碳纖維材料在高速列車的應用前景

楊波　劉煥軍　劉云溥

摘 要：近十年來，我國高速列車蓬勃發展，高速列車技術已達到甚至超過國際先進水平。然而，要始終占據高速列車技術制高點，仍需加大高速列車技術的研發和應用。對此，從碳纖維材料的主要性能方面探討其在高速列車上的應用和前景。

關鍵詞：高速；列車；碳纖維；材料

中圖分類號：U270.4；TB334 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）10-0104-02

碳纖維是由有機纖維經碳化和石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結構類似人造石墨，是亂層石墨結構。碳纖維是指含碳量高于90%的無機高分子纖維，具有輕質、高強、耐高溫、耐疲勞、抗腐蝕、導熱和導電等特性，是一種力學性能優異的新材料。碳纖維除了應用在航空航天等高技術領域外，還可用在文體用品、紡織機械、醫療器械生物工程和運輸車輛等方面。目前，碳纖維材料在高速列車上的應用還有一定的局限性，大多數產品仍處于研究開發階段，僅部分產品得到實際應用，因此，應用前景非常廣泛。

1 碳纖維材料的主要性能

要利用碳纖維材料，就需要先認識碳纖維的特性，以便在生產實際中更好地應用這種新材料。碳纖維的主要特性（見表1）主要有以下幾點：①碳纖維的強度高，其抗拉強度可以達到3 000～4 000 MPa，比鋼大4倍多，比鋁高6～7倍。②彈性模量高。其彈性模量在230 GPa以上。③密度小，比強度高。碳纖維的質量是鋼的1/4，是鋁合金的1/2；比強度比鋼大16倍，比鋁合金大12倍。④能耐超高溫。碳纖維可在2 000 ℃下使用，在3 000 ℃非氧化氣氛的高溫下不融化、不軟化。⑤耐低溫性能好。在-180 ℃低溫下，鋼鐵會變得比玻璃脆，而碳纖維依舊很柔軟。⑥耐酸、耐油、耐腐蝕性能好。能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸、苯和丙酮等介質侵蝕。將碳纖維放在質量分數為50%的鹽酸、硫酸和磷酸中，200 d后其彈性模量、強度和直徑基本沒有變化；在質量分數為50%的硝酸中只是稍有膨脹，其耐腐蝕性能超過黃金和鉑金。⑦熱膨脹系數小，導熱系數大。可以耐急冷急熱，即使從3 000 ℃的高溫突然降到室溫也不發生炸裂。⑧防原子輻射，能使中子減速。⑨導電性性能好（5～17μΩm）。⑩軸向抗剪切模量較低，斷裂延伸率小，耐沖擊差，且后加工較為困難。

2 列車輕量化的意義

列車輕量化主要從軸重、能耗和制動三個方面考慮，列車

速度越高，對軌道的沖擊力越大。因此，速度大于120 km/h的車輛的軸重要隨速度級的增加而減少。軸重過重，輕者則使鋼軌過度磨耗和損傷，增加線路維修工作量；重者則損壞線路，釀成重大事故。高速列車的運行速度大于250 km/h時，對軌道的沖擊力比普通列車沖擊要大得多。高速列車運行靠消耗電能來實現，列車運行除具備一定的動力外，還必須克服包括機械摩擦力和空氣阻力在內的運行阻力。高速列車的運行速度大于250 km/h時，需要的動能是現有列車的4倍多，要克服的阻力是現有列車的10～30倍。高速列車的巨大動能在制動停車的短時間消散，也是一個困難的技術問題，一般高速列車采用再生制動和盤型制動結合的方式，對盤型制動的制動盤和閘片的能力要求十分苛刻。列車輕量化對減輕高速列車自重，減少線路損害、減少動力消耗、節約能源，減少制動系統的負擔具有重大意義。

