基于高速列車輕量化的碳纖維復合材料應用研究

高靜 姜曉夢

摘要：近年來，高速列車結構輕量化已成為發展趨勢。碳纖維及其復合材料因在減重和節能方面的優異特性，逐漸應用于軌道交通領域。本文闡述了碳纖維復材在技術與應用方面的現狀，從高速列車輕量化發展的角度，分析了碳纖維復材的政策支持與市場前景，論述了我國對碳纖維材料的重視以及在碳纖維復材技術方面的技術突破與試驗成果，闡明了發展過程中面臨的挑戰。

關鍵詞：高速列車輕量化 ?碳纖維復合材料 ?技術分析 ?機遇與挑戰

一、研究背景

碳纖維復合材料是以碳纖維為核心增強體材料與樹脂、金屬、陶瓷、高分子聚合物等基體材料經成型工藝制成的復合材料，相比金屬材料，具有密度小、強度高、模量大、耐疲勞、耐腐蝕等多種顯著的性能優勢。碳纖維及其復材廣泛應用于國防工業以及高性能民用領域，是一種應用前景廣闊的戰略性新材料。

隨著中國軌道交通對安全、高速、高效、綠色、智能的追求，以及時速600公里高速磁浮、時速400公里及以上動車組、雙層動車組、臥鋪動車組、快速貨運動車組等新產品的研制，高速列車對結構材料的輕量化、高強度、高模量等性能要求不斷提升。由于碳纖維復合材料具有強度高、韌性高、重量輕等特性，可以滿足高速列車對材料的指標要求，所以軌道交通用碳纖維復合材料的需求近年來不斷增長。

二、技術分析

1.結構設計

在碳纖維復合材料研發全過程中，結構設計技術是核心。結構設計是指根據產品性能需求，進行合理的材料選型、結構設計、仿真分析，通過迭代優化，確定最佳的結構方案和成型工藝方案。

2.成型工藝

在碳纖維復合材料產品制造過程中，成型工藝技術是關鍵環節。成型工藝涉及生產效率、質量控制、成本控制等多方面因素。目前的成型工藝按自動化水平的高低，可以分為包括手糊成型、噴射成型、模壓成型、熱壓罐成型、真空導入等自動化水平相對較低的成型工藝，以及纏繞成型、拉擠成型、樹脂傳遞模塑成型（RTM）、高壓RTM、三維編織、自動鋪絲/帶、熱塑模壓等自動化水平相對較高的成型工藝。

3.國內外技術現狀

我國碳纖維研究制造最早始于20世紀60年代，在“十一五”之前，產業化關鍵技術一直未能突破，基本局限在實驗室，加上發達國家對我國碳纖維實行技術和產品雙重封鎖，使我國碳纖維事業一直處于受制于人的狀態。經過20年的有序發展，我國初步形成了從實驗室研制到產業化的研發生產平臺，形成了仿形編織、變徑變厚變密度等復雜形狀編織、濕法針刺工藝，建立了高強碳纖維應用評價、復合材料制備與應用體系，并培育了一批骨干企業。但整體而言，我國碳纖維復合材料的設計、制造、標準體系尚處于起步階段，與國外相比，高性能碳纖維及復合材料在提高產品質量、生產效率、產品設計與應用技術，控制技術與成本方面落后很多。

三、應用研究

碳纖維復合材料可應用于高速磁浮、高速動車組、城軌地鐵、城際車輛、貨車、機車等軌道交通裝備領域的大部分主要、次要承載結構及車內部件等非承載結構，減重節能效果顯著。世界主要軌道交通裝備企業積極開展了碳纖維復合材料應用研究與試驗驗證工作。

1.國外主要研制成果

韓國現代TTX列車應用了碳纖維復合材料車頂、側墻以及端墻，滿足靜強度、疲勞、模態特性、防火性能等設計要求，線路運營表現良好日本川崎重工碳纖維轉向架efWING在美國交通技術中心進行了4500km的線路運行試驗，滿足安全性要求且性能穩定。2016年，4臺該轉向架試用于近郊型直流電車上，已投入運營，有效降低輪重減載率，提高車輛穩定性與乘坐舒適性。英國Intercity125最早采用碳纖維整體成型駕駛室端蓋，抗擊能力優良。德國Voith研制的碳纖維過渡車鉤，結構緊湊，減重效果顯著，單人就可攜帶進行安裝。

2.國內主要研制成果

2018年初，中車長客研制出世界首輛全碳纖維復合材料材質的地鐵車體，較同類地鐵金屬車體減重約35%。2019年6月中車四方股份研制的下一代地鐵，車體、司機室、構架及設備艙等承載部件采用碳纖維復材，相比標準配置A型車，實現整車減重13%，節能15%，是軌道機車大規模應用碳纖維復合材料的典范。2020中車四方股份研制的時速600公里高速磁懸浮列車完成懸浮架橫梁、磁鐵U形箱、裙板、導流罩、司機室頭罩的碳纖維復材結構研制并裝車，減重均達30%以上。

四、應用前景

1.擁有政策支持

自21世紀以來，碳纖維得到國家高度重視，碳纖維等新材料產業被列為國家戰略產業，政府陸續出臺一系列政策支持碳纖維復合材料產業發展。2021年，國務院《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出“要加強碳纖維等高性能纖維及其復合材料的研發應用”，為未來碳纖維行業的技術進步提供了良好的政策環境。碳纖維及其復合材料被列為“科技創新2030重點新材料研發及應用”重大項目實施任務方向之一。科技部正推動碳纖維及其復合材料國家技術創新中心建設，支撐碳纖維及其復合材料企業實現技術、工藝裝備和產品創新。多項政策支持為碳纖維復材產業發展提供了良好的契機。

2.市場需求量大

當前中國已經成為世界上最大的城市軌道交通市場，按照“十四五”期間中國軌交新造市場需求量，考慮一定比率復合材料應用替代，預計軌道交通碳纖維復合材料需求量可達到3-5萬噸/年，市場規模大，應用前景廣闊。

五、機遇與挑戰并存

碳纖維復合材料在軌道交通領域推廣應用過程中，也面臨諸多問題，主要表現在：缺乏適用于軌道交通裝備領域的專用材料技術體系;復合材料的積木式驗證體系與數據庫尚不完善，實驗室測試驗證能力有待提升;低成本高效率成型技術與自動化無損檢測技術有待深入研究;軌道交通裝備復合材料標準基本空白;缺乏既掌握軌道交通裝備設計又掌握復材技術的專業人才;復合材料的回收和有效再利用問題仍未得到有效解決。在碳纖維復材發展與應用的重要機遇期，針對上述問題，應積極思考、深入研究，推動碳纖維復合材料在軌交領域的應用和技術突破，促進我國高速軌道交通事業的發展。

參考文獻：

[1]高奇，新形勢下我國碳纖維產業發展探討，2019，42（5）：58

[2]常樹民，申永勇，石得春，城市軌道交通車輛輕量化設計研究，2020，No.1