軌道交通領域復合材料應用概述

武舒然，姚 皓，馬春英，張小龍

（北京軌道交通技術裝備集團有限公司，北京 100071）

1 復合材料發展概況

復合材料是由兩種或兩種以上材料獨立物理相通過復合工藝組合而成的新型材料。其中，連續相稱為基體，分散相稱為增強體。它能保留原組成材料的主要特色，并通過復合效應獲得原組分所不具備的性能，即通過材料設計使各組分的性能互相補充并彼此聯系，從而獲得新的優越性能。一般情況下復合材料構件不需要復雜的機械加工設備，可以制造形狀復雜結構，結構一體化程度高，減少零部件數，縮短安裝時間。針對不同原材料（預浸料、纖維織物、基體樹脂）有不同的工藝方法（手糊成型、真空輔助成型工藝、RTM、熱壓罐、模壓成型等）[1]。

由于復合材料具有高的比剛度和比強度、性能可設計性、優異的疲勞性能、耐腐蝕、結構/功能一體化（隱身等）和易于整體成型等特點而被廣泛應用，且在航空領域，復合材料應用水平已經成為飛機先進性的一個重要標志。

隨著目前軌道車輛智能化、綠色環保、可持續發展等高質量高要求，使得車輛上的高科技設備增加，車輛自重增加，造成很多負面影響。車輛結構所選材料的性能與其自身重量達到最佳匹配狀態一直以來都是制約車輛最佳輕量化設計的關鍵技術。在國內外下一代高速列車的關鍵技術研究規劃中，利用輕質復合材料進行結構輕量化設計將是一項重要課題[2]。

2 輕量化復合材料在軌道交通業的可應用性分析

2.1 車輛結構設計思路

在復合材料的設計應用過程中，不單要考慮車輛性能特點，還應該根據可成型工藝及成本等綜合考量，以下將列舉目前在軌道車輛上應用較多的結構。在結構設計中主要是剛度設計及強度校核，其主要流程如圖1所示。其中，在材料選擇過程中，依據現有材料數據進行選用，若需要采用新的結構材料，需進行理論研究及試驗驗證。在結構設計中，需明確設計許用值，根據初步工藝方案進行強度及剛度核算，通過反復優化確定滿足設計要求的結構。

圖1 應用復合材料結構設計流程圖

2.2 輕量化材料及結構設計

隨著材料技術以及工藝技術的發展，開發制造出許多先進的輕量化材料，如鎂合金材料、碳纖維復合材料等，這些新型材料密度低、比強度和比剛度高、抗沖擊、耐疲勞、耐腐蝕。

2.2.1 碳纖維復合材料

碳纖維是含碳量高于90%的纖維狀材料，力學性能優異，其比重不到鋼的1/4，抗拉強度卻是鋼的7~9倍，是目前已大量生產的高性能纖維中具有最高的比強度和最高的比模量的纖維，同時耐高溫、耐腐蝕、絕緣隔熱性能好，良好的吸能效果也是其重要的應用理由。在軌道交通領域，碳纖維復合材料已被大量應用于高速列車中的車體及非主承力結構件上，如日本N700系高速列車車頂、日本efWING復合材料轉向架、法國TGV高速車體[3]、韓國TTX車體、瑞士辛德勒全碳纖維車體、德國福伊特過渡車鉤等，以及我國唯一商業運行車輛-武漢東湖光谷有軌電車全碳纖維車體（圖2）等。目前成本是限制碳纖維大規模應用的一個關鍵因素，在產業中經常將其他纖維與碳纖維混合使用，輕量化的同時控制成本。

圖2 武漢東湖碳纖維車體

根據賽奧碳纖維數據顯示，2015-2020年，全球碳纖維運行產能呈逐年增長狀態。2020年，全球碳纖維運行產能17.17萬t，同比增長10.85%，6年（2015-2020）復合增長率為4.9%，但全球高端碳纖維產能處于被日本和美國壟斷的狀態，因此，加強碳纖維及其復合材料的基礎研究，加快系列關鍵核心技術自主可控，對于促進傳統產業轉型升級、保障國家戰略安全等具有重要意義。

近些年國內碳纖維產業發展迅速，某些地區積極發展碳纖維產業，如吉林市作為全國碳纖維主要生產區域已形成碳纖維原絲及碳化生產企業集群，成為中國最主要的碳纖維生產基地之一，吉林經開區是吉林市碳纖維產業園區，這里聚集著一批碳纖維企業，“中國碳谷”在這里已初步形成。國家科技部一直高度重視國產碳纖維及其復合材料的基礎研究、關鍵技術研發、產業化研究與應用示范。據悉正在推動組建碳纖維及其復合材料國家技術創新中心。有望通過政府引導，凝聚碳纖維及復合材料企業、高校和科研院所，集中突破全產業鏈共性技術，突破涉及國家長遠發展和產業安全的關鍵技術瓶頸，有望降低制造成本。我國從“化纖大國”到“化纖強國”還有很長的路要走。

2.2.2 鎂合金復合材料

鎂合金是以鎂為基礎加入其他元素組成的合金。其特點是：密度小（1.8 g/cm3左右），強度高，彈性模量大，散熱好，消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，耐有機物和堿的腐蝕性能好。由于高速列車的輕量化、舒適度要求，鎂合金應用廣泛。除此之外，其抗震性能較好，在德國ICE、法國TGV、日本新干線N700系類高速列車以及國內開發的磁懸浮列車中均有廣泛應用，包含鎂合金座椅，甚至是空調通風口格柵、小桌板、扶手和行李架邊框等[4]，相較于鋁合金結構甚至減重20%。與鋁合金相比，鎂合金成本相當，但重量降低、列車運行時能耗降低，總體降低了列車運行成本。鎂合金零部件的承重能力需求越來越大，已經開始制造主要承重部件。

