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浅谈碳纤维材料在轨道交通车辆上应用现状及发展

发表时间：2021/4/16 来源：《中国科技信息》2021年5月作者：周莹

[导读] 随着人们对轨道交通速度、舒适度等要求的不断提高，对轨道车辆材料性能提出了更高的要求。碳纤维材料由于其重量轻、抗变形和耐腐蚀的优点，在越来越多的轨道交通车辆上得到应用。

中车长春轨道客车股份有限公司吉林长春周莹 130062

摘要：随着人们对轨道交通速度、舒适度等要求的不断提高，对轨道车辆材料性能提出了更高的要求。碳纤维材料由于其重量轻、抗变形和耐腐蚀的优点，在越来越多的轨道交通车辆上得到应用。为此，本文对碳纤维材料在轨道车辆上的应用进行探讨，希望对促进我国轨道交通事业的发展，可以起到有利的作用。
关键词：碳纤维材料轨道车辆应用
        随着高新科技的迅猛发展和全球经济一体化的飞速发展，城市轨道交通车辆已成为人们生活中不可分割的一部分，它具有安全、快捷、准时、大运能、绿色环保等突出特点，对推进城市现代化进程、改善交通运输环境发挥了巨大推动作用，这也对轨道交通车辆提出了更高的要求，目前研发先进材料在城市轨道交通行业上的应用起着关键作用。随着人们研究的深入，碳纤维复合材料逐渐进入了研究者的视野。本文针对碳纤维复合材料车体进行研究，以期对未来轨道车辆发展方向提供参考。
        1.碳纤维材料的介绍
        碳纤维是由有机纤维经过一系列热处理转化而成，含碳量高于90%的无机高性能纤维，是一种力学性能优异的新材料，具有碳材料的固有本性特征，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等。碳纤维的主要特性：①碳纤维的密度小，比一般的金属材料密度小，它的比重不到钢的1/4，是铝合金的1/2，可以有效减轻车体重量，降低车辆能耗，因此碳纤维车体可以称为“绿色车体”。②碳纤维复合材料的抗拉强度可达到3000-4000Mpa，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为23000-43000Mpa亦高于钢。③碳纤维复合材料的耐腐蚀性能好。能够应对隧道及室外潮湿等较为恶劣的环境，不仅延长车辆及设备的使用寿命，而且降低了维修维护成本和运营维护的工作量。 ④碳纤维复合材料热膨胀系数小，稳定性好，导热系数小，是优良的绝热材料[1]。⑤碳纤维复合材料优异的防火性能可很好的满足轨道交通火灾等意外情况。
        2. 碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用现状
        （1）碳纤维材料在车体上的应用
        车辆的车体是用于容纳乘客、和安装各种设备的部件，由转向架支撑，主要起承载作用，是车辆的一个重要组成部分，也是车辆其他组成部分安装的基础。目前，轨道交通车辆车体材料主要有不锈钢、碳钢和铝合金。碳钢车体的重量较大，焊接变形量大、容易腐蚀；不锈钢车体重量大、局部焊接变形、车体密封性差；铝合金车体和钢车车体相比重量较轻，但对焊接工艺要求较高、表面处理困难、存在应力腐蚀问题，且铝合金车体的静强度较低。基于目前这种情况，车体应研发使用新的材料。碳纤维复合材料作为一种先进的材料，成为了轨道交通车辆车体材料研究的重点。
        碳纤维材料的运用除了轻量化，还需要保证车辆及设备的性能不受影响。采用碳纤维三明治复合材料构件铝蜂窝夹芯结构更容易实现轻量化，与传统铝合金车体相比，碳纤维复合材料车体外壳不仅总重量减少了40%，并且车体的静强度、抗疲劳强度、防火安全性等各项性能指标均能满足设计要求。国内碳纤维复合材料在轨道车辆的应用研究相对较晚，但发展速度迅速，已形成一些成果。中车四方研制的更高速度等级试验列车采用了碳纤维复合材料头罩，减重约 50%；2018 年，中车长春轨道客车股份有限公司在轨道交通领域研制出具有完全自主知识产权的世界首辆全碳纤维复合材料地铁车体，并在柏林展会中亮相，车辆采用碳纤维复合材料车体，实现了列车轻量化设计，与采用钢、铝合金等传统材料相比，整车重量得到了大幅度的降低。

