碳纤维复合材料在轨道交通中的应用

随着轨道交通速度的持续提高，车辆能耗问题日益凸显。为有效降低能耗，轻量化设计已成为轨道交通领域的重要策略和趋势。轨道车辆运营商对新车型的要求也愈发严格，不仅追求更低的能耗、更快的速度、更高的运载能力、更强的防护性能和更长的使用寿命，还强调维护的便捷性。与此同时，乘客的期望集中在舒适的乘车环境、愉悦的乘坐体验以及车辆生产过程的环保性。展望未来，轨道交通装备的发展将聚焦于轻量化、绿色环保、安全可靠和高效运行。碳纤维复合材料因其优异的强度重量比、耐腐蚀性和抗疲劳性，成为轨道交通行业的理想选择。

尽管国内已有碳纤维复合材料车体部件的设计与制备研究，但这些研究往往受限于传统金属车体结构的设计和制造理念，未能充分展现碳纤维复合材料的独特优势，尤其是在大型复杂承载结构件的批量生产应用方面仍有待突破。

碳纤维复合材料在轨道交通领域的应用正逐步扩大，主要应用于高速铁路、地铁和轻轨等系统。行业研究表明，碳纤维复合材料能够使列车减重约30%-40%，从而提高能效和运营效率。此外，碳纤维复合材料的应用已从最初的非承载结构，如内饰、裙板、导流罩等零部件，发展到如今的主承载结构，包括顶盖、设备舱、车体等重要部分。

2023年，中国轨道交通市场对碳纤维复合材料的需求规模约为10亿美元，主要受益于高铁网络的快速扩展和城市轨道交通建设的增加。根据中华人民共和国交通运输部的统计，2023年，中国铁路营业总里程159,000公里，其中高铁里程已达到45,000公里，全球占比超过60%。全年完成交通固定资产投资39142亿元，铁路固定资产投资7645亿元，比上年增长7.5%。投产新线3637公里，其中高铁2776公里。在2023年，中国轨道交通市场对碳纤维复合材料的需求达到了约10亿美元，这一增长主要得益于高铁网络的迅猛扩张和城市轨道交通建设的持续增加。根据中华人民共和国交通运输部的数据，截至2023年，中国铁路营业总里程达到159,000公里，其中高铁里程占据了45,000公里，全球占比超过60%。同年，中国交通固定资产投资达到39142亿元，其中铁路固定资产投资为7645亿元，同比增长7.5%。新投产线路达3637公里，其中高铁线路为2776公里。随着国内新线路的不断投资建设，市场对轻量化、高强度材料的需求将持续增长，碳纤维复合材料的市场潜力由此可见一斑。

（来源：中华人民共和国交通运输部）

主要成型工艺

当前轨道交通领域的碳纤维复合材料制造技术主要遵循了传统的成型方法，包括使用热压罐、手工铺设、拉挤、缠绕等技术。

• 热压罐技术：热压罐工艺是一种成熟的方法，广泛应用于航空航天领域。它通过在封闭的罐体内施加压力和温度，使树脂固化和复合材料成型。这种方法的优点在于能够生产出结构复杂、性能稳定的复合材料部件，但其设备成本高，能耗大，生产周期较长。

• 拉挤技术：拉挤成型技术是一种连续生产复合材料型材的方法，特别适用于生产具有恒定横截面的长纤维增强复合材料。这种技术的优势在于纤维含量、原材料使用效率以及生产效率都较高。相较于手工铺设，拉挤技术对环境的影响较小。但拉挤工艺生产的型材通常截面形状较为简单，对于复杂形状的型材生产有一定的限制。

• 缠绕工艺：缠绕工艺是一种连续的纤维放置技术，其中连续的纤维（如碳纤维）沿着一个或多个轴线以特定的角度和层数缠绕在一个模具或芯轴上，然后通过树脂浸渍和固化来形成复合材料结构。其自动化程度高、结构设计灵活性、材料利用率高。主要用于制造轨道交通领域中的管道、压力容器、罐体、传动轴等具有圆形或类似几何形状的部件。

