碳纤维复合材料在轨道交通领域的应用

碳纤维复合材料在轨道交通领域的应用

孙磊明,李尧,孙爱军,徐金梁,秦晔,焦致东,孙成龙

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 260000

摘要：近些年，随着国内轨道交通行业的快速发展，轨道车辆轻量化的要求越来越高，碳纤维复合材料成为轨道交通行业下一步的重点研发方向。本文研究过程中首先阐述了碳纤维复合材料的技术优势，然后分析了碳纤维复合材料在轨道交通上的应用，最后探讨了碳纤维复合材料在轨道交通领域应用面临的问题与挑战。

关键词：轨道交通领域；碳纤维复合料；轻量化

近些年，随着轨道交通行业的迅速发展，轨道交通车辆的更新换代越来越快，人们对轨道交通车辆的综合要求也逐渐提高。同时，轨道交通运营商对轨道交通车辆也提出了更高的要求，即更低的能耗水平、更快的运行速度、更高的运载能力、更强的防护能力、更长的寿命周期以及便捷的维护保养等。而乘客对轨道交通车辆的要求则主要是良好的环境界面、舒适的乘坐感受和环保的制作过程等。因此，未来轨道交通装备将向轻量化、绿色、安全和高效方向发展。

一、碳纤维复合材料在轨道交通上的应用优势

长期以来，轨道交通基础设施在我国的经济发展和社会建设中贡献了巨大的力量。同时轨道交通基础设施也是我国交通运输体系的重要构成，与我国的长期发展息息相关。

碳纤维复合材料是根据人们的使用需要和相关设备的应用需要人为创造的材料，一般由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料构成碳纤维复合材料在轨道交通上的合理应用，能够有效地改善轨道交通的运行效果以及轨道交通运输体系的完善性，满足我国轨道交通基础设施的建设需求。

列车在轨道交通基础设施中占据着不可忽视的重要位置，而列车的制造效果则直接影响着列车的运行效果，碳纤维复合材料是将不同性质的原材料进行合理组合经过工艺处理后形成的人造新材料，其在列车制造上的应用，不仅能够有效地满足列车所需原材料的质量要求，还打破了传统列车制造材料的应用限制，保证了列车的运行安全。此外，碳纤维复合材料在列车制造上的应用还能够有效的降低列车运行过程中与运输轨道接触所产生的噪音，显著强化了乘客的体验感和舒适感。

碳纤维复合材料可以针对列车的不同运行需求和列车不同部位的材料使用需求进行合理配置，为列车内部的相关电子元件提供了优良的运行环境，进一步强化了车体外壳、车头罩的强度系数，避免了电磁干扰对列车运行造成的负面影响。碳纤维复合材料在轨道交通上应用优势的充分发挥，取决于碳纤维复合材料的原材料构成以及碳纤维复合材料的应用位置。

由于碳纤维复合材料的生产在原材料应用上具有较为广泛的选择性优势，因此，碳纤维复合材料在轨道交通中的应用，可以进一步实现成本的合理控制，有效地降低了国家交通基础设施建设过程中的成本控制压力和资金运行压力。

针对轨道交通基础设施的建设需求，主要将碳纤维碳纤维复合材料用于车体外壳、车头罩、转向架、设备舱以及其他零部件的生产和设计，相比传统生产过程中所应用的原材料和耗费的人力资源相比，碳纤维复合材料能够进一步实现成本的合理控制，降低了成本的消耗，因此，碳纤维复合材料在轨道交通中的应用是切实可行的。

二、碳纤维复合材料在轨道交通上的应用

车体结构是轨道机车重要的承载部件，其重量在整车中所占的比例较大，一般在15%~30%，因此要实现车辆的减重提速，就必须重点考虑车体结构的轻量化。目前铝合金仍然是车体轻量化的主要材料，随着车辆轻量化要求越来越高，复合材料尤其是碳纤维复合材料已成为下一步的重点研发方向。

