截至2020年，我國高速鐵路運營總里程3.8萬公里，運營里程占世界的2/3，按照國家《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2030年，我國高速鐵路總運營里程將達到4.5萬公里。城市軌道交通方面，總運營里程7900公里，預(yù)計2025年將達到1.4萬公里。隨著我國軌道交通行業(yè)的飛速發(fā)展，與傳統(tǒng)材料相比優(yōu)勢明顯的復(fù)合材料被大量應(yīng)用于軌道車輛的設(shè)計中。采用復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)件具有重量輕、剛度大、強度高等優(yōu)點，還可以有效提高車輛的舒適性和安全性，減振降噪，降低車身重量。復(fù)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(fù)合材料的優(yōu)勢
在軌道交通中應(yīng)用最多的纖維復(fù)合材料是碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料和芳綸復(fù)合材料，與傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料在軌道車輛上有著諸多的應(yīng)用優(yōu)勢。
1.1 輕質(zhì)高強
隨著軌道交通車輛的運營速度提升，對軌道車輛輕量化的要求也越來越高。復(fù)合材料有著輕質(zhì)高強的特點，幾種常見復(fù)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(jié)構(gòu)強度的前提下，采用碳纖維復(fù)合材料制作的結(jié)構(gòu)件能夠大大降低重量。
1.2 阻燃性好
軌道交通車輛安全性的核心之一在于防火，由于車廂是一個密閉的空間，如果發(fā)生火災(zāi)乘客無法及時逃離，材料的阻燃性能是一項重要的指標。復(fù)合材料可以在分子結(jié)構(gòu)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(fù)合材料疲勞強度和靜態(tài)強度相差較小。金屬材料在動態(tài)載荷作用下產(chǎn)生的缺口易于擴展，很快形成裂紋;而復(fù)合材料由于其層狀特點，裂紋在材料中不易擴散，不會有長久變形的情況，提高了結(jié)構(gòu)抗疲勞能力。
1.4 高阻尼
軌道交通車輛在運行時必然會產(chǎn)生振動，與金屬材料相比，復(fù)合材料還擁有高阻尼的特性，可以減少振動、保護車輛運行安全、降低車體噪音、提高車輛舒適性以及減少設(shè)備的損傷。
1.5 耐腐蝕性好
軌道交通車輛運營時需要面對室外復(fù)雜的環(huán)境情況，金屬材料的腐蝕問題一直是技術(shù)難點。而復(fù)合材料具有良好的耐腐蝕性，能很好的應(yīng)對腐蝕問題，延長軌道車輛的使用壽命，降低維修成本。
1.6 可設(shè)計性好
復(fù)合材料有著高比模量、高比強度的特點，并且這一力學(xué)性能可變化范圍較寬，通過復(fù)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足不同的設(shè)計需求。
二、復(fù)合材料在軌道交通中的應(yīng)用
2.1 復(fù)合材料在車體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
車體是車輛上供裝載貨物或乘客的部分，車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比最高，以一般地鐵列車一節(jié)中間車輛為例，其各部分質(zhì)量的分配如圖1所示，其中車體占總質(zhì)量的36%。車體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用復(fù)合材料可使整車質(zhì)量降低10%。
2000年，法國開發(fā)了采用碳纖維、玻璃纖維等復(fù)合材料的雙層TGV掛車樣車，該車體有著優(yōu)異的振動和絕熱防火性能，采用復(fù)合材料的車體較鋁合金車體減重25%。2007年韓國研制TTX擺式高速列車，車體使用碳纖維復(fù)合材料，車體結(jié)構(gòu)總質(zhì)量降低約40%，該車已于2010年正式投入商業(yè)化運營。
國內(nèi)復(fù)合材料在軌道交通車輛車體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的研究相對較晚，但發(fā)展迅速。北京地鐵14號線和青島地鐵3號線中采用了酚醛/玻璃纖維復(fù)合材料的司機室端罩、車頭罩，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。
“復(fù)興號”標準動車組車頭罩采用了碳纖維復(fù)合材料，流線型的車頭使得整車運行阻力降低12%，平均百公里能耗下降17%。同時碳纖維復(fù)合材料的高強特性，保證了車頭有著更好的抗沖擊能力。2021年9月，被譽為“粵港澳大灣區(qū)”最快地鐵，最高時速可達160公里的廣州地鐵18號線開通運營，同樣采用了碳纖維車頭罩，輕量化的設(shè)計使得車輛更加節(jié)能環(huán)保。
2018年9月，全球首輛全碳纖維結(jié)構(gòu)的輕量化地鐵車輛“CETＲOVO”亮相柏林國際軌道交通技術(shù)展。該車在司機室、車體等部結(jié)構(gòu)件中全面應(yīng)用了碳纖維復(fù)合材料，由于碳纖維復(fù)合材料密度小，強度高，整車質(zhì)量明顯下降，尤其是該地鐵車輛車體、司機室、設(shè)備艙等部件相比以往采用金屬材料減重30%以上。
2.2 復(fù)合材料在轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