作為先進基礎材料產業的一個重要門類，我國鎂合金材料產業自響應落實“十三五”系列戰略措施以來，自主研發了10余種鎂合金材料并成功應用于航空、航天、國防軍工、汽車等領域，大幅降低了鎂合金產品的成本，提升了產品市場競爭力[5]。作為一種新型金屬結構材料，鎂合金的廣泛應用也暴露出很多問題，如鎂合金本體為六方晶格結構，經過加工后易造成性能偏差；化學性質活潑容易造成氧化腐蝕；焊接性較差，不能采用常規方式進行，必須采用攪拌摩擦焊等新型焊接方式、高溫下性能急劇下降等。隨著開發和應用技術的發展，其材料消費市場的進一步發展，也將成為高速列車關鍵的輕量化材料。

我國鎂資源豐富，已經探明的儲量世界第一。近年全球鎂合金需求量穩步增長，2021年需求量預計增長至124萬t左右。我國高性能鎂合金材料產業起步晚、底子薄，在應用上整體仍處于產業鏈和價值鏈的中低端，加工生產技術還不完善，工藝技術與國外差異較大，同時在冶煉環保水平等方面存在短板。我國鎂合金材料產業的產能規模龐大，其技術開發及應用任重道遠。

2.2.3 三明治復合結構

三明治結構（夾芯復合結構）是由高強度薄面板與低密度芯材組成（圖3），由于其比剛度大的突出優點被越來越廣泛地應用于工程制造，是軌道交通領域輕量化設計的關鍵材料。表面面板通常采用金屬（鋁）、復合材料層板等，夾芯結構可以是泡沫塑料、鋁蜂窩、芳綸蜂窩等。

圖3 三明治復合結構示意圖

目前最常用的夾芯材料是鋁蜂窩（常用于車輛的車體、司機室、端墻、地板等結構中）、芳綸蜂窩（常用于車輛的導流罩、間壁柜體、內飾等非承力結構中）和泡沫新材（PET主要應用于軌道交通、汽車、游艇等領域，性能與PMI泡沫芯材接近，力學性能略差，價格優勢明顯，因此在軌道交通領域應用較多，主要作為門板、地板及頂板芯材），能夠在保證部件要求情況下，最大限度實現輕量化[6-7]。與鋁和復合材料層壓板結構相比，夾芯結構可以在最小重量下獲得較高的彎曲剛度，大多數蜂巢結構是各向異性。增加夾芯厚度會大大增加蜂窩結構的剛度，而重量的增加是最小的。許多部件為了達到最大限度輕量化，面板厚度做得非常薄，有時小于0.5 mm，但相關測試表明，這些面板結構并不具備良好的抗沖擊性能，故在結構設計時需考慮部件運用環境。

2.2.4 預浸料

預浸料是將定向排列的纖維束或織物浸涂樹脂基體，并通過一定的處理后貯存備用的中間材料。制備預浸料的目的在于控制復合材料結構厚度并滿足設計規定的樹脂/纖維分布。通過調節預浸料的厚度、纖維取向及鋪放順序而實現功能的差異性設計。由于預浸料可在高溫高壓下固化成型，從而得到高強質輕的復合材料結構件，且由于其質量的相對可控性，目前在現有軌道交通車輛構件制造中，預浸料制品應用廣泛。常用到的工藝方法為真空袋-高溫固化工藝（圖4）、熱壓罐工藝（圖5）、模壓工藝、卷管工藝、纏繞工藝等。

圖4 預浸料產品真空袋-高溫固化成型工藝

圖5 預浸料產品熱壓罐成型工藝

預浸料厚度均勻，樹脂含量穩定一般在35%左右，最有利于實現固化；經過烘干房固化，縮短傳統的產品固化時間；預浸料保存環境相對要求較高，一般要求低溫貯存，目前也有少部分可常溫保存的預浸料。2021年7月，日本新能源產業技術綜合開發機構NEDO宣布已開發出一種可快速固化的碳纖維增強預浸料片材，可在30 s內固化，是目前全球該類固化工藝用時最短的，并可在室溫下儲存。

目前最常用的是碳纖維預浸料和玻璃纖維預浸料。碳纖維預浸料屬于新型高性能復合材料，是提高碳纖維附加價值的有效手段。在目前軌道交通領域，使用玻纖預浸料或者玻碳混合預浸料是一種趨勢。

2.2.5 其他新型復合材料

植物纖維和礦物纖維（竹纖維、亞麻纖維、玄武巖纖維等）最大優勢為可降解，更加環保，但其強度低，復合材料界面結合相較較差，且制備工藝不成熟，無法批量。以玄武巖纖維舉例，玄武巖纖維是一種無機纖維，由天然玄武巖礦石（成分波動大）經過高溫熔融拉制而成，不僅強度高，而且還具有電絕緣、耐腐蝕、耐高溫等多種優異性能，是我國現階段重點發展的四大纖維（玄武巖纖維、超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維、碳纖維）之一。但由于其礦物纖維較硬的特點，鋪覆性較差。在我國，車用玄武巖纖維增強復合材料現階段還處于小規模的實驗和示范應用階段，在車輛內飾和外飾件等領域均有研究應用。

3 結束語

隨著材料研制及工藝技術的發展，大量新型復合材料應運而生。碳纖維復合材料、鎂合金復合材料、預浸料復合材料和三明治復合夾芯結構應用廣泛，具有很大的應用市場，相關地區也在此趨勢下形成產業鏈布局。而玄武巖纖維、超高分子量聚乙烯纖維等新型纖維材料的基礎研究尚在進行，需要作進一步探索。