperti tahan api, kekuatan tinggi, tingkat insulasi tinggi, tahan lembab dan tahan korosi, serta sifat fisik dan kimia yang stabil. Mereka sepenuhnya digunakan di motor, transformator, dan posisi lainnya, dan dapat memainkan peran yang baik dalam pengurangan berat isolasi.

Penerapan material komposit pada kendaraan rel akan semakin luas, terutama pada struktur bodi kendaraan yang memiliki prospek aplikasi yang baik.