3 國內高速列車應用現狀

3.1 高速列車車頭

高速列車在高速行駛中，所受到的空氣阻力占列車總阻力很大一部分，而且隨著列車的速度提高而急劇增加。例如國內常見的以250 km/h的速度運行的高速列車，其空氣阻力超過列車運行總阻力的50%.為了實現高速鐵路的安全、舒適、低能耗且滿足環境保護的要求，必須對列車車頭進行深入而細致的研究，以期最大程度地降低車輛的氣動阻力、氣動升力和側風效應等，達到降低能耗和增加列車運行穩定性的目的。

高速列車行駛中，車頭最高正壓集中在車最前端迎風面，車頭設計隨著車頭長度增加，外流場的氣流附著在車頭表面流動，隨著流線型線條趨于平緩、車頭橫截面變化梯度變小，則邊界層隨之加長，邊界層分離點后移，分離區域減小使得氣流分離較為順暢平緩，列車的最大壓力隨著減低。即使如此，高速列車車頭最高正壓也達到3 000 Pa。碳纖維車頭前端頭蓋（如圖1所示）可以很好地承受列車最前端的最大正壓和最大負壓，避免列車因正壓和負壓而失效，提高高速列車的空氣動力性能。

碳纖維車頭導流板對提高列車的空氣動力性能有重要影響：一方面，可以減少空氣的擾動，使湍流動能對車身底面的沖擊降到最低，同時減少氣流進入車底，縮小車頂與車底的空氣壓力差，增加車輛行駛穩定性；另一方面，它可以使迎面而來的氣流平緩分離，最大程度地降低迎風面的壓差阻力作用。

3.2 高速列車鉤緩裝置

高速列車的鉤緩裝置作為列車縱向力的關鍵部件之一，在列車的安全運行中起著至關重要的作用。列車不同車輛間的縱向力均由鉤緩裝置傳遞，鉤緩裝置不但能夠在列車運行過程中吸收車輛之間的縱向沖擊力，提高列車運行舒適性；而且鉤緩裝置中的吸能裝置還能在列車發生碰撞的情況下保護車體，避免乘客受傷。

目前，國內高速列車車鉤的主要承力件均為鋼結構，其中主要包括焊接鉤體、車鉤安裝座（板）和車鉤緩沖器的主要結構件等，國內高速列車車鉤重量均在500 kg以上。以國內某高速車車鉤安裝板為例，僅安裝板就超過100 kg，導致車鉤的安裝和起吊非常不方便。將碳纖維材料引入鉤緩裝置中，就會極大減少鉤緩裝置的重量，這不但可以整體減輕列車的重量，而且對車鉤的使用、安裝和檢修都具有重大意義。

3.3 高速列車制動裝置

隨著列車運行速度的提高，高速列車對制動系統的要求也越來越高。從能量守恒考慮，列車的動能與其運動速度的平方成正比，列車所具備的制動功率也應與最高速度的平方成正比。從黏著利用和防滑考慮，高速列車必須具備高性能防滑裝置，來確保行車安全；為了提高乘坐舒適度，對制動力控制精度有較高的要求。

列車制動方式來說，踏面制動是最常用的一種制動方式。而從高速列車制動系統來看，踏面制動由于其缺陷性很少被采用，目前盤形制動是高速列車最終實現停車的基礎制動方式，它在制動功率、減少車輪踏面熱傷害等方面具有踏面制動所沒有的優越性。長期以來，基礎制動裝置采用的主要材料是鑄鐵材料。國內經純凈化處理、優化鍛造等制成的制動盤，具有良好的綜合性能和優異的抗熱疲勞性，可在高速列車上采用。但其與碳纖維復合材料相比，碳纖維復合材料的性能要遠遠好于鑄鐵材料，并符合高速列車輕量化發展的要求，國內外對其進行了大力的研究和開發，得到了一定的應用。