2.2.1 轉(zhuǎn)向架的主要功能
轉(zhuǎn)向架是有軌列車在軌道上運行的關(guān)鍵部件，其性能決定了列車的可靠性和安全性。轉(zhuǎn)向架的主要功能包括以下幾個方面：
(1) 在列車與軌道間順利傳遞牽引力與制動力;
(2) 承受車體重量和傳遞車體與輪對間的載荷，對軸重進行平均分配;
(3) 減少道路不平對列車產(chǎn)生的振動，保障列車運行平穩(wěn)安全;
(4) 為列車在曲線運行段提供良好的穩(wěn)定性及通過能力;
(5) 將車輪的滾動轉(zhuǎn)化為平動。
2.2.2 復(fù)合材料在轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
近些年，隨著列車時速的不斷提升，傳統(tǒng)金屬轉(zhuǎn)向架的缺陷日漸凸顯，存在轉(zhuǎn)向架重量大、輪對與軌道的摩擦大、維護成本高、曲線運行能力差、噪聲大以及不夠節(jié)能環(huán)保等問題。采用新型材料對轉(zhuǎn)向架進行輕量化設(shè)計已經(jīng)成為高速列車的發(fā)展趨勢。
2014年，日本川崎重工開發(fā)了首個使用碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料做主承載結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架“efWING”，該轉(zhuǎn)向架將原來剛性焊接構(gòu)架改為柔性結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)金屬材料轉(zhuǎn)向架相比，減重達40%。
我國復(fù)合材料在高速列車轉(zhuǎn)向架上的應(yīng)用起步較晚。其中中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司2016年試制了209P碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架，實現(xiàn)了批量裝車運行考核，目前已安全運營超過100萬公里。中車青島四方機車股份有限公司在其發(fā)布的“CETＲOVO”全碳纖維結(jié)構(gòu)地鐵車輛中應(yīng)用了碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架，如圖5所示，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架相比，實現(xiàn)了減重40%。
2.3 復(fù)合材料在制動結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
目前，高速列車制動盤材料大致可分為兩類:一類是傳統(tǒng)的金屬材料;另一類是復(fù)合材料，如鋁基復(fù)合材料、C/C復(fù)合材料等。幾種常見不同制動盤材料性能對比如表2所示，以鋁基陶瓷復(fù)合材料和鍛鋼為例，鋁基復(fù)合材料密度2.9g/cm³，僅為鍛鋼的37%，導(dǎo)熱系數(shù)卻是鍛鋼的3倍。
金屬制動盤結(jié)構(gòu)工藝成熟、成本低廉，普遍應(yīng)用在低速列車上。隨著列車時速的不斷提高，制動盤承受的制動能量越來越大，傳統(tǒng)的金屬制動盤難以適應(yīng)列車高速化、輕量化的發(fā)展要求。因此，國內(nèi)外對復(fù)合材料制動盤開展了大量研究。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(fù)合材料，開創(chuàng)了復(fù)合材料在剎車片上的應(yīng)用先河。
我國復(fù)合材料剎車片的研究起步較晚，2019年桂林理工大學(xué)喻亮等研究了一種高速列車制動盤，該摩擦制動盤采用碳化硅增強鋁基復(fù)合材料，能夠滿足380km/h高速下緊急制動需求。此外，中南大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等單位也相繼開展了高速列車用復(fù)合材料制動盤的研究，但到目前為止均處于試驗階段。
2.4 復(fù)合材料在行李架和設(shè)備艙等結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
我國和諧號CRH5動車組中的行李架、頂板、墻板等位置，應(yīng)用了芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是利用芳綸紙蜂窩芯材用上下兩個蒙皮黏合后形成的結(jié)構(gòu)。芳綸紙蜂窩芯材，具有多個六角形單元構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體，可以制成重量輕、強度高的結(jié)構(gòu)，與高密度的蒙皮黏合后的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有極高的比強度，同等重量下的強度約為實心鋼的10倍。
2019年10月，中車研究院聯(lián)合中車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的基礎(chǔ)上，研制出高速列車全碳纖維復(fù)合材料設(shè)備艙。
除此之外，復(fù)合材料在軌道交通車輛其他部位的應(yīng)用也十分廣泛，例如導(dǎo)流板、車鉤、客室墻板、臥鋪、內(nèi)飾等。隨著復(fù)合材料的發(fā)展以及對車輛結(jié)構(gòu)要求的提高，將有更多的復(fù)合材料被應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域。
來源：纖維復(fù)合材料
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