纖維復合材料在軌道交通車體中的發展研究*

張 海，魏 薇，錢若霖

(陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

近年來，我國軌道交通產業發展迅速，從2004年高鐵技術引進和啟動以來，中國軌道交通發展迅猛，以市場換技術的同時進行戰略性投標，完成了對于高端制造技術的“引進、消化、吸收、再創新”的過程[1]。根據“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃，在設施網絡方面，2025年鐵路營業里程達16.5萬公里，平均每年新增3800公里，其中高速鐵路營業里程達5萬公里，平均每年新增2400公里，城市軌道交通運營里程達10000公里，平均每年新增680公里。未來軌道交通發展對軌道交通車輛的需求，仍然保持在較高的水平。

車體是軌道交通中車輛中最重要的組成部件之一，是容納乘客和司機駕駛（對于有司機室的車輛）的地方，又是安裝與連接其他設備和部件的基礎。軌道交通車體是車輛結構的主體，也是耗費材料最多的部分，據測算一般車體承載結構的重量約占車輛自重的20%～25%。因此，分析軌道交通車體材料選擇的影響因素，研究車體材料的發展對軌道交通行業具有重要的意義。

1 影響軌道交通車體材料選擇的因素

車體的結構形式、性能和技術經濟指標主要取決于車體材料。因此對車體構件和內部裝飾所使用的材料應當注意考慮諸多因素。

1.1 強度和剛性

車體作為軌道交通車輛的受力結構，設計時必須有足夠的強度和剛性，以保證車輛的使用壽命，以及滿足裝置安裝和使用的要求。除了車體的外部形狀以外，車體材料是決定強度和剛性的決定性因素。不同的材料有不同的機械性能，金屬材料具有較強的強度和剛性，早期車體基本上都應用的是金屬材料，隨著材料技術的不斷發展，逐漸出現了機械性能更好的復合材料替代了金屬材料的使用。

1.2 載荷

車體載荷可分為靜載荷和動載荷，靜載荷主要包括車身重量和車身的有效載重，動載荷是車輛運行過程中受到的各方面的沖擊力，動載荷在不斷的變化。車體重量、車體的載重以及車體的抵御沖擊力的能力跟車體材料有些密切的關系。車體材料密度越小，車體重量就相對越輕；車體材料的強度和剛性越好，載重能力和抵御沖擊力的能力越強。車體輕量化主要集中在車身重量的減少，得益于高強度和剛性的低密度材料發展。

1.3 耐候性

耐候性是車體使用壽命的重要指標，軌道交通車輛長期在室外運行要受到氣候的考驗，溫度變化、風吹雨淋、陽光照射等不同程度會對車體的強度和使用性質造成比較大的影響，材料的耐候性越好，說明其使用過程中的穩定性越好，不易受到外界條件變化的影響而導致性能衰減造成較大的安全隱患。因此車體材料選擇時對車體耐候性有較高的要求。

1.4 經濟性

經濟性主要是指資源投入和使用過程中的成本節約水平。軌道交通車輛生產制造過程，車體材料的價格和材料加工的難易程度會影響車輛的造價。為了投入較少資源產出較大利益，車體材料一般選取價格相對便宜、加工難度不大的材料。同時，車體材料也會影響后期維修保養的難易程度，進而影響投入生產運營后的維保成本，因此車體材料也要選擇易于維修的材料。

1.5 舒適性

車體是容納乘客和司機駕駛（對于有司機室的車輛）的地方，對于舒適性有較高的要求，尤其是在隔熱、隔音、減震方面。車體材料的物理和化學性質不同，隔熱能力、隔音效果和減震作用各有不同。為了提高車體的舒適性，在選取材料時結合物理化學性質，優先選取隔熱能力強、隔音效果好、減震作用明顯的材料。

2 傳統軌道交通車體材料的分析

2.1 鋼材料

軌道交通車輛車體材料早期使用的是普通碳素鋼。碳素鋼是近代工業中最早使用并且用量最大的基本材料。碳素鋼的性能主要取決于含碳量，隨著含碳量增加，鋼的硬度和強度升高，但是可塑性、柔韌性以及可焊接性逐漸降低。碳素鋼的價格低廉，適用范圍廣、用量大，早期多用來制作軌道交通車輛車體，但是其耐腐蝕性和耐低溫的性能不足，淬透性稍差。在海洋氣候性的沿海區域和高原區域，車體容易腐蝕和受損，使用壽命比較短。隨著材料學的不斷發展，碳素鋼逐漸地被替代。

