碳纖維增強樹脂基復合材料在軌道交通車輛車體中的應用與思考

周偉旭

(中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春//教授級高級工程師)

車體是軌道交通車輛重要的承載結構，除必須滿足強度、剛度、模態及結構穩定性等要求外，還必須滿足日益提高的結構輕量化要求。碳纖維復合材料的應用為車體減重增能提供了新的思路，對推動軌道交通技術進步具有劃時代意義。

1 碳纖維增強復合材料的技術需求

隨著我國軌道交通車輛裝備制造業的快速發展，軌道交通車輛裝備制造技術亦在逐步提升，因此對車輛安全性、舒適性、節能減排、綠色環保、運營速度和載客能力等方面提出了更高的要求。車體結構是車輛的重要部件，其強度、剛度、疲勞壽命及耐腐蝕性直接關系到車輛的安全可靠性；車體的減振降噪性能與車輛乘坐舒適度密不可分；車體質量約占整車質量的25%～35%，車體輕量化是車輛輕量化的重點，是提高車輛運營速度、載客能力、節能減排的最直接、有效的途徑。高強輕質環保材料的應用為車體以上性能的提升提供了重要的解決方案。

目前，軌道交通車輛車體材料主要有鋁合金、不銹鋼和碳鋼，鋁合金車體存在應力腐蝕、外表處理困難、焊接要求高、疲勞強度低等問題；不銹鋼車體存在密封性差、局部屈曲、焊接變形等問題；碳鋼車體存在易腐蝕、不利于輕量化、焊接變形大等問題。傳統金屬材料應對進一步的挑戰顯得力不從心，碳纖維增強復合材料因其優異的特性受到廣泛關注,其中碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)是目前最受青睞的一種。

2 CFRP的技術優勢

CFRP具有比重小、強度高、耐疲勞、耐腐蝕、抗蠕變、熱膨脹系數小等優異特性，并且具有一材多能、一材多用的特點，已被廣泛應用于航空、航天、輪船、汽車、風電葉片、化工、機械、紡織、醫療器材以及文體用品等各個領域。對于軌道交通承載結構，CFRP能從以下幾方面滿足車體技術提升的需求：

(1)實現車體結構的輕量化。表1為CFRP與金屬材料的力學性能對比。由表1可以看出，CFRP具有密度小、比強度高、比模量高的力學特性，利用其輕質、高強度的特點可大幅度降低結構自重，從而提高車輛運載能力，以及降低能源消耗。

表1 CFRP與金屬材料的力學性能對比表

(2)提高乘客乘坐舒適性。CFRP的阻尼是普通金屬的10～100倍，其高阻尼特性可有效降低結構的振動，改善乘客的乘坐舒適性。表2為CFRP與金屬材料的導熱性能對比。由表2可以看出CFRP具有良好的隔熱性能，其不但可以提高車體的隔熱性能，還能減少車輛隔熱材料的使用量。CFRP還具有熱膨脹系數小、尺寸穩定性較好、抗磁、絕緣、隔音等多種優良性能，以上性能均能提高車輛舒適度。

表2 CFRP與金屬材料的導熱性能對比表

(3)提高車輛安全性。CFRP存在著不同的相與界面，這些不同的相與界面能夠有效阻止和改變裂紋擴展方向；CFRP基體中擁有大量獨立的纖維，每平方厘米的纖維少則幾千根，多至上萬根。從力學角度而言，CFRP屬于典型的靜不定體系。當構件超載并有少量纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配在未破壞的纖維上，這樣在短期內不會導致整個構件喪失承載能力，因此CFRP具有較高的疲勞強度極限。金屬材料的疲勞強度僅占拉伸強度的30%～50%；而復合材料，特別是纖維增強復合材料，其疲勞強度是拉伸強度的70%～80%，甚至更高。CFRP的樹脂具有良好的耐腐蝕性能，與纖維結合后，具有良好的水密性、氣密性及耐大氣腐蝕性能，其使用壽命超過了不銹鋼材料，保障了CFRP制件有較長的使用壽命。CFRP的比模量較高，因而具有較好的阻尼減振性能以及抗撞擊能力，其碰撞吸能能力達到了鋼的6～7倍、鋁的3～4倍，進一步保證了結構的安全性。