• 真空压袋工艺：真空压袋工艺是一种复合材料固化技术，通过在预浸渍的纤维层上覆盖一层柔性薄膜，并抽取薄膜下的空气形成真空，然后在一定温度和压力下固化树脂。该工艺有均匀的压力分布和低孔隙率。相较于热压罐工艺，其设备要求简单，成本较低。适用于制造平面或简单曲面结构的复合材料部件，如车厢地板、顶板、侧墙等。

• 手工铺设：手工铺设是一种传统的复合材料制造方法，适用于小批量或定制化生产。但由于其劳动强度大、生产效率低、质量难以控制等问题，不适合大规模生产。此外，手工铺设过程中使用的粘合剂和树脂可能对环境造成污染。

• OOA（Out-of-Autoclave）方法：OOA技术是为了克服传统热压罐工艺的局限性而开发的。它不需要使用大型热压罐，可以在较低的温度和压力下固化树脂，从而降低成本和提高生产效率。然而，OOA在制造高纤维含量的零件时，可能会遇到树脂固化不完全、纤维分布不均等问题，限制了其在某些高性能要求场合的应用。

在轨道交通领域，这几种工艺可以相互补充，缠绕工艺适用于制造复杂形状的结构件，而真空压袋工艺则适合生产大面积的平面或曲面部件。热压罐工艺则因其能够提供均匀的压力和温度，适用于生产精度要求高、结构复杂的复合材料部件，确保了材料的高性能和可靠性。拉挤工艺则因其高效的生产能力和成本效益，适合大规模生产标准化、形状规则的型材和管材。通过多种工艺的结合，可以充分发挥它们的优势，制造出既轻量化又具有高性能的碳纤维复合材料部件，满足轨道交通车辆对高性能复合材料的需求。随着技术的不断进步，这些工艺也在不断完善，推动轨道交通领域向更高效、更环保的方向发展。

应用案例

• 2024年6月，中车四方携手青岛地铁共同打造的全球首款商业运营碳纤维地铁——"CETROVO 1.0 碳星快轨" 在青岛亮相。这款新型列车相比常规地铁减轻了11%的重量，确保了在30年的使用周期中不会出现疲劳和腐蚀等问题，大幅减少了维护需求，并显著降低了整个生命周期的成本。

• 2024年9月，中车齐车、国家能源集团铁路装备公司及北京低碳清洁能源研究院共同研发的全球首批碳纤维复合材料轻量化重载铁路货车正式投产，这一里程碑事件显示我国在重载铁路装备新材料制造及研发方面实现了重要进展，对于推动我国重载铁路运输向绿色低碳方向发展，具有深远的影响力和示范效应。

这款货车是首次将新型材料用于重载铁路货车主体承载结构的制造。该复合材料的比强 度和比模量分别是传统铝合金的3至5倍和1.5至1.8倍，极大地满足了重载货车轻量 化及大型结构件的生产需求，展现了更轻、更节能、更高强度、更强环境适应性的技术 特点。采用这种新型高性能材料的铁路货车车体，其自重比同类铝合金车体减轻了超过 20%，自重系数仅为0.22，达到了国内同轴重铁路货车的顶尖水平，实现了车辆自重 的减轻、载重能力的提升和容积的增大，这对提高铁路运输效率具有极其重要的意义。

碳纤维复合材料在轨道交通中的应用主要集中在车辆生产、精密制造等方面，特别是在高速列车的车体、动力学前端、制动装置等关键部件上的应用。例如，碳纤维复合材料制造的轨道列车动力学前端能够承受很大的正负压，满足列车运行中对强度和刚度的要求。此外，碳纤维复合材料的车体不仅减轻了重量，还提高了乘车的舒适度和绝热防火性能。

在经济效益方面，碳纤维复合材料的应用有助于提高轨道交通工具的性能，降低能耗，减少维护成本，从而具有显著的经济效益。然而，我国碳纤维产业的产能利用率仍有很大的提升空间。根据中车青岛四方的数据统计，目前我国碳纤维理论产能已超过30000吨，运行产能约26500吨，但实际产量仅约12000吨，产能利用率不到50%。此外，碳纤维复合材料在轨道交通领域的应用还面临一些挑战，如关键辅料和装备设施的供给问题，以及碳纤维复合材料设计—评价—验证能力不足等。为了推动碳纤维复合材料在轨道交通领域的广泛应用，需要进一步加大科研力度，提升技术水平，加强产业链上下游的协同，以及完善相关的标准体系和应用数据库。