目前，日本、法国、瑞士、韩国等国家都进行了复合材料车体的研制，其中韩国研发的车体相对比较成功。日本以下一代新干线车辆为对象，采用拉挤工艺试制了大断面碳纤车体曲面外板，并铆接在铝合金框架上，试制车体长度6 m；法国的TGV列车也进行了复合材料车体的研究，结构与日本类似，即采用将车体分段设计并连接在一起的方案。日本和法国的复材车体由于车体采用分段设计，连接位置刚度差，且难以满足振动的要求，因此最终均未投人商业运营。韩国TTX摆式列车于2010年成功投入商业化运营，是迄今最具代表性的轻量化列车。其车体外壳采用碳纤维蒙皮铝蜂窝夹芯结构，在夹芯结构中嵌入不锈钢长方形型材以改善车体的结构刚度，采用不锈钢底架以便于安装辅助设备。与老车型相比，TTX列车车体重量减轻约39%，重心下降约15%。

国内复合材料车体的研究比国外起步晚，前期主要集中于次承载结构如车头罩、设备舱等的研究，但近几年进步较快，中车青岛四方机车车辆股份有限公司（以下简称“四方股份”）和中车长春轨道客车股份有限公司都相继研发了碳纤维地铁车体。四方股份于2018年9月在德国柏林国际轨道交通技术展上正式发布了新一代碳纤维地铁车辆“CETROVO”，其车体如图1所示。CETROVO的车体、转向架构架、司机室、设备舱等均使用碳纤维复合材质制造，是迄今为止在轨道机车上大规模应用碳纤维复合材料的典范。目前，CETROVO已完成线路试验和运行示范，顺利通过验收。

图1CETROVO地铁列车碳纤维车体

综合目前碳纤维在轨道机车上的应用情况，虽然国内外在研发方面都取得了长足的进步，但离大规模工业化应用依然有一定的距离。

三、碳纤维复合材料在轨道交通领域应用面临的问题与挑战

（一）材料体系建设

材料体系和数据库是每个行业产品设计的基础，目前国内轨道交通领域尚未建立自己的材料体系和数据库，主要原因是轨道交通行业有自己的一套选材要求，一方面需要从现有材料中选择合适的纤维、织物、树脂及预浸料，还要根据要求去研发一些新的材料;另一方面需要建立并完善轨道交通行业的复合材料测试技术标准，只有这样才能逐步形成自己的复合材料体系。对复合材料企业而言，需要根据轨道交通行业的要求重新匹配材料或者研制新的材料系列体系，如阻燃环氧树脂体系、快速低温固化的树脂配方体系、大克重多轴向的纤维织物体系等，相关的材料性能数据、结构件性能验证数据都需要通过大量的测试来获得，数据需要不断积累和完善。这是一项持续性的基础工作，需要复合材料企业与轨道交通相关企业共同努力完成。

（二）车体成型工艺研究

车体是轨道机车最重要的部件，但轨道机车复材车体成型工艺的研究也是道难题。从国内外轨道机车复合材料车体部件的研发上看，有分片拉挤成型、湿法整体缠绕成型、分片预浸料真空/热压罐成型等几种工艺。目前国内轨道交通行业也尝试过多种成型工艺来生产复材车体样件，但考虑到复合材料车体技术的工业化应用，行业内对其生产工艺和技术还没有形成共识。结合目前国内的复材技术现状，建议在保证强度的基础上，结构采用分片成型、整体组装的技术路线;选材可采用碳纤维/玻璃纤维混杂铺层，以降低材料成本;成型工艺方面，预浸料/真空袋压工艺、真空灌注工艺和拉挤工艺可作为首选，但哪种工艺更为适合，需要进一步研究验证。

结论

碳纤维复合材料在国内轨道交通行业的产业化应用要有所突破，首先必须向风电行业学习，在设计理念上进行创新。同时轨道交通相关企业应直面在材料、设计和工艺等方面存在的问题和挑战，尽快建立本行业的材料体系和数据库以及复合材料结构功能一体化设计平台，并在复材车体成型工艺的选择验证上多做工作。

参考文献

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