(4)提高產品的可設計性。CFRP性能多樣，其物理性能、化學性能、力學性能均可以通過合理選擇原材料的種類、配比、加工方法、纖維含量和鋪層方式進行設計。由于樹脂基體材料種類很多，其選材設計的自由度很大，這是傳統的各向同性材料(比如鋼、鋁)所不具備的。另外，CFRP可以實現一體化制造，其制品是由材料和結構同時完成，即通過合理的模具設計，把不同厚度的零件、凸起部分、筋和棱等全部一體成型。整體成型同時還能提高結構的完整性、氣密性和保溫性，以及提高車輛舒適度。

3 CFRP車體的應用現狀

為了進一步降低車體重量，提高車體性能，采用CFRP替代原有的鋁合金和鋼車體材料已成為各主機廠嘗試的方向。

20世紀90年代初，瑞士辛德勒車輛公司制造的以CFRP為主的整體式車體結構(見圖1)，在運行試驗中跑出了140 km/h的速度。該車體結構具有質量輕、舒適度好和安全性高等特點，但由于纏繞工藝復雜，難以實現量產。

圖1 瑞士辛德勒車體

2000年，法國國營鐵路公司(SNCF)采用CFRP研制出雙層TGV型車體(見圖2)，其相對鋁合金車體減重約25%，并且通過線路運行驗證了CFRP 在強度、沖擊、防火、降噪、隔熱等性能方面的優點和工業可行性。

圖2 法國TGV型車體

2007年，韓國鐵道科學研究院(KRRI)研制出運行速度為180 km/h的TTX型擺式列車車體(見圖3)，其采用不銹鋼增強骨架，側墻和車頂采用鋁蜂窩夾芯、CFRP蒙皮構成的三明治結構，車體總質量相對于不銹鋼結構降低了28%，且車體強度、疲勞強度、防火安全性、動態特性等性能良好，并于2010年投入商業化運營。

圖3 韓國TTX擺式車體

中車長春軌道客車股份有限公司(以下簡稱長客股份公司)研制的世界首輛全碳纖維復合材料地鐵車輛車體(見圖4)，采用CFRP夾芯結構，通過模塊化設計、一體成型技術設計而成，最高運行速度為100 km/h，較同類B型鋁合金地鐵車體減重35%。該車體滿足極限惡劣環境的使用要求，具有優良的力學性能、環保性能和防火性能。

圖4 長客股份公司研制的地鐵車輛車體

全碳纖維復合材料車體采用“靜力覆蓋疲勞”和“損傷無擴展”的設計理念，其設計和驗證過程均參照航空工業復合材料制件研發流程，并采用試樣、元件、細節件、組合件、全尺寸件等多層次的積木式設計驗證過程設計而成。

車體的主體材料采用碳纖維預浸料和蜂窩芯材，局部結構芯材采用泡沫芯材。為獲得材料力學性能，進行了不同鋪層、不同溫度、不同濕度和不同工藝的6 000多個樣件的測試和十余項材料性能測試。測試結果表明，所選材料各項性能均滿足地鐵車體的使用要求。

全碳纖維復合材料車體為薄壁筒形整體承載結構，主要尺寸如下：車體基本長度為19 000 mm，車體寬度為2 800 mm，車體頂面距軌面高度為3 478 mm。

車體結合復合材料成型工藝的特點，按模塊化設計思路，將傳統金屬車體的車頂和兩側側墻進行整合，整個車體分為U形車身、底架(含牽枕緩、邊梁和端梁)和端墻3個主要部件(見圖5)，充分發揮了復合材料可設計性強、整體化程度高等優勢。各大部件之間用抽釘或螺栓連接，并用密封膠密封。

