截至2020年，我國高速鐵路運營(yíng)總里程3.8萬(wàn)公里，運營(yíng)里程占世界的2/3，按照國家《中長(cháng)期鐵路網(wǎng)規劃》，到2030年，我國高速鐵路總運營(yíng)里程將達到4.5萬(wàn)公里。城市軌道交通方面，總運營(yíng)里程7900公里，預計2025年將達到1.4萬(wàn)公里。隨著(zhù)我國軌道交通行業(yè)的飛速發(fā)展，與傳統材料相比優(yōu)勢明顯的復合材料被大量應用于軌道車(chē)輛的設計中。采用復合材料制成的結構件具有重量輕、剛度大、強度高等優(yōu)點(diǎn)，還可以有效提高車(chē)輛的舒適性和安全性，減振降噪，降低車(chē)身重量。復合材料已成為軌道交通領(lǐng)域中不可或缺的關(guān)鍵材料。
一、復合材料的優(yōu)勢
在軌道交通中應用最多的纖維復合材料是碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料和芳綸復合材料，與傳統材料相比，復合材料在軌道車(chē)輛上有著(zhù)諸多的應用優(yōu)勢。
1.1 輕質(zhì)高強
隨著(zhù)軌道交通車(chē)輛的運營(yíng)速度提升，對軌道車(chē)輛輕量化的要求也越來(lái)越高。復合材料有著(zhù)輕質(zhì)高強的特點(diǎn)，幾種常見(jiàn)復合材料與金屬材料的力學(xué)性能對比如表1所示，以碳纖維和鋁為例，碳纖維密度1.6g/cm³，僅為鋁密度的57%，強度卻是鋁的3.6倍。在保證結構強度的前提下，采用碳纖維復合材料制作的結構件能夠大大降低重量。
1.2 阻燃性好
軌道交通車(chē)輛安全性的核心之一在于防火，由于車(chē)廂是一個(gè)密閉的空間，如果發(fā)生火災乘客無(wú)法及時(shí)逃離，材料的阻燃性能是一項重要的指標。復合材料可以在分子結構中加入硅、硼等阻燃元素，還可以在基體中加入阻燃劑提高材料的阻燃性，提高了列車(chē)的防火安全。
1.3 耐疲勞性好
通常情況下，金屬材料的疲勞強度比其靜態(tài)強度小得多，而復合材料疲勞強度和靜態(tài)強度相差較小。金屬材料在動(dòng)態(tài)載荷作用下產(chǎn)生的缺口易于擴展，很快形成裂紋;而復合材料由于其層狀特點(diǎn)，裂紋在材料中不易擴散，不會(huì )有長(cháng)久變形的情況，提高了結構抗疲勞能力。
1.4 高阻尼
軌道交通車(chē)輛在運行時(shí)必然會(huì )產(chǎn)生振動(dòng)，與金屬材料相比，復合材料還擁有高阻尼的特性，可以減少振動(dòng)、保護車(chē)輛運行安全、降低車(chē)體噪音、提高車(chē)輛舒適性以及減少設備的損傷。
1.5 耐腐蝕性好
軌道交通車(chē)輛運營(yíng)時(shí)需要面對室外復雜的環(huán)境情況，金屬材料的腐蝕問(wèn)題一直是技術(shù)難點(diǎn)。而復合材料具有良好的耐腐蝕性，能很好的應對腐蝕問(wèn)題，延長(cháng)軌道車(chē)輛的使用壽命，降低維修成本。
1.6 可設計性好
復合材料有著(zhù)高比模量、高比強度的特點(diǎn)，并且這一力學(xué)性能可變化范圍較寬，通過(guò)復合材料基體、纖維的選擇和改變材料的成型工藝等措施能夠滿(mǎn)足不同的設計需求。
二、復合材料在軌道交通中的應用
2.1 復合材料在車(chē)體結構中的應用
