碳纤维复合材料在国内外轨道车辆中的应用（上）

目前轨道交通车辆主要有有轨电车、地铁、轻轨以及动车组等。据中国国家铁路集团有限公司数据，截至2023年底，我国投入运营的高铁总里程已经超过了45000 km，占全球高铁总里程50%以上，国家发改委在2016年印发《中长期铁路网规划》，其中显示未来我国高铁里程将持续保持快速增长。与此同时，对轨道交通车辆的节能性、舒适性和载客能力提出了更高要求，这就要求轨道交通车辆装备技术不断优化。

1 碳纤维复合材料(CFRP)简述

CFRP 有着强度高、密度小、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、冷热变形系数小等优异性能，而且还能够实现一材多能、一材多用，因此CFRP被称为21 世纪最具有潜力的材料之一，目前在汽车、医疗器械、航空航天、体育用品、风电叶片等领域已经得到了十分普遍的应用。

相比传统金属材料而言，CFRP的密度要小很多，但其强度却是传统金属材料的数倍，而且CFRP具有优良的韧性，因此其比模量和比强度均高于传统金属材料。基于CFRP质轻和高强的优异特性，其应用于轨道车辆能够显著减轻车辆质量，使得车辆的运营能力大幅提升的同时也达到了节能降耗的目的，因而相对于传统材料轨道车辆承载结构而言，CFRP在力学性能方面具有明显优势，见表1。

2.2 舒适性方面的优势

CFRP是一种高阻尼材料，其阻尼仅为金属材料的 1/100~1/10，因此 CFRP 应用于轨道车辆能够减小车体构件振动，从而提升乘客乘坐轨道车辆时的舒适体验。同时，CFRP属于热的不良导体，其热导率仅为金属材料的 3/1 000~5/100。CFRP 与金属材料热导率对比见表2。

CFRP应用于轨道车辆可以使车辆具有优良的隔热性能，能有效降低车辆制造过程中隔热材料的占比。而且CFRP的冷热变形系数也小于金属材料，使得CFRP构件的尺寸相对金属材料更为稳定。此外，CFRP还具有良好的隔音和抗磁性能。基于 CFRP 具有的上述优良特性，乘客在乘坐轨道车辆时能够获得良好的乘坐体验。

2.3 安全性方面的优势

CFRP中分布着数量庞大的独立纤维，单位体积内分布的纤维数量成千上万，这些增强纤维与树脂基体之间形成了各不相同的相与界面，从力学角度看 CFRP 为经典的静不定体系，若 CFRP 构件承受的载荷超出其承载极限，同时构件中少许纤维出现断裂时，施加在CFRP上的载荷便会快速进行重新分布，最终将载荷转移分布到没有出现损坏的纤维上，如此，当CFRP构件因为超出载荷导致少量纤维受损断裂时，其各向异性属性能够阻止裂纹进一步加剧，使得CFRP构建在一段时间之内仍然能够承受一定的载荷，不会出现构件很快失效的现象。基于此，CFRP 比其他材料的耐疲劳性能更佳。CFRP具有良好的水密性、气密性和耐腐蚀性，CFRP构件拥有比金属构件更长的使用寿命。此外，CFRP的比强度和比模量远高于金属材料，其碰撞吸能性是金属材料的3~7倍，使其具有优异的抗冲击性和减振性。综上，CFRP拥有的优异特性能够保证轨道车辆具有更强的安全性。

CFRP的树脂基体、纤维、织物等原材料种类丰富，且不同的配比、不同的生产工艺、不同的纤维比例、不同的铺层工艺都会造成CFRP的理化性能和力学性能显著不同，因此，CFRP具有很强的可设计性，这些是传统金属材料无法企及的。轨道车辆金属构件成型需要通过大量的焊接、铆接、螺栓连接等，CFRP则可以根据构件的结构不同和厚度不同等进行模具设计和铺层设计，尤其针对构件中一些需要凸起、过渡、加厚、加筋、加棱的地方可以通过优化铺层设计实现一次性整体成型，使CFRP构件具有很好的完整性、保温性及气密性。

上世纪90年代，瑞士辛德勒车辆公司以CFRP为主，生产出一款整体式CFRP车体(见图1)，该车车身整体质量较轻，在线路运行验证试验中最高运行速度达到了140 km/h，而且通过线路试运行证明该车具有良好的舒适性与安全性，由于该车车体成型采用的缠绕工艺、成型工艺复杂，最终该车体无法实现量产。

2000 年，法国国营铁路公司（SNCF）以 CFRP 为主制造了一款双层TGV型车体（图2），该车体通过CFRP蜂窝夹层复合材料真空袋压固化工艺(VBPM)成型出单节为5 m的车体标准化模块。由于CFRP 的大量应用，该新型双层 TGV 车体的质量降低到原铝合金车体的75%左右，且该CFRP车体在线路试运行中通过了承载性能、抗冲击性能、降噪性能、阻燃性能、隔热性能等指标的验证。

2007年，韩国铁路研究院（KRRI）以不锈钢为增强骨架，以 CFRP 蒙皮-铝蜂窝夹芯-CFRP 蒙皮的“三明治”结构为车顶和侧墙，研制出一款 TTX 型摆式列车，其车体见图3，该列车在试运行中跑出了 180 km/h 的行驶速度。该车体车身整体质量为原不锈钢车身的72%，而且车体具有良好的强度阻燃性、抗疲劳性、抗振阻尼性，通过试运行证明该车的安全性和舒适性良好，并于 2010 年正式进行商业运营。

2014年，日本川崎重工（Kawasaki）研制出新型的EFWING转向架(见图4)，该转向架为CFRP柔性构架，替代了原来的金属焊接刚性构架。该转向架的核心承载构件为转向架两侧的梁状类弓形弹簧，该新型转向架去除了传统二系弹簧，简化了转向架结构，其质量降低到原金属侧梁的60%。