與鑄鐵材料相比，碳纖維復合材料制動盤具有以下主要特點：①根據工藝，使摩擦系數曲線與黏著系數曲線獲得較好的吻合，摩擦系數大且對速度的改變不太敏感。②耐磨，壽命一般在鑄鐵閘瓦的4倍以上；制動時，無火花；重量大大減少，對線路和車輛沖擊減少；磨耗少。

4 未來應用方向及前景

目前，國內關于碳纖維材料在高速列車上的應用還較少，大多數研究項目還處于試驗階段，技術成熟且可以使用的較少，急需投入較大的力量進行研究和開發。想讓我國高速列車的技術始終占據國際市場，關鍵是對新材料（碳纖維等）在車體、轉向架等承力結構的研究和開發，搶占技術制高點，為以后的發展打下堅實的基礎。

高速列車上車體材料以高強度鋁合金為主。鋁合金材料具有良好的強度、疲勞性能、抗裂紋能力、良好的表面處理能力和抗腐蝕能力，撞擊時不會產生火花，有較好的吸收沖擊能力和吸音能力。它的優勢使其在高速列車上得到廣泛運用。此外，鋁合金還具有焊接性能較差、耐磨性能差、彈性模量小和應用溫度較低等缺點。列車速度越高，它的缺點對列車的整體性能影響就較大。用復合材料和碳纖維材料來代替鋁合金材料，可以進一步提高列車高速行駛的車體穩定性和安全性，因此，對鋁合金材料的代替具有廣闊的研究前景。

轉向架技術直接制約著高速列車的性能，車輛受到的各種載荷、作用力的承載和傳遞都通過轉向架來實現。轉向架的結構和性能較好，能夠緩和車輛與線路之間的相互作用，減小振動、沖擊和動應力，提高車輛運行平穩性和安全性。碳纖維材料性能的優越，對于轉向架的輕量化、結構強度等有著重要的意義。由于轉向架的受力復雜、影響因素較多，目前碳纖維材料在轉向架的研究和應用還不夠深入，未來該方面還需加強。

5 結束語

碳纖維在高速列車上的應用有著廣闊的前景，目前主要在材料成本和生產設計兩方面制約著它在高速列車上的應用。

材料成本方面。碳纖維增強復合材料所用的纖維和基體材料價格高，是該材料在工業廣泛使用最大的障礙。生產碳纖維的原絲——聚丙烯晴絲較貴，美國正在研究以紡織商品級的聚丙烯晴絲為原絲，并能夠快速生產廉價碳纖維的工藝，可望將碳纖維的價格降至3美元/磅。同時，缺乏大批量、高生產效率的碳纖維復合材料高速列車零部件的生產方法。

生產設計方面。探索能夠生產多種形狀和性能的高速列車零部件工藝方法，研究發展高效、低成本的碳纖維增強復合材料零件生產工藝，具有重大意義。此外，碳纖維增強復合材料高速列車零件的設計數據、試驗方法、分析工具和碰撞模型等尚不完善。

參考文獻

[1]張鵬.碳纖維的應用及市場[J].新材料產業，2001（12）.

[2]陳光大.碳纖維的應用前景[J].中國投資，2002（03）.

[3]蘇小萍.碳纖維增強復合材料的應用現狀[J].高科技纖維與應用，2004（05）.

[4]呂立斌，荀勇.碳纖維及其復合材料性能與應用[J].山東紡織科技，2004（06）.