圖5 全碳纖維復合材料車體結構

考慮到生產效率和經濟性，同時結合車體各部件的受力特點，車體主要選取低成本非熱壓罐成型工藝(OOA)，并且配合熱壓罐、拉擠和樹脂導入等工藝制造而成。

經強度計算分析、典型件試驗以及車體靜強度試驗，驗證了復合材料車體承載結構的可靠性，其滿足地鐵車體各項性能指標要求。同時，車體各項性能得到較大提升：車體質量較同類地鐵金屬車體減少約35%；車體抗疲勞和耐腐蝕性能得到提升，且使用壽命不低于30 a；車體隔熱性能優異，能承擔車輛防寒材一半以上性能；車體隔聲性能優異，達到車輛隔聲要求的70%以上；車體振動的固有頻率較同類金屬車體提高18%以上；車體尺寸精度和外觀質量優于傳統金屬車體。

4 對CFRP后續應用的思考

全碳纖維復合材料、大尺寸車體承載結構的成功研制，驗證了復合材料在軌道交通承載結構上應用的可行性。但是，復合材料在軌道車輛的應用尚處于起步階段，仍受成本、材料、設計、工藝等限制，尤其是成本問題，是制約其推廣應用的強大壁壘。持續快速發展CFRP技術，推進軌道交通復合材料車體的應用須從以下幾方面推進：

(1) 提高碳纖維生產能力和水平。目前，我國相關產業的發展離世界先進水平還有一定的差距，投入商用的CFRP大都來自國外。國內應加大相關產業的投資力度、更新技術水平、擴大生產能力，使相關產品質量盡快趕超世界先進水平。

(2) 深入開展CFRP基礎性研究。軌道車輛對材料的力學性能、環保性能、防火性能、抗沖擊性能、耐極端環境性能、耐老化性能、隔音隔熱性能、減振阻尼性能、電磁兼容性、生命周期環境友好性以及安全可靠性等都有特殊要求，開展滿足軌道車輛應用的材料性能研究，解決目前復合材料存在的防火、隔聲隔熱、抗沖擊性能局限性，可大大提高復合材料的應用廣度。

(3) 從簡化結構、集成設計、材料等三方面入手，深入開展復合材料結構設計研究。簡化結構不但能降低成本，還能提高生產效率、滿足批量快速生產的需要。在結構設計中，加強集成設計的理念，充分發揮復合材料可設計性強、易于整體成型的特點，比如將底架與地板集成，將車頂與通風道集成，以及將側墻與內裝材料集成等。集成設計能從整車層面降低車體質量，同時提高車體剛度，是復合材料車體研究的一個重點方向。復合材料品種多、方向性強，在結構設計中應根據實際需要來選擇材料，通過優化層板中各鋪層的鋪設角、層數比(層板中具有相同鋪設角的鋪層數占總層敷的比例)和鋪疊順序，設計出具有不同強度以及彎、扭剛度要求的層合板，增加了設計的自由度，提高了結構性價比。設計時還可以考慮多種材料混合使用，比如次承力結構采用碳纖/玻纖混雜設計，主承力結構如牽枕緩、邊梁等采用碳纖維材料，做到結構和材料合理匹配，盡可能地降低原材料成本。

(4) 加強復合材料結構成型工藝的優化研究。目前，應用于軌道車輛承載結構的復合材料中，CFRP是比較受關注的一類材料，但其制造成本高、生產周期長，制約了該材料的推廣應用。如果能將成型工藝和材料研究結合起來，在不降低產品性能的前提下，優化出更適合軌道車輛結構的低成本、高效率的成型工藝，在自動鋪帶、集成自動生產等方面實現更新換代，滿足批量生產的需要，那么低成本、自動化的生產工藝必將推動復合材料在軌道交通行業的應用。

(5) 逐步建立適用于軌道交通行業的復合材料標準體系，包括設計標準、材料評價標準、計算驗證標準、生產工藝標準、質量檢測標準和運用維護標準等，使復合材料在軌道交通領域的應用有據可依、規范化、系統化，從而促進軌道交通行業的節能減排和綠色轉型升級。

5 結語

CFRP在軌道交通車輛車體上的推廣應用是復合材料行業的一大機遇和挑戰，雖然目前受制造成本、成型工藝、生產效率等方面的制約，難以在短期內實現批量生產，但是全碳纖維復合材料地鐵車輛車體的成功研制經驗為后續軌道交通復合材料承載結構的研究奠定了基礎。隨著新材料、新技術日新月異的進步，相信在不久的將來，中國將迎來軌道交通車輛車體新材料應用的又一次變革。