車(chē)體是車(chē)輛上供裝載貨物或乘客的部分，車(chē)體結構質(zhì)量占比最高，以一般地鐵列車(chē)一節中間車(chē)輛為例，其各部分質(zhì)量的分配如圖1所示，其中車(chē)體占總質(zhì)量的36%。車(chē)體結構中應用復合材料可使整車(chē)質(zhì)量降低10%。
2000年，法國開(kāi)發(fā)了采用碳纖維、玻璃纖維等復合材料的雙層TGV掛車(chē)樣車(chē)，該車(chē)體有著(zhù)優(yōu)異的振動(dòng)和絕熱防火性能，采用復合材料的車(chē)體較鋁合金車(chē)體減重25%。2007年韓國研制TTX擺式高速列車(chē)，車(chē)體使用碳纖維復合材料，車(chē)體結構總質(zhì)量降低約40%，該車(chē)已于2010年正式投入商業(yè)化運營(yíng)。
國內復合材料在軌道交通車(chē)輛車(chē)體結構中應用的研究相對較晚，但發(fā)展迅速。北京地鐵14號線(xiàn)和青島地鐵3號線(xiàn)中采用了酚醛/玻璃纖維復合材料的司機室端罩、車(chē)頭罩，主要是利用了該材料力學(xué)性能好、抗穿透性能強及耐熱性能好等特點(diǎn)。
“復興號”標準動(dòng)車(chē)組車(chē)頭罩采用了碳纖維復合材料，流線(xiàn)型的車(chē)頭使得整車(chē)運行阻力降低12%，平均百公里能耗下降17%。同時(shí)碳纖維復合材料的高強特性，保證了車(chē)頭有著(zhù)更好的抗沖擊能力。2021年9月，被譽(yù)為“粵港澳大灣區”最快地鐵，最高時(shí)速可達160公里的廣州地鐵18號線(xiàn)開(kāi)通運營(yíng)，同樣采用了碳纖維車(chē)頭罩，輕量化的設計使得車(chē)輛更加節能環(huán)保。
2018年9月，全球首輛全碳纖維結構的輕量化地鐵車(chē)輛“CETＲOVO”亮相柏林國際軌道交通技術(shù)展。該車(chē)在司機室、車(chē)體等部結構件中全面應用了碳纖維復合材料，由于碳纖維復合材料密度小，強度高，整車(chē)質(zhì)量明顯下降，尤其是該地鐵車(chē)輛車(chē)體、司機室、設備艙等部件相比以往采用金屬材料減重30%以上。
2.2 復合材料在轉向結構中的應用
2.2.1 轉向架的主要功能
轉向架是有軌列車(chē)在軌道上運行的關(guān)鍵部件，其性能決定了列車(chē)的可靠性和安全性。轉向架的主要功能包括以下幾個(gè)方面：
(1) 在列車(chē)與軌道間順利傳遞牽引力與制動(dòng)力;
(2) 承受車(chē)體重量和傳遞車(chē)體與輪對間的載荷，對軸重進(jìn)行平均分配;
(3) 減少道路不平對列車(chē)產(chǎn)生的振動(dòng)，保障列車(chē)運行平穩安全;
(4) 為列車(chē)在曲線(xiàn)運行段提供良好的穩定性及通過(guò)能力;
(5) 將車(chē)輪的滾動(dòng)轉化為平動(dòng)。
2.2.2 復合材料在轉向結構中的應用
近些年，隨著(zhù)列車(chē)時(shí)速的不斷提升，傳統金屬轉向架的缺陷日漸凸顯，存在轉向架重量大、輪對與軌道的摩擦大、維護成本高、曲線(xiàn)運行能力差、噪聲大以及不夠節能環(huán)保等問(wèn)題。采用新型材料對轉向架進(jìn)行輕量化設計已經(jīng)成為高速列車(chē)的發(fā)展趨勢。