耐候鋼即耐大氣腐蝕鋼，其由普通鋼加入少量銅、鎳等元素，其耐大氣腐蝕性能以及涂裝性能優于普通碳素鋼，耐候性為普碳鋼的2～8倍，具有較強的塑性。但是其密度較大，制造出來的車體重量大，導致軌道交通車輛自重大，不利于車輛提高運行速度，同時，也造成了軌道交通牽引能耗的增加。盡管耐候鋼耐腐蝕性較碳素鋼有較大提升，但由于作為鋼材料本身易氧化的特性，仍然不能滿足軌道交通車輛運行的復雜環境。

不銹鋼即不銹耐酸剛，是一種添加合金元素而耐腐蝕的鋼，其最顯著的特征就是高含量的鉻，鉻金屬的含量至少為10.5%。當不銹鋼暴露在空氣中，鉻元素會迅速氧化，可提升其耐腐蝕性。不銹鋼還具有較高強度，冷加工性能好，但不能熱處理強化，不能采用電弧焊，只能使用點焊工藝，其氣密性比較差，不適用于高速行駛的軌道交通車輛。

鋼材料不管有多少種類，其都離不開鐵元素，而鐵元素本身密度比較大，耐腐蝕性比較差，加工工藝以及材料處理手段的更新迭代，都不能從根本上解決其密度大和易腐蝕的特性。

2.2 鋁合金

鋁合金是以以鋁為基本材料添加一定量其他合金化元素的合金，密度較小，約為2.7g/cm3，而不銹鋼的密度是7.64～8 g/cm3，約為鋁合金的3倍，具有較高強度，抗拉強度為110～650 MPa，接近高強度鋼（270～700 MPa）；抗腐蝕性較強，在與空氣接觸時表面能夠形成一層致密的三氧化二鋁保護膜，在氧化膜的保護下能夠防止腐蝕。同時，鋁合金易于加工、制造和維護。隨著金屬加工工藝的發展和應用，擠壓工藝、壓鑄工藝等不斷涌現，以及鋁焊接技術的不斷提高，制造鋁合金軌道車車身的密封性也比鋼制車體提升了很多[2]。

鋁合金呈現的重量輕、強度高、耐腐蝕性好、成型性好和成本相對較低等相對平衡的性能（如表1所示），十分適合用于工業生產的材料。鋁合金最早主要應用于航空工業，直到20世紀80年代，隨著軌道交通運行速度的提升，開始用于制造軌道交通車輛。到目前為止，已大規模應用于時速200km/h以上的軌道交通車輛車體，如中國CRH高速動車、德國ICE系列高速動車、日本新干線、法國雙層TGV高速動車等。鋁合金作為軌道交通車體材料正在快速發展和廣泛應用。在過去十多年的時間，鋁合金制車身逐漸替代了鋼材料車身，軌道車輛向著更輕型和更節能邁進。

表1 不同軌道交通車體材料特性對比Table 1 Comparison of characteristics of different rail transit body materials

但是鋁合金本質上還是金屬，金屬在現代加工工藝和鑄造工藝的基礎上，可以揚長避短，盡最大可能發揮金屬的優勢，但綜合性能受制于金屬材料本身的物理特性，在密度、強度、耐腐蝕性、加工等方面很難有質的飛躍，必須尋找其替代品，脫離金屬本身的特性。在此背景下，纖維復合材料應運而生。

3 纖維復合材料的發展分析

3.1 纖維復合材料的介紹

纖維復合材料是由增強纖維材料，如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等，與基體材料經過纏繞、模壓、拉擠等成型工藝而形成的復合材料[1]。與傳統金屬鋼、鋁合金等材料相比，纖維復合材料可以根據設計需求，進行個性化訂制。通過不同基體和增強材料的選擇，不同比例的調配及采用不同的成型工藝，可以得到綜合性能不同的的新材料，比如良好的耐腐蝕、耐磨、隔音、隔熱、減振降噪、強度高等性能，而傳統的單一材料受制于本身材料的各種物理特性，即使通過添加不同金屬調配，也很難有質的變化。表2列出了不同材料的密度和抗拉強度數據。

