輕量化碳纖維夾芯結構復合材料在軌道交通領域的具體應用分析

郭占軒

摘 要：隨著軌道交通行業的蓬勃發展，“節能、舒適”已逐漸成為軌道交通車輛的剛需，車體輕量化無疑是未來發展的必要趨勢。碳纖維夾芯復合材料是一種可以通過結構設計得到較高的力學強度、耐腐蝕、減震降噪、耐疲勞的輕質新型復合材料。本文主要闡述了碳纖維夾芯復合材料的應用現狀、各項性能優勢、輕量化剛度等效設計原則、主要加工工藝，并展望了復合材料未來發展方向。

關鍵詞：軌道交通;輕量化;碳纖維;夾芯結構;復合材料

0 引言

近年來，“一帶一路”已成為推動中國經濟增長的重要驅動力。毫無疑問，軌道交通行業不僅拉近了我國與世界各國之間的發展關系，而且推動了城市之間人才與產業的合作，加快了城鎮化進程。在經歷了十年的飛躍發展后，《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》把智能化、綠色化、輕量化、系列化、標準化和平臺化列為軌道交通裝備產業的目標。軌道交通在滿足人民對美好生活的向往所具備的安全、舒適、高效以外，綠色、節能已是軌道交通發展的必然趨勢。因此，為了規避傳統金屬材料重量大、能耗大的缺點，設計出新型的輕質材料及其對應的加工工藝顯得尤為重要。

軌道交通車體輕量化可減小車體自身軸重，降低成本，主要體現在兩個方面：第一，對提升列車速度有重要作用，在滿足現代社會的快節奏的同時，還可以降低運行成本，降低能耗，節省能源;第二，重量減輕在一定程度上可以減少車輛對軌道的磨損，進而降低鐵路的維護成本。輕量化的軌道交通車輛對軌道的沖擊力減小，降低車體振動，不僅可以為乘客提供一個相對舒適的乘坐環境，還可以提高車體運行過程中的安全性和穩定性。碳纖維夾芯復合材料是一種可以通過結構設計得到較高的力學強度、耐腐蝕、減震降噪、耐疲勞的新型復合材料。

1 碳纖維夾芯結構復合材料在國內軌道交通的應用現狀

目前，國內某動車項目行李艙已成熟應用碳纖維蜂窩板材料。如圖1。該行李艙主要由碳纖維蜂窩板材料復合而成，其允許的最大集中載荷為850N，能承受的均勻載荷為每延米1000N，能承受縱向：3g、橫向：1g、垂向：2g的沖擊振動，模塊化程度高、組裝方便快捷、外形美觀大方。

2015年底，輕質化、性能穩定的碳纖維夾芯復合結構的側墻外板和上裙板已正式應用于國內有軌電車，如圖2，具有耐候、耐蝕、耐沖擊、防火、防潮、隔熱、隔音、抗震性，質輕、易加工成型等眾多優異特性，并且得到市場的高度認可。

2018年，中車四方股份公司研制的新一代地鐵列車成功下線。該列車整車車體（如圖3）采用碳纖維輕量化復合材料制成，車體減重35%，具有能耗低、輕量化、運行噪音小等特點，是新一代靈活、輕捷、綠色的地鐵列車。

碳纖維夾芯復合材料已經完成了從車體內飾、零部件等非承力部件到墻板、裙板、頭罩等次承力部件的成功跨越，其在車體、轉向架構架等主承力部件上的應用也在進一步延伸和擴大。

2 碳纖維夾芯復合材料性能優勢

碳纖維夾芯復合結構，是由碳纖維織物和樹脂復合而成的碳纖維預浸料、蜂窩或泡沫夾芯通過合理的鋪層角度和厚度設計，使用熱壓罐成型得到的一種高模量、高強度、熱膨脹系數小、耐腐蝕、耐疲勞的復合材料。