2014年，日本川崎重工開(kāi)發(fā)了首個(gè)使用碳纖維增強樹(shù)脂基復合材料做主承載結構的轉向架“efWING”，該轉向架將原來(lái)剛性焊接構架改為柔性結構，與傳統金屬材料轉向架相比，減重達40%。
我國復合材料在高速列車(chē)轉向架上的應用起步較晚。其中中車(chē)南京浦鎮車(chē)輛有限公司2016年試制了209P碳纖維復合材料轉向架，實(shí)現了批量裝車(chē)運行考核，目前已安全運營(yíng)超過(guò)100萬(wàn)公里。中車(chē)青島四方機車(chē)股份有限公司在其發(fā)布的“CETＲOVO”全碳纖維結構地鐵車(chē)輛中應用了碳纖維復合材料轉向架，如圖5所示，與傳統轉向架相比，實(shí)現了減重40%。
2.3 復合材料在制動(dòng)結構中的應用
目前，高速列車(chē)制動(dòng)盤(pán)材料大致可分為兩類(lèi):一類(lèi)是傳統的金屬材料;另一類(lèi)是復合材料，如鋁基復合材料、C/C復合材料等。幾種常見(jiàn)不同制動(dòng)盤(pán)材料性能對比如表2所示，以鋁基陶瓷復合材料和鍛鋼為例，鋁基復合材料密度2.9g/cm³，僅為鍛鋼的37%，導熱系數卻是鍛鋼的3倍。
金屬制動(dòng)盤(pán)結構工藝成熟、成本低廉，普遍應用在低速列車(chē)上。隨著(zhù)列車(chē)時(shí)速的不斷提高，制動(dòng)盤(pán)承受的制動(dòng)能量越來(lái)越大，傳統的金屬制動(dòng)盤(pán)難以適應列車(chē)高速化、輕量化的發(fā)展要求。因此，國內外對復合材料制動(dòng)盤(pán)開(kāi)展了大量研究。在20世紀70年代中期，美國本迪斯公司推出了一種半金屬石墨復合材料，開(kāi)創(chuàng )了復合材料在剎車(chē)片上的應用先河。
我國復合材料剎車(chē)片的研究起步較晚，2019年桂林理工大學(xué)喻亮等研究了一種高速列車(chē)制動(dòng)盤(pán)，該摩擦制動(dòng)盤(pán)采用碳化硅增強鋁基復合材料，能夠滿(mǎn)足380km/h高速下緊急制動(dòng)需求。此外，中南大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等單位也相繼開(kāi)展了高速列車(chē)用復合材料制動(dòng)盤(pán)的研究，但到目前為止均處于試驗階段。
2.4 復合材料在行李架和設備艙等結構中的應用
我國和諧號CRH5動(dòng)車(chē)組中的行李架、頂板、墻板等位置，應用了芳綸蜂窩夾層結構。芳綸蜂窩夾層結構是利用芳綸紙蜂窩芯材用上下兩個(gè)蒙皮黏合后形成的結構。芳綸紙蜂窩芯材，具有多個(gè)六角形單元構成的結構體，可以制成重量輕、強度高的結構，與高密度的蒙皮黏合后的蜂窩夾層結構具有極高的比強度，同等重量下的強度約為實(shí)心鋼的10倍。
2019年10月，中車(chē)研究院聯(lián)合中車(chē)四方股份公司與中德軌道聯(lián)合研發(fā)中心在全碳纖維地鐵車(chē)的基礎上，研制出高速列車(chē)全碳纖維復合材料設備艙。
除此之外，復合材料在軌道交通車(chē)輛其他部位的應用也十分廣泛，例如導流板、車(chē)鉤、客室墻板、臥鋪、內飾等。隨著(zhù)復合材料的發(fā)展以及對車(chē)輛結構要求的提高，將有更多的復合材料被應用于軌道交通領(lǐng)域。
來(lái)源：纖維復合材料
.png)
