碳纤维复合材料在轨道客车上应用前景分析

李天亮

（长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春130062）



计算机与应用

碳纤维复合材料在轨道客车上应用前景分析

李天亮

（长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春130062）

摘要：简单介绍了碳纤维复合材料的制备及性能，并给出了其在轨道交通装备上的一些应用。同时对碳纤维复合材料发展的国内外形势做了一定的研究，针对我国碳纤维复合材料的发展提出了一些见解。

关键词：碳纤维复合材料；列车轻量化；强度；抗冲击性

碳纤维（carbon fiber）是指有机纤维经碳化和石墨化处理后得到的一种微晶石墨材料。其组成为高分子碳纤维，含碳量高达90%以上，是一种力学性能非常优异的新型材料。碳纤维复合材料可应用在车辆工程、精密制造、航天航海等高技术领域，还可用在大型机械、医疗设备、生物工程等方面[1]。随着轨道交通运输行业对轨道客车的安全性、舒适性、绿色节能性提出了新的要求，碳纤维复合材料作为一种新型替代材料逐渐引起了世界各国的重视。本文针对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　碳纤维复合材料的应用现状

碳纤维复合材料除了具有一般碳材料的特性外，更具有一些其他材料不具备的优异性能。碳纤维新型材料主要特性有以下几点[2]：

（1）强度高，抗拉强度可达3 500 MPa，是钢的5倍、铝的8倍。

（2）比强度高，同等强度下碳纤维的质量是钢的1/4，是铝合金的1/2，可以有效达到减重的目的。

（3）耐高温，碳纤维复合材料可以在2 000℃的条件下使用，高温条件仍然保持原有性征不变。

（4）耐腐蚀性好，耐酸耐碱的腐蚀，抗外界恶劣自然条件能力强。

1.1碳纤维复合材料在高速列车上的应用

轨道列车运行速度越高，对轨道的冲击力越大。因此迫切地希望实现列车轻量化从而可以减少列车行驶过程中对钢轨的损伤和能耗。碳纤维作为一种性能优异的替代材料，在高速列车上已经有了一些应用。

（1）动力学前端上的应用

在列车高速行驶的时候动力学前端所受到的阻力很大，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列车动力学前端可以承受很大的正负压，强度和刚度都可以满足列车的运行要求。

英国使用碳纤维复合材料制造的动力学前端比传统钢结构轻30%~35%.同时这种机车动力学前端具有很强的抗冲击能力，能承受一个0.9 kg的立方体钢块以350 m/h的速度对其的冲击。更为重要的是，在以300 km/h速度行驶的时候这款动力学前端有很好的尺寸稳定性，因此这种动力学前端材料的替换在遥远的将来必定成为现实。我国在同一领域相应的也进行了一些研究。我国蓝箭机车的车头盖是用另外一种复合材料制作，这种材料重量轻、强度高、阻燃性好，代表着未来车体制造的发展趋势。

（2）车体上的应用

车体是轨道列车的重要组成部分，为了进一步减轻车体的重量，尝试采用新复合材料替代原有的铝合金、钢车体材料。法国采用复合材料生产了双层TGV挂车样车并进行试验，对耐火性、抗冲击强度等因数进行测试[3]。测试结果表明，复合材料车体在振动性能和绝热防火性能等方面具有突出的优点，提高了乘客乘车的舒适性。辛德勒客车公司用碳纤维缠绕的方法制成轻型列车车体，生产的样车在铁路线上进行运行试验，速度可达140 km/h，且满足强度和刚度的要求，达到了预期效果。而最有代表性的案例是韩国在2010年投入运营的TTX列车，车体外壳采用碳纤维复合材料蒙皮和铝夹芯结构。这样的设计使车体重量降低了40%，运行过程中没有出现明显的安全问题，说明各项性能指标满足设计要求。我国的蓝箭、中华之星以及和谐号高速列车的一部分内饰件也采用了碳纤维复合材料。

