高铁是一张亮丽的中国名片，随着全球城市化进程推进和国际贸易繁荣发展，高铁获得了高速发展。现阶段，应用于高铁车厢底板的碳素钢，不锈钢，铝合金等复合材料正面临着，减震隔音性能差、能耗高和不可再生等挑战。小小的竹子自古以来就是人类基本生产生活资料和文人墨客喜爱的对象，其自身特殊的竹材多尺度精巧结构具有优异的减振抑振性能。学习天然竹子独特结构，利用竹材，木材等可再生天然绿色材料制备减振降噪型高铁车厢底板，可成为高铁车厢底板用材的重要研发方向
近日，国际竹藤中心的科研人员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。研究团队受竹子刚-柔协同生物结构启发，提出了一种轻质减震型轨道交通车辆底板的层积结构设计策略，仿生制备出一种具有类似竹材壁层结构的复合材料，该复合材料兼有轻质减震、阻燃、耐疲劳和抗冲击等特点，其阻尼比、比模量以及冲击韧性分别为6.61%，13.03 GPa cm 3 g -1和14.16J/cm 2，未来可代替铝合金，碳素钢，塑料应用于轨道交通车辆的底板上。研究成果以“Bamboo-Inspired Renewable, Lightweight, and Vibration-Damping Laminated Structural Materials for the Floor of a Railroad Car”为题，发表在材料领域著名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。
【仿竹结构设计理念】
自然生物物质的制造过程是数十亿年进化和自然选择的结果，可以在室温完成结构形成过程，得到独特的微结构和优异的性能。竹材通过 “ 自下而上” 的组分-结构-功能一体化演化,形成从纳米到宏观尺度的多级结 构（三大素复合结构、细胞壁厚薄交替结构、维管束梯度结构、空隙结构、纤维-薄壁组织的串并联结构等）和多项界面过渡区（纤维-纤维、纤维-薄壁细胞、薄壁细胞-薄壁细胞之间的胞间层）,从而获 得了令人惊奇的强韧性能和阻尼性 能。受上述竹材精巧复合结构和多级界面的启发，研究者设计了一种“自上而下”简单有效的两步加工法，利用木单板和竹炭塑料板中的多尺寸天然空隙结构与废弃橡胶板的阻尼特性结合成功开发了一种轨道交通车辆底板用串联式可再生轻质阻尼减震复合材料。根据Q/CR 616-2017 《铁路客车及动车组用地板》，对其进行表面硬度，胶合性能，静态力学、动态冲击、模态振动和耐火性能等关键技术指标测试发现：复合材料具有良好的胶合强度，机械性能，减震抑震和阻燃性能。目前，WBLC已成功应用于中国中车集团株洲基地时速350km/h的高铁车厢底板上，未来可代替铝合金，碳素钢，塑料等不可再生资源，应用于各类轨道交通车辆上。
图1 轻质减震型WBLC仿生制备理念。
【复合材料的微观构造】
研究者分析了复合材料的微观结构，SEM显示出了表层竹炭塑板竹炭塑板与次表层桦木单板之间连续均匀的界面相，增加了胶合强度和整体力学性能。竹炭塑板自身的多孔的结构特征，有助于吸附动车车厢内的甲醛等有害气体。橡胶板中分布的大量的轻质多孔的橡胶颗粒，有助于增加其阻尼隔声性能. 利用X射线显微断层扫描技术，三维重构并提取复合材料的内部结构形貌特征。从正切面可以看出，复合材料内部存在大量结构不一的空隙。复合材料各层密度表现出从上到下密度呈逐渐减小的规律，亮度较高的表层（竹炭塑板）和第7层（橡胶板）密度较高,这样一种密度梯度分布结构有利于提升表层耐磨性能的同时提高结构整体的力学强度、刚度。
图.2 复合材料的结构与组成.
【复合材料的性能】
作者对复合材料的阻尼隔音性能，冲击韧性及阻燃性进行了分析表征。结果表明仿竹结构制备的复合材料前三阶阻尼比分别为：9.26%（1阶），4.85%（2阶）和5.73%（3阶），表现出较优异的阻尼性能。同时，作者发现，由于表层竹炭板的吸能耗能作用，复合材料的冲击力和冲击韧性达到了588.26N和14.16J/cm2。试样制备时，对复合材料表层进行了阻燃处理，复合材料的阻燃性能大幅度提升， 热释放速率最大峰值仅为243.34 kW/m2， 热释放总量为 239.76MJ /m2和159.32 MJ /m2。该复合材料优异的阻尼减振和阻燃性能，加之自身的轻质，可再生性能，因此在高铁车厢地板的上具有重要应用。
图3振动阻尼性能。
图4 冲击性能.
图5 试样的阻燃性。
总结：研究者受天然竹子多级梯度结构和多相复合界面的启发，设计了一种“自上而下”简单有效的方法，将速生人工林木材、废弃橡胶和竹材加工剩余物竹屑制备的竹炭塑料板复合成型，用于时速350km/h高铁车厢底板材料。WBLC具有轻质减震、阻燃耐候、抗冲击和耐疲劳等优势，可满足350km/h高铁车厢底板标准Q/CR 616-2017 《铁路客车及动车组用地板》规定的基本性能要求。该复合材料卓越的机械性能，和可持续性、资源丰富性和低成本等优势，可替代不可再生资源（塑料，钢铁）应用于现代轨道交通车厢底板，在资源、生态和经济方面优势显著。
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