碳纖維材質等新材料在軌道車輛上的應用

郁寶 胡安華

1.中車南京浦鎮車輛有限公司 江蘇南京 210031

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在軌道交通設備高速發展的過程中，軌道交通車體的主要材料由普通碳鋼向先進的輕質復合鋼轉變，質量大大降低。碳纖維復合材料作為一種新型的戰略性材料，具有強度高、重量輕、耐磨性好等優點。與金屬材料相比，耐腐蝕性強。輕量化是解決軌道交通車輛主承載結構問題的首選材料，其重點是在材料制造過程中對輕量化、強度、剛度和阻燃性能進行置換，以達到提高車輛承載能力的目的。在我國社會主義現代化進程中，城市軌道交通得到了長足的發展，作為車輛的重要組成部分，車輛采用輕質材料，有利于行車安全節能環保環境。因此，了解新型輕質材料在城市軌道交通中的應用，對于城市軌道交通的設計者和生產商具有重要意義。

1 軌道交通車體結構材料

1.1 鋼結構

軌道交通車輛車體結構材料以普通碳鋼為主，碳鋼價格便宜，強度高，但易腐蝕環境。高鹽霧或高濕度環境；設計過程中要求有較高的耐腐蝕性，車體要求有較高的安全系數，使車輛重量和能耗更高，以提高耐腐蝕耐候鋼的冗余性。用耐候鋼代替耐候鋼里斯耐蝕性是碳鋼的2-3倍，整車自重減少10%-20%。但是油漆保護還沒有誕生必要，采用不銹鋼后，車體重量比普通碳鋼高30%-50%，無涂層保護。

1.2 鋁合金結構

鋁合金車身的結構主要由擠壓型材、空心擠壓型材和釬焊鋁蜂窩板組成，早期用鋁合金代替不銹鋼的工藝也經歷了較高的技術成本限制，這得益于合作尋找材料供應商和制造商，改進焊接工藝、連接工藝和其他生產工藝，控制生產工藝，降低加工成本和設備成本，在不降低性能的情況下，最終達到不銹鋼的價格。同時車身平整，比碳鋼車身輕50%，具有良好的耐腐蝕性和較低的維護成本。

2 軌道車輛新材料的應用

2.1 NGC 型鋁合金類型材料的應用

城市軌道車輛主要采用不銹鋼材料但是很重。采用鋁合金型材作為扶手材料，與不銹鋼相比，重量減輕了50%以上，因為鋁合金型材具有更好的性能防腐，機械和焊接成型比不銹鋼。因此，鋁合金型材取代不銹鋼作為鐵路車輛扶手的基材城市。城市軌道交通車輛的持續發展，為了提高鋁合金扶手的耐磨性和表面硬度，NGC型鋁合金扶手表面必須進行硬質陽極氧化，形成硬度較高的硬質氧化膜。至3500MPa鋁合金扶手表面形成硬質氧化膜需要工序：機械拋光、研磨、脫脂、清洗、化學拋光、洗滌、中和、硬質陽極氧化、洗滌、密封、固化查格。溶液濃度，成分，溫度和其他電流密度條件也會影響合金坡道表面硬質陽極氧化膜的形成鋁。更多溶液溫度越低，硬質陽極氧化膜的硬度越高。

2.2 聚碳酸酯類型材料的應用

聚碳酸酯材料被稱為PC材料，廣泛應用于交通、建筑工業與傳統玻璃和PC材料相比，PC材料的優勢在于：

（1）ME屬性的優點。由于pc材料是由有機高分子材料組成的，其強度和韌性都比傳統玻璃材料強。此外，PC材料安全性高，在實際應用中不會發生自爆炸。

（2）優勢。如果PC材料的面積和厚度與傳統玻璃相同，玻璃的重量是PC材料的兩倍，因此我們可以看到這種材料的輕量級優勢個人電腦城市軌道車輛采用PC材料代替傳統玻璃，大大減輕了車輛重量，降低了能耗，達到了環保減排的效果。

（3）絕緣的優點.熱傳統玻璃的k值比pc材料高10%，可以更有效地隔離夏季車外熱量輸入和車內熱量損失。當冬季室外溫度為非常低，窗戶與PC材質相連，而不是傳統的玻璃感到寒冷，因此很明顯PC材質不僅具有傳統玻璃的所有屬性和優點，而且與傳統玻璃相比，具有強度、降噪、隔熱等優點。傳統鋼化玻璃的重量僅為傳統鋼化玻璃的一半，可以促進城市軌道交通車輛的輕量化發展，未來可以用PC材料代替傳統鋼化玻璃在汽車內部系統的顯示器、車窗和行李架上的應用。

2.3 鋁塑復合板的應用

鋁塑復合板，俗稱復合板鋁。這是一種由特殊鋁板制成的復合材料-塑料化學處理后，將無毒低密度聚乙烯芯置于兩層包膜鋁箔之間，經處理后制成復合材料。城市軌道車輛內墻板的基本材料多為玻璃纖維和蜂窩材料與傳統材料相比復合鋁板優點：

