碳纖維復合材料在軌道交通車輛上的應用

唐 波

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

隨著軌道交通車輛裝備技術突飛猛進的發展，輕量化、節能環保已成為軌道交通車輛發展的趨勢。這對車輛車體、轉向架、內裝等提出更高的要求和目標。一般減重設計可通過三個維度實現：結構優化設計、采用先進制造工藝和新型輕量化材料[5]。因此，開發一種滿足輕量化需求、機械性能優越、適合批量化生產的材料尤為重要。

1.碳纖維復合材料在軌道交通車輛的應用優勢

碳纖維復合材料在眾多輕量化材料中具有較高的比強度、比剛性，輕量化效果明顯，在航空航天、軍工產品中應用廣泛。比不銹鋼輕50%，比鋁合金輕30%。

表1 纖維復合材料與其他材料的性能對比

碳纖維復合材料由纖維和樹脂共同決定，兩者相互配合、取長補短、發揮各自優勢。增強材料的力學性能（承擔70-90%載荷），材料的硬度、熱穩定性、強度等性能由碳纖維來分擔。復合材料其他性能，如電學性能由碳纖維來承擔；樹脂是粘結纖維的作用，樹脂熔融之后把纖維粘合在一起，并將載荷傳給纖維，提供一定的剛性。提高材料沖擊強度，增強復合材料韌性。保護纖維不受化學侵蝕、機械破壞，影響材料破壞模式。與其他材料相比，碳纖維具有如下特性[1]：比強度、比模量高；密度小，強度高；抗疲勞特性好；抗震性能好；可設計性強；高溫性能好；成型性好。碳纖維復合材料的特性說明了它在軌道車輛中具有重要的應用優勢。

2.碳纖維復合材料在軌道交通車輛上的應用情況

目前碳纖維復合材料已經在軌道車輛中取得一些應用成就。目前為止，比較成功的案例是2000 年法國的雙層TGV 掛車，以及韓國的TTX 擺式列車[10]。TTX 擺式列車車體外殼采用碳纖維復合材料蒙皮和鋁夾芯結構。這樣的設計使車體重量降低了40%[4]。

目前我國在軌道車輛在碳纖維復合材料的應用上也取得了不小的成果。2011 年，研發的碳纖維復合材料車頭罩應用于時速500km/h 高速試驗車，抗沖擊性能和力學性能優良。2013 年，研發城際動車組碳纖維設備艙裙板，較鋁合金裙板減重大于30%，裝車試運行時各項性能優異。2015 年，研發的中國標準動車組碳纖維復合材料設備艙，較鋁合金減重35%，完成各項型式試驗及60 萬公里運營考核，最高試驗時速420km/h，分解檢查狀態良好。

2015 年9 月，依托科技部“十二五”國家科技支撐計劃《下一代城市軌道交通列車關鍵技術及裝備研制》項目，聯合實施基于碳纖維復合材料的下一代地鐵列車的車體、司機室、設備艙及轉向架構架等關鍵部件研制。

司機室：外罩、內裝、臺柜一體化設計、一體化承載，最大限度減少零部件數量；在保證高強度、高質量、高防火性能的同時，實現減重30%以上。

車體：采用分體式模塊化設計，靈活、高效生產及過程質量控制，較傳統金屬車體減重30%；側墻及地板使用碳纖維三明治夾芯結構，在實現優良的隔熱、隔聲性能的同時實現輕量化目標；首次實現高壁厚復雜截面碳纖維復合材料超長型材的自動化生產，實現復合材料在地鐵列車車體主承載結構的應用突破。

設備艙：采用模塊化設計方法，單件或分模塊拆裝，使用抽拉式底板和折頁式裙板，便于組裝、維護；碳纖維復合材料使用比例超90%；邊梁使用高效、可靠的自動化拉擠成型技術，纖維含量高，性能優異；較傳統金屬結構減重30%以上。

轉向架構架：分體式模塊化結構設計；橫梁采用自動化濕法纏繞工藝，成型質量好、效率高；縱梁采用干纖維自動編織技術預成型+熱壓罐高溫高壓固化，首次實現厚壁、空腔、變截面大型復合材料結構的自動化生產，效率高、性能好。構架總體減重40%以上。

