轨道交通行业复合材料应用情况与发展

当前，中国轨道交通建设主要依赖于传统的钢筋混凝土和钢材。随着使用时间的延长，这些材料的老化和损坏问题逐渐显现，同时也存在资源浪费和耐久性差的问题。为应对这些挑战，纤维复合材料因其优异性能而日益受到关注，并已在航空、汽车制造等领域得到广泛应用。

一、碳纤维复合材料在列车上的应用

1、转向架

转向架是轨道交通车辆结构中的重大核心部件，占整车重量的40%。它好比是我们人类的双腿，对于轨道交通车辆的运行有着不可替代的意义。性能优异的转向架上的各种参数直接决定了车辆的稳定性和车辆的乘坐舒适性。转向架构件及各部件参数是否合理，直接影响车辆运行品质，动力性能和行车安全。

转向架主要作用：

• 采用转向架可增加车辆的载重、长度与容积、提高列车运行速度。

• 保证在正常运行条件下，车体都能可靠地坐落在转向架上，通过轴承装置使车轮沿钢轨的滚动转化为车体沿线路运行的平动。

• 支撑车体，承受并传递从车体至车轮之间或从轮轨至车体之间的各种载荷及作用力，并使轴重均匀分配。

• 保证车辆安全运行，转向架相对车体可自由回转，能灵活地沿直线线路运行及顺利地通过小半径曲线。

• 安装了弹簧减振装置，保证车辆具有良好的减振特性，以缓和车辆和线路之间的相互作用，减小振动和冲击，减小动应力，提高车辆运行平稳性和安全性。

• 充分利用轮轨之间的粘着，传递牵引力和制动力，放大制动缸所产生的制动力，使车辆具有良好的制动效果，以保证在规定的距离之内停车。

2、列车车头罩（开闭罩）

采用碳纤维复合材料的车头对于实现列车构件的轻量化有关键作用。可以一次整体成型大尺寸且具复杂曲面的车头罩，满足空气动力学要求的同时，还能减轻自重，为列车提速提供了双重保证。碳纤维复合材料的车头罩还能克服常规金属材料车头罩的高成本、低精度、易腐蚀、难维修等缺点。

据了解，被誉为“粤港澳大湾区”最快地铁、最高时速可达160公里的广州地铁18号线，9月28日首通段正式开通运营。担任运营任务的“湾区蓝”高速地铁列车，不仅采用了高铁动车的子弹头驾驶舱，而且车头头罩采用了轻质高强碳纤维复合材料，这在国内尚属首列。由于碳纤维力学性能优异，比重不到钢的四分之一，强度却是钢的7至9倍，因此，可使列车实现减重、提速目标。

二、芳纶纤维复合材料在列车上的应用

1、芳纶纸

芳纶纸具有高强度、高绝缘等级、阻燃、耐高温、抗潮气、耐化学腐蚀的特点，可用做高速列车电机、变压器系统绝缘材料。相对于其他绝缘材料而言，芳纶纸极限氧指数>28，不会助燃、爆炸或燃烧，不会释放有毒气体，提高了高速列车的安全性和稳定性；芳纶纸的耐热性高，可减少变压器的冷却空间，使得变压器结构紧凑，尺寸减小；芳纶纸具有优异的抗潮气性，可增加电气设备的寿命。虽然国内已有烟台民士达、上海圣欧、深圳龙邦等单位进行了产业化，但是受产业规模和技术能力的限制，国内高端电气绝缘市场依旧被杜邦公司所垄断。

2、芳纶蜂窝

芳纶蜂窝是芳纶纸经过涂胶、切纸、叠合、热压、拉 伸、浸胶、定型、片切等工序加工而成，采用一定工艺将碳纤维面板、玻璃纤维面板、铝板等材料贴合在芳纶蜂窝表面可加工为各种芳纶蜂窝夹层材料。

（1）用于制造列车非承力部件

一般车辆内部配件最常用的复合材料，是由玻璃纤维和阻燃聚酯树脂构成。车窗内饰板、水箱、小便池、集便箱、车前头盖板等，都成功地用玻璃钢制造过，其加工方法有冷压、喷射和手糊，有采用无规则玻璃毡，也有采用半连续玻璃毡。由于芳纶蜂窝夹层板质量轻且易加工，因而在列车的内部设备及一些辅助件开始采用。

（2）用于制造列车承力部件

芳纶蜂窝还可应用于制造高速列车的主承载件，包括高速列车车顶、车体及司机室等部件。与传统的铝制结构相比，这种单轨车的车体自重减轻了40%以上。而且据估算，其造价比铝的要便宜9%，这主要是由于工作量和边角料都减少了。

三、C/C复合材料在列车上的应用

刹车盘是以摩擦材料设计技术和制备工艺技术为核心的刹车制动类产品，用于飞机、坦克装甲车辆和高速列车的刹车制动。刹车盘（副）主要包含粉末冶金刹车盘、炭/炭复合材料刹车盘、C/C/SiC复合材料刹车盘（副）等。粉末冶金刹车盘主要由钢骨架和粉末冶金摩擦片组成，炭/炭复合材料刹车盘（副）是化学气相沉积炭或树脂炭为基体、以炭纤维炭为增强体的复合材料；C/C/SiC复合材料是在炭/炭复合材料的基础上引入Si等陶瓷类元素形成的复合材料。刹车盘产品具有刹车力矩平稳、耐磨损、热稳定性好和重量轻等特点。

从技术层面看，针对未来轨道交通发展的不同需求，纤维材料技术应顺应国家发展战略进行布局：

一是基于本构安全、主被动防护、灾害预警的高安全需求，研发了基于本征阻燃、可降解、低 VOC 的阻燃聚酰亚胺、阻燃 lyocell 纤维、芳纶纤维等，实现了内饰用材料的高阻燃性 ；研发了活性碳纤维滤材、熔喷非织造布纤维素过滤防护膜等，实现了基于纳米功能材料的空气净化。

二是基于综合舒适性、人因工程、振动噪声优化、智慧出行的高品质需求，研发了轻量化复材增韧纤维材料，可实现减震消音、隔热保温等功能。

三是基于高速磁浮、互联互通列车、低阻高速载运的高效率需求，开发了碳纤维预浸料、复合材料板材、片材、工业零部件、轨道交通及汽车轻量化壳体及零部件、无人机壳体、机翼等，广泛应用于工业、航空航天、轨道交通等领域。

四是基于智能驾驶、智能制造、智能运维的高智能需求，利用大数据、区块链技术手段，搭建全生命周期的纤维材料应用，用互联网数据平台，可实现材料可追溯的可信数字化。

五是基于新能源动力、材料回收、低碳低排放的需求，着眼于绿色环保，研发了基于可循环再生材料、可降解材料的内饰设计。