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        （2）碳纤维材料在前端车罩上的应用
        列车在高速行驶的时候，前端受到很大的阻力，约占列车运行总阻力的50％。因此优化轨道列车动力学前端的结构可以降低能耗，提高列车运行的稳定性。碳纤维复合材料制造的轨道车辆前端可以承受很大的压力，强度和刚度都可以满足列车的运行要求。传统的前端车罩是由玻璃钢树脂制成的，碳纤维复合材料是由碳纤维预浸料和环氧树脂制作的，为了增强材料的保温和隔噪性能，在内部会附加一层的泡沫，其强度比传统的材料更高，但是其质量仅为传统材料的2/3，对于降低机车运行的耗能，可以发挥一定的作用。由于机车需要常年进行运行，因此对车辆的使用寿命往往较高，在通常的情况下，其应该连续使用30年以上，对材料的耐气候性和耐腐蚀性提出了较高的要求。碳纤维复合材料正好具备较强的耐腐蚀性能，其化学成分十分稳定，在酸碱的环境中，在保持优良性能的同时，依然可以连续工作非常时间。此外，由于碳纤维材料的硬度和轻度很高，车辆在高速运行的过程中，高速的气流不会对材料本体造成什么影响。此外，这种前端具有很强的抗冲击能力[2]。
        （3）碳纤维材料在内饰件上的应用
        碳纤维目前应用的最广泛的是在内饰件方面。相较于金属材料，采用碳纤维复合材料制造的车门、车窗、座椅，大幅度的减轻了重量。车辆的墙板、顶板、地板等都有碳纤维复合材料的应用，且重量仅有铝材料的一半。传统的客室墙板是采用玻璃钢板制作而成的，为了有效增强墙板的刚度，一般会对墙板的龙骨采用铝合金加强材料，这增加了墙板的重量。碳纤维墙板是采用碳纤维复合板制成的，由于其强度可以满足使用的要求，其结构更为简单，制造工艺也得到了简化，整体的墙板质量得到了减少，其表面光滑和美观程度比传统的墙板更好。在传统的乘客座椅中，其整体结构是由塑料制成的，同时使用大量的金属部件，来提高座椅的强度，不仅重量较大，且座椅的刚性较差，极大影响了乘坐的稳定性，还容易出现损坏的现象。碳纤维复合材料在乘客座椅上的应用，主要是作为座椅的机构部分，其重量只有传统座椅结构的一半左右，但其强度比传统座椅结构强度更高，乘客乘坐的稳定性也可以得到保证。
        （4）碳纤维材料在轨道车辆隔音上的应用。
        在以往轨道车辆的隔音降噪方面，主要采用的是岩棉和玻璃丝绵，其重量很大，材料的环保性能很差，且不可重新回收利用。在对车辆性能要求和节能环保性要求不断提高的背景下，越来越多的轨道车辆选择使用碳纤维丝绵作为车辆隔音降噪材料，在同样的隔音降噪水平上，其重量仅为玻璃丝绵的2/3左右。此外，碳纤维丝绵的防火性能也很好，可满足车辆较高的防火性能要求[3]。
        3.结语
        碳纤维材料是具有良好性能的新型材料，在很多领域都获得了很好的应用，相信在未来，碳纤维复合材料会深入到更多的领域。
        在轨道列车领域，碳纤维复合材料具有质量较轻但强度较高的特点，降低了车体及内饰件的重量，一定程度上降低了能耗；碳纤维前端不仅减少了重量，且具有较好的耐腐蚀性；碳纤维丝绵作为隔音隔热材，大幅度减少了重量，提高了隔音性能，并具有更高的防火性能。
        随着科研机构及企业对新型复合材料在轨道车辆上应用研究越来越深入，不断克服技术难题，轨道交通车辆新材料应用方面必将获得大发展，将会为用户提供越来越多、更加舒适性的产品。
【1】王媛媛. 碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用浅析[J]. 现代制造技术与装备. 2019（7）：97-99
［2］李天亮 . 碳纤维复合材料在轨道客车上应用前景分析 [J]. 装备制造技术. 2016（4）： 159-161
［3］李占一. 碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用 [J]. 科技创新导报.2018（20）：46-47