〔編輯：李玨〕

列車制動方式來說，踏面制動是最常用的一種制動方式。而從高速列車制動系統來看，踏面制動由于其缺陷性很少被采用，目前盤形制動是高速列車最終實現停車的基礎制動方式，它在制動功率、減少車輪踏面熱傷害等方面具有踏面制動所沒有的優越性。長期以來，基礎制動裝置采用的主要材料是鑄鐵材料。國內經純凈化處理、優化鍛造等制成的制動盤，具有良好的綜合性能和優異的抗熱疲勞性，可在高速列車上采用。但其與碳纖維復合材料相比，碳纖維復合材料的性能要遠遠好于鑄鐵材料，并符合高速列車輕量化發展的要求，國內外對其進行了大力的研究和開發，得到了一定的應用。

與鑄鐵材料相比，碳纖維復合材料制動盤具有以下主要特點：①根據工藝，使摩擦系數曲線與黏著系數曲線獲得較好的吻合，摩擦系數大且對速度的改變不太敏感。②耐磨，壽命一般在鑄鐵閘瓦的4倍以上；制動時，無火花；重量大大減少，對線路和車輛沖擊減少；磨耗少。

4 未來應用方向及前景

目前，國內關于碳纖維材料在高速列車上的應用還較少，大多數研究項目還處于試驗階段，技術成熟且可以使用的較少，急需投入較大的力量進行研究和開發。想讓我國高速列車的技術始終占據國際市場，關鍵是對新材料（碳纖維等）在車體、轉向架等承力結構的研究和開發，搶占技術制高點，為以后的發展打下堅實的基礎。

高速列車上車體材料以高強度鋁合金為主。鋁合金材料具有良好的強度、疲勞性能、抗裂紋能力、良好的表面處理能力和抗腐蝕能力，撞擊時不會產生火花，有較好的吸收沖擊能力和吸音能力。它的優勢使其在高速列車上得到廣泛運用。此外，鋁合金還具有焊接性能較差、耐磨性能差、彈性模量小和應用溫度較低等缺點。列車速度越高，它的缺點對列車的整體性能影響就較大。用復合材料和碳纖維材料來代替鋁合金材料，可以進一步提高列車高速行駛的車體穩定性和安全性，因此，對鋁合金材料的代替具有廣闊的研究前景。

轉向架技術直接制約著高速列車的性能，車輛受到的各種載荷、作用力的承載和傳遞都通過轉向架來實現。轉向架的結構和性能較好，能夠緩和車輛與線路之間的相互作用，減小振動、沖擊和動應力，提高車輛運行平穩性和安全性。碳纖維材料性能的優越，對于轉向架的輕量化、結構強度等有著重要的意義。由于轉向架的受力復雜、影響因素較多，目前碳纖維材料在轉向架的研究和應用還不夠深入，未來該方面還需加強。

5 結束語

碳纖維在高速列車上的應用有著廣闊的前景，目前主要在材料成本和生產設計兩方面制約著它在高速列車上的應用。

材料成本方面。碳纖維增強復合材料所用的纖維和基體材料價格高，是該材料在工業廣泛使用最大的障礙。生產碳纖維的原絲——聚丙烯晴絲較貴，美國正在研究以紡織商品級的聚丙烯晴絲為原絲，并能夠快速生產廉價碳纖維的工藝，可望將碳纖維的價格降至3美元/磅。同時，缺乏大批量、高生產效率的碳纖維復合材料高速列車零部件的生產方法。

生產設計方面。探索能夠生產多種形狀和性能的高速列車零部件工藝方法，研究發展高效、低成本的碳纖維增強復合材料零件生產工藝，具有重大意義。此外，碳纖維增強復合材料高速列車零件的設計數據、試驗方法、分析工具和碰撞模型等尚不完善。

參考文獻

[1]張鵬.碳纖維的應用及市場[J].新材料產業，2001（12）.

[2]陳光大.碳纖維的應用前景[J].中國投資，2002（03）.

[3]蘇小萍.碳纖維增強復合材料的應用現狀[J].高科技纖維與應用，2004（05）.

[4]呂立斌，荀勇.碳纖維及其復合材料性能與應用[J].山東紡織科技，2004（06）.