表2 不同材料的密度和抗拉強度Table 2 Density and tensile strength of different materials

3.2 纖維復合材料的特點

纖維復合材料在軌道交通車體材料應用，有以下四個特點。一是良好的力學性能，由表2看出，其抗拉強度普遍比傳統金屬材料高一個數量級。二是符合軌道車輛輕量化的發展需求，密度較小，纖維復合車身的重量較輕，在不降低安全性的情況下，復合材料是最有效的方案。三是相對成本較小，盡管材料研發和生產初期成本較高，但軌道交通不僅僅包含生產制造還包括長周期的運營。一方面使用輕量化的車體材料可以降低車輛的能量消耗，降低運營成本；另一方面復合材料具有較強的抗疲勞性能、耐腐蝕性和抗拉強度等性能優于傳統金屬材料，因此后期車輛保修和檢修的周期可以得到延長，運營維護成本可以大大降低，從整個軌道交通車輛的全生命周期來衡量，復合材料可以有效降低成本。四是具有較強的可設計性，通過復合材料基體、增強體的選擇和改變材料的成型工藝等措施能夠滿足各種設計需求。五是具有良好的可靠性和安全性，復合材料具有較強抗疲勞性能和缺口敏感度，在劇烈震動的工況下，強度不會出現劇烈下降，即使材料結構件出現缺口，在振動和沖擊下，不會導致缺口因長期的變載荷而蔓延損傷，而是材料中的應力會向鄰近層轉移。這也是復合材料的零件使用壽命優于傳統金屬材料的重要原因之一[3]。

3.3 纖維復合材料的應用

纖維復合材料主要有碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料[4]、芳綸纖維復合材料等幾種應用。目前，軌道交通車體材料主要是碳纖維的應用，國際上碳纖維復合材料研究起步比較早，日本的新干線N700系列在制造車體的分車體蒙皮和客車窗框使用了碳纖維，法國采用碳纖維和玻璃纖維等復合材料生產了雙層TGV掛車，德國西門子在新開發的列車車體側部使用了碳纖維，韓國TTX擺式列車車體采用碳纖維復合材料制作[5]。國內發展方面，2018年1月，中車長春軌道客車股份有限公司在軌道交通領域研制出具有完全自主知識產權的世界首輛全碳纖維復合材料地鐵車體，車身重量較金屬車身減重了35%[6]。截至目前，纖維復合材料在軌道車輛的應用尚處于起步研究階段，在成本、工藝、設計、材料等諸多條件的限制下，未來其發展和應用還有很長的路要走[7]。

4 軌道交通車體材料的發展趨勢

軌道交通車體的選材是關系軌道交通運營的“安全、可靠、快速、輕量、經濟、適用”的重大因素之一。因此，未來車體材料和加工工藝會不斷變革和發展，具有可設計性的纖維復合材料會逐漸被大規模地推廣和應用。

4.1 輕量化

軌道交通是一個復雜的系統，在高速移動的過程中，與接觸網、軌道、空氣發生復雜的耦合關系。車體輕量化不僅可以減少牽引動力的損耗，而且可以減少車輛轉向架和軌道線路的磨耗，延長車輛的使用壽命，帶來較大經濟效益。傳統金屬材料密度降低，同時也會影響車體結構剛度、強度、氣密強度等車輛性能，并不能完美解決輕量化的問題。纖維復合材料可以在降低材料密度的同時，保持材料較高的強度。未來，車體除了在結構和工藝方面不斷變革，纖維復合材料是解決車體輕量化的最有效途徑。

4.2 舒適性

軌道交通除了貨運車輛以外，客運軌道交通都是為人服務。隨著各種出行方式的快速發展，運輸需求量方面已經可以得到充分滿足，人們越來越多關注運輸途中的舒適性問題。軌道交通運輸途中的噪音和振動是影響乘車體驗的關鍵性因素。隨著纖維復合材料的發展，可以通過工業設計賦予材料“減震隔噪”的特性有效解決這一問題，進而提高軌道交通的舒適性。

4.3 安全性

安全是軌道交通運輸的生命線，而車輛安全最關鍵的就是車體保護，車體材料是影響保護的關鍵因素。纖維復合材料通過設計不僅可以增強車體強度，同時可以吸收撞擊的沖擊力，在劇烈撞擊過程時，通過車體緩沖保護可以減少人員傷亡和財產損失。

4.4 環保化

截至2021年末，國內鐵路客車7.8萬輛，鐵路貨車96.6萬輛，城市軌道交通車輛5.73萬輛[8]，軌道交通車輛生產制造隨著城市軌道交通、市郊鐵路和高速鐵路不斷發展，以及軌道交通車輛的更新和迭代數量也在不斷攀升，未來軌道交通車輛仍然有較大增長空間。纖維復合材料車體自重低，能量損耗少，在生產加工中，對環境污染小，車體材料結實耐用，使用壽命長，回收和利用的成本低，符合綠色低碳的可持續發展理念[9]。

5 結語

軌道交通車體材料發展經歷了從鋼材料到鋁合金、纖維復合材料的持續演變，逐漸呈現多元化發展趨勢。輕量化、提高舒適性和安全性、環保化的軌道材料是軌道交通車輛發展不變的旋律，未來將會有各種各樣的纖維復合材料應于軌道交通車體制造中，替代單一的傳統金屬，為軌道交通發展注入新的活力。