2.1 高比模量、比強度

碳纖維夾芯復合材料是以碳纖維織物為增強體、樹脂為基體制備而成的復合材料，碳纖維復合材料具有高于常用鋁合金材料的比強度、比模量。為滿足軌道交通高力學強度的設計指標，需要以剛度等效及強度等效設計原則，通過最佳幾何形狀設計、最佳鋪層角度設計、鋪層厚度設計及鋪層順序設計，確保復合結構的強度及剛度，與此同時，可有效減輕車體的重量，實現輕量化目標。

2.2 耐疲勞性能

碳纖維夾芯復合材料的抗疲勞強度占其自身靜態拉伸強度的80%左右，而一般金屬材料的耐疲勞強度占其自身靜態拉伸強度的50%左右，所以由碳纖維夾芯復合材料制成的零部件壽命提高，并且具有較高的安全性和穩定性。

2.3 抗振降噪性能

碳纖維夾芯復合材料內部的蜂窩夾芯結構或泡沫夾芯結構密度較小、含有大量的密閉蜂窩孔格及小尺寸間隙，其可保存大量的空氣，相對于固相介質，氣相介質傳播能量的速度很慢，隔音效果好，故碳纖維夾芯復合材料具有優異的減震降噪性能。

2.4 耐腐蝕性能

碳纖維夾芯復合材料的基體樹脂是由單體分子聚合而成的高分子聚合物，所以化學性質穩定，具有良好的耐酸堿、耐濕熱性能，故由碳纖維夾芯復合材料制成的車輛零部件的維修成本降低、壽命提高，實用性增強。

3 輕量化等效設計原則

3.1 設計原則

在進行復合材料結構設計時，遵循的原則是：用碳纖維泡沫夾芯復合材料替換原有的金屬材料。與金屬材料相比較，在剛度不減小的前提下，設計復合材料鋪層結構，通過數據比對，得到減重率和剛度都為最佳值的復合材料結構。這里以鋁合金材料為例進行分析，材料性能參數詳見表1。

3.2 力學分析

剛度等效：參照鋁合金材料結構的受力分析，考慮只研究變形，采用剛度等效的方式進行材料替換，簡化鋁合金結構與碳纖維復合材料結構，碳纖維夾芯復合材料僅考慮外層碳纖維管的結構的剛度，推導初始復合材料結構參數。

經對比計算，得到：復合材料的總厚度H為17mm時，蒙皮內部用厚度為14mm的PVC的泡沫填充，減重率較高，為79.5%，其剛度為1144421。即：ACFRP≥AAl，說明復合材料結構滿足剛度要求。

4 碳纖維夾芯復合材料的加工工藝

4.1 共固化

共固化指的是按照碳纖維下蒙皮、膠膜、夾芯材料、膠膜、上蒙皮的順序依次鋪貼在成型模具上，再將以上鋪貼好的模具及產品置于設定好的溫度、壓力環境下固化成型，之后再脫模、修型得到最終產品。此方法加工工序少、生產周期短、可以保證產品外形，體現出復合材料可設計性及一體化的特點。

4.2 二次固化

二次固化指的是先將碳纖維預浸料蒙皮在一定的溫度和壓力條件下固化成型，再將夾芯材料與固化后的蒙皮進行粘接、固化，最后脫模、修型。首次成型時，可以避免夾芯材料抗壓能力小的問題，從而將蒙皮在較高的壓力環境下成型，確保蒙皮的剛性達標。

5 碳纖維夾芯復合材料的發展方向

5.1 建立結構設計仿真平臺

根據車輛的性能要求，進行原材料選取及可行性分析，利用仿真平臺對復合材料進行結構設計、工藝試制，最后得到滿足各項性能要求的復合材料加工方案。

5.2 建立智能化復合材料加工體系

因復合材料的成型工藝屬于特殊過程，故應著力打造智能化復合材料加工體系，消除因人員、設備、材料、工藝方法、環境的改變對產品的性能產生影響，提高產品質量及生產效率。

參考文獻

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