在下一代地鐵上研發成果，開展時速600 公里磁浮列車和高速動車組司機室、車體、懸浮架/轉向架構架等部件設計與成型工藝研究，重點圍繞材料選型、鋪層設計、仿真優化、工藝制造、檢測技術、試驗驗證技術，突破結構連接、電性能、耐久性等相關技術。在現階段及后續工作中，我們將研制高速磁浮列車車體、司機室和懸浮架一套，較鋁合金減重30%以上，壽命延長5 年以上，綜合性能滿足高速磁浮列車強度、撞擊和振動等要求；研制高速動車組車體、轉向架各一套；滿足高速動車車體和轉向架構架強度、撞擊和振動等要求；車體減重20%、構架減重40%。

碳纖維復合材料內飾件的研制。如：碳纖維復合材料在乘客座椅上的應用，重量只有傳統座椅結構的一半左右，但其強度比傳統座椅結構強度更高[3]。600 公里磁浮列車內飾板采用了碳纖維復合材料。主要應用于客室頂板、窗口墻板、窗下墻板這三個主要部位。選用的東麗T700 碳纖維/FR-11 樹脂預浸料和PET-100 泡沫形成三明治夾芯結構。有足夠的力學性能，可以滿足環保、防火等性能要求，且在軌道交通產品中已經有較成熟的應用經驗。相信隨著對碳纖維復合材料的深入研究，將有更多碳纖維產品在軌道車輛上的運用。

3.碳纖維復合材料結構設計形式

復合材料結構多樣，設計、制造工藝異彩紛呈，強調材料、鋪層、結構設計、工藝設計與車體性能的最優組合。復合材料具有很好的可設計性，它的性能除了由纖維與基體材料本身性能決定外，還取決于纖維的含量與鋪設方式等[6]。碳纖維復合材料的常用的結構形式主要有層合板結構圖1、加筋板結構圖2 和三明治夾芯板結構圖3。

圖1 層合板結構

圖2 加筋板結構

圖3 夾芯板結構

因為可以靠鋪層方式改變層合板的彈性模量，復合材料結構中材料本身的E 也為變量。這就增加了結構設計的靈活性，極大地增加了剛度的可設計范圍。 當結構方案確定之后（板結構、筋板結構、夾芯結構），可通過調整鋪層厚度（鋪層數量）、鋪層角度、鋪層順序、芯材高度、蜂窩孔徑等參數改變整個結構的剛度值。

內飾板結構通常為夾芯板結構。因其具有加工簡便，成本較低，剛度較高。它外部為碳纖維蒙皮，中間夾心可采用PET泡沫、PVC 發泡材料或者鋁蜂窩材料，蒙皮和夾心以樹脂膠粘接方式連接。當該結構承受彎曲載荷時，其工作原理某種意義上來說類似于工字鋼。當上下面板之間的距離被進一步分開，結構就能獲得更大比例的剛性[7]。當夾芯結構這種較厚結構連接時需要采用預埋連接的方式。預埋件由于接觸面主要是與夾芯結構中的芯材接觸，一般采用發泡膠與芯材連接，無論是發泡膠還是芯材均是整個結構的薄弱環節需要在設計完之后進行單獨的校核。

4.碳纖維復合材料成型工藝

碳纖維復合材料的成型工藝上，熱壓罐成型、OOA 真空袋壓成型、拉擠成型、三維編織成型、纏繞成型、模壓成型、RTM 成型、HP-RTM 成型、自動鋪放技術等為幾種常規典型成型工藝。碳纖維增強復合材料車體可采用目前技術成熟、低成本的預浸料/袋壓成型等工藝技術，若是模塊化結構，還可將模塊在熱壓罐中進行成型[8]。內飾件對內外面輪廓要求較高，屬于中小型復雜制品，要求批量化生產，因此模壓成型較適宜。具有生產效率高、制品尺寸準確、適用于批量生產、結構復雜的一次成型等特點[2]。近些年來，國內外涌現出了很多新型成型制備工藝，例如自動纖維鋪放成型、超聲波快速固結成型、激光固結成型、電子束固結成型、真空輔助成型以及3D 打印成型等工藝技術，這些新型成型工藝具有十分廣闊的應用前景[9]。

5.結語

碳纖維復合材料在軌道車輛內飾板輕量化設計中的應用屬于新材料的應用范疇，在設計時注意：選擇滿足強度、剛度要求的碳纖維復合材料形式；選擇高性價比的成型工藝方法，提高生產效率。碳纖維復合材料以其優異的綜合性能優勢，可解決軌道車輛面臨的諸多技術問題，經長期科學探索，必將克服各種困難，實現更多的工程化應用。