（1）防火性能優越。由于鋁板的兩面都很難煅燒，且介質為聚乙烯塑料芯阻燃材料，所以阻燃性能優越。

（2）頂針強度高粘貼，剝離強度是鋁板的關鍵技術指標復合材料，由于特殊的制造工藝，復合鋁板的抗剝落性能達到了優良的狀態，其耐候性和平整度也相應提高。

（3）易于使用維護。復合鋁板易于清洗，只需用水和中性清洗劑即可，清洗后的復合鋁板干凈、新。

（4）高耐受性沖擊。鋁合金復合板具有很強的韌性，能承受較大的外部沖擊而不造成損傷，彎曲的鋁板不會損壞表面油漆。復合鋁板的重量約為3.5-5.5kg/m2，而目前使用的鋁蜂窩板的重量為11kg/m2，復合鋁板的重量優勢明顯。

2.4 碳纖維材料在車體上的應用

目前，碳纖維復合材料主要用于上部結構，車體采用大截面冷彎型鋼，滿足了車頂的剛度要求。車輛的頂部空間，通常有更多的設備，如空調、大型電池等，如果剛度不足，不僅會產生振動，還會造成結構損壞，對行車安全有很大影響回復：此外，車頂材料對耐蝕性也有很高的要求。車頂經常與雨水接觸。雨水的腐蝕往往很嚴重。材料一旦耐蝕性差，很容易造成材料的穿孔結構，這不僅影響車輛的密封性，也會導致車輛漏水。我們可以使用各種相同橫截面的碳纖維材料制作縱梁來支撐充電，有效提高截面接縫強度，某些橫向纖維可布置與傳統材料車頂基本相同，但其剛度遠高于傳統材料車頂，車頂在行駛過程中更穩定[1]。它的重量大約是傳統車頂的一半，可以有效地減輕整個摩托車的重量，降低摩托車的能耗。機車。測試車頂剛度，當車頂荷載為4t時，車頂撓度只有2mm左右，說明材料完全能滿足剛度要求，而且碳纖維材料具有良好的耐腐蝕性。它可以在較長的降雨時間內保持原材料的性能，有效地提高車輛的可靠性。

2.5 碳纖維材料的應用

碳纖維是一種能像鋼一樣導電的纖維狀碳材料，具有多種熱性能、力學性能和耐熱性能。碳纖維材料比耐熱鋼更耐高溫，更耐腐蝕不銹鋼，但密度比鋁低，比鋼更堅固。

（1）腐蝕。碳纖維材料不僅具有碳纖維材料的特性，而且具有纖維材料的柔韌性和可變性。紡織品碳纖維的楊氏模量是傳統玻璃纖維的三倍，是傳統玻璃纖維的兩倍，此外，碳纖維材料不溶于酸性、堿性和有機溶劑，具有優異的耐腐蝕性。

（2）密度小、強度高。玻璃纖維增強低密度高強度熱固性塑料用作大多數城市軌道交通車輛司機室的面罩，而碳纖維密度較低，強度較高纖維玻璃。一般情況下，城市軌道車輛面罩的質量在250kg到320kg之間千克為減輕車輛重量，應使用碳纖維增強熱固性玻璃。

（3）抗拉強度高。碳纖維的拉伸強度是玻璃纖維的兩倍，是鋼的7-8倍。但碳纖維的密度僅為玻璃纖維的三分之二，用碳纖維材料代替玻璃纖維制作駕駛室面罩，可以達到面罩的性能標準，促進汽車的發展。城市軌道交通向輕量化方向發展，未來汽車裝配材料的選擇將越來越多地推動性能優良的碳纖維材料的發展。

（4）自重小、剛度高的構件[2]。一般來說，材料的比模量越大，構件的剛度就越大大。更多比電阻高，元素的自重越大弱，碳纖維是一種高模量、高強度、低自重、高剛度的優良材料。城市軌道車輛材料的應用也應相應地發展和改革，選擇強度更高、重量更輕的新材料。

3 軌道交通車體結構材料未來發展方向

軌道交通車體結構材料的開發應以安全、可靠、舒適、環保、環保為導向。智能。鐵路運輸設備的技術發展、材料選擇，高性能、輕量化、技術成熟，新材料的廣泛應用是鐵路運輸領域的重要指標。根據需求合理選擇材料是優化設計的關鍵，通過平衡材料需求和技術來升級軌道交通設備，未來軌道交通車輛車體設計將需要選擇采用高強度合金和復合材料結構，堅持輕量化發展理念，采用新材料、新技術、新體系，推動先進材料在列車上的應用，以滿足列車輕量化、安全可靠的要求。高速，減振降噪。應圍繞以下三點：①材料：采用輕質高性能材料，采用符合材料特性的設計理念，對車輛結構進行優化，同時考慮工藝、組織結構等因素進行選擇和優化。②平臺：合理的材料設計從原料、3D圖形設計、成型工藝、仿真分析、試驗驗證、試驗維護等全過程數據庫管理系統的建立；來自數據控制和其他膠帶。③制造：將定制激光焊接技術、變厚度軋制技術和低成本復合材料自動成型技術相結合，建立自動化控制和測試生產線，提高穩定性實現產品智能化制造[3]。

4 結語

隨著碳纖維制造技術的發展，碳纖維材料作為高稀土的生產材料和過渡材料已廣泛應用于鐵路車輛的機械零部件和內飾件中，積極探索碳纖維復合材料在軌道交通車輛中的應用持續減輕車輛重量，有效提高車輛性能，為乘客提供更好的服務和駕駛體驗舒適。現代材料技術的不斷創新，新材料正在改變很快。大量的新材料可以應用于城市軌道車輛內部裝配系統中，大大提高了城市軌道車輛內部裝配系統的美觀性、安全性和舒適性。