〔編輯：李玨〕

列車制動方式來說，踏面制動是最常用的一種制動方式。而從高速列車制動系統來看，踏面制動由于其缺陷性很少被采用，目前盤形制動是高速列車最終實現停車的基礎制動方式，它在制動功率、減少車輪踏面熱傷害等方面具有踏面制動所沒有的優越性。長期以來，基礎制動裝置采用的主要材料是鑄鐵材料。國內經純凈化處理、優化鍛造等制成的制動盤，具有良好的綜合性能和優異的抗熱疲勞性，可在高速列車上采用。但其與碳纖維復合材料相比，碳纖維復合材料的性能要遠遠好于鑄鐵材料，并符合高速列車輕量化發展的要求，國內外對其進行了大力的研究和開發，得到了一定的應用。

與鑄鐵材料相比，碳纖維復合材料制動盤具有以下主要特點：①根據工藝，使摩擦系數曲線與黏著系數曲線獲得較好的吻合，摩擦系數大且對速度的改變不太敏感。②耐磨，壽命一般在鑄鐵閘瓦的4倍以上；制動時，無火花；重量大大減少，對線路和車輛沖擊減少；磨耗少。

4 未來應用方向及前景

目前，國內關于碳纖維材料在高速列車上的應用還較少，大多數研究項目還處于試驗階段，技術成熟且可以使用的較少，急需投入較大的力量進行研究和開發。想讓我國高速列車的技術始終占據國際市場，關鍵是對新材料（碳纖維等）在車體、轉向架等承力結構的研究和開發，搶占技術制高點，為以后的發展打下堅實的基礎。

高速列車上車體材料以高強度鋁合金為主。鋁合金材料具有良好的強度、疲勞性能、抗裂紋能力、良好的表面處理能力和抗腐蝕能力，撞擊時不會產生火花，有較好的吸收沖擊能力和吸音能力。它的優勢使其在高速列車上得到廣泛運用。此外，鋁合金還具有焊接性能較差、耐磨性能差、彈性模量小和應用溫度較低等缺點。列車速度越高，它的缺點對列車的整體性能影響就較大。用復合材料和碳纖維材料來代替鋁合金材料，可以進一步提高列車高速行駛的車體穩定性和安全性，因此，對鋁合金材料的代替具有廣闊的研究前景。

轉向架技術直接制約著高速列車的性能，車輛受到的各種載荷、作用力的承載和傳遞都通過轉向架來實現。轉向架的結構和性能較好，能夠緩和車輛與線路之間的相互作用，減小振動、沖擊和動應力，提高車輛運行平穩性和安全性。碳纖維材料性能的優越，對于轉向架的輕量化、結構強度等有著重要的意義。由于轉向架的受力復雜、影響因素較多，目前碳纖維材料在轉向架的研究和應用還不夠深入，未來該方面還需加強。

5 結束語

碳纖維在高速列車上的應用有著廣闊的前景，目前主要在材料成本和生產設計兩方面制約著它在高速列車上的應用。

材料成本方面。碳纖維增強復合材料所用的纖維和基體材料價格高，是該材料在工業廣泛使用最大的障礙。生產碳纖維的原絲——聚丙烯晴絲較貴，美國正在研究以紡織商品級的聚丙烯晴絲為原絲，并能夠快速生產廉價碳纖維的工藝，可望將碳纖維的價格降至3美元/磅。同時，缺乏大批量、高生產效率的碳纖維復合材料高速列車零部件的生產方法。

生產設計方面。探索能夠生產多種形狀和性能的高速列車零部件工藝方法，研究發展高效、低成本的碳纖維增強復合材料零件生產工藝，具有重大意義。此外，碳纖維增強復合材料高速列車零件的設計數據、試驗方法、分析工具和碰撞模型等尚不完善。

參考文獻

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[2]陳光大.碳纖維的應用前景[J].中國投資，2002（03）.

[3]蘇小萍.碳纖維增強復合材料的應用現狀[J].高科技纖維與應用，2004（05）.

[4]呂立斌，荀勇.碳纖維及其復合材料性能與應用[J].山東紡織科技，2004（06）.

〔編輯：李玨〕