（3）制动装置上的应用

随着高速列车的快速发展，对列车制动装置的控制精度、制动闸片损耗等方面提出了新的要求。碳纤维复合材料制造的制动闸片已经通过了试验验证，具备了小批量生产的能力。

我国中航某院研制了一款碳纤维闸片，并进行试验验证其性能，在试验中测出了120 km/h及200 km/h速度下碳纤维闸片的摩擦系数、温升和磨耗量。试验结果表明，与铸铁材料相比，碳纤维闸片非常耐磨且温度变化不大。若在碳纤维材料中添加金属粉、钢纤维等制备成复合材料，复合材料摩擦系数很大且对速度的改变不敏感。尤为重要的是，摩擦系数曲线和粘着系数曲线相适应，可以使粘着系数得到充分的利用。这些优势使得新型材料制动闸片的研究突飞猛进，相信不久的将来就会有真正能够投入使用的碳纤维闸片问世。

（4）内饰件的应用

碳纤维目前应用的最广泛的是在内饰件方面。车门、车窗、座椅方面都可以采用碳纤维复合材料进行制造，使重量大大的减轻。列车的墙板、顶板、地板等都有碳纤维复合材料的应用，重量仅有铝材料的一半。我国在这方面取得了一些成绩。青岛威奥公司发明了新形式的三明治结构木质间壁（已经申请了专利），将防火板、碳纤维布、铝蜂窝等材料一次性抽真空固化成型，不但解决了木质间壁外侧防火板开裂的问题，同时也起到了减重的效果。

1.2碳纤维复合材料成型技术

（1）拉挤技术

拉挤工艺是指将碳纤维丝拉过加热的金属模具使之固化成型。这种成型方法的特点是连续成型效率高产量大，不同的金属模具可以拉出不同形状的纤维。这种技术可以生产碳纤维板材，用作车体材料的替代材料。在国外某轻型轨道列车上已经制造出此种类型的型材[4]。

（2）固化成型技术

将液态树脂注入封闭型腔，铺满预置的辅助材料之后固化成型。其特点是：投资小，产品稳定性好，产品表面非常光洁，适用于中等批量制件的生产。我国某企业利用此项技术制造高速列车动力学前端。同时一些小件也可以采用此方法制备。

（3）注模成型技术（SCRIMP）

利用薄膜将辅助材料预先密封固定于模具上，完全借助于真空将树脂材料吸入模具，利用高渗透率介质沿辅助材料表面快速浸渍最后形成产品的新型加工工艺。这种工艺成型率高，产品纤维的所占比例可达80%，适用于制造大型结构件。

2　碳纤维复合材料应用的发展方向

2.1碳纤维复合材料的发展形势

当今世界碳纤维的年产量达到了4万吨，但是掌握核心技术的只有日本、美国、德国以及韩国等少数国家且他们对技术进行严格的封锁。另外，国外行业领先企业开始进入中国市场，在较大的技术差距下，国产碳纤维面临着巨大的挑战。

（1）碳纤维研发的国外形势

国外在碳纤维材料的研发方面取得了一些进步，并且形成了一些技术封锁。目前日本东丽公司、东邦人造丝公司和三菱人造丝公司是世界上碳纤维生产的大型企业，三者总产能占了世界总产能的78%，处于绝对垄断地位。在技术应用方面，航空航天领域、高速列车等领域碳纤维复合材料都得到了大规模的应用。以飞机为例，波音787中结构部件碳纤维复合材料替代率已经达到50%.在未来的发展中，碳纤维复合材料会得到更深更广泛的应用。

（2）碳纤维研发的国内形势

我国装备制造等领域长期受制于国外的技术封锁，在国家利益的驱使下我们正攻关生产国产碳纤维制品，但仍然需要长期的观察和评定有资质的生产和研发单位。目前为止，优质的碳纤维复合材料仍然需要进口，限于碳纤维复合材料的设计、制造和应用评定水平，性能达标的国产碳纤维复合材料的生产仍然有很长的路要走[5]。据统计，我国目前有三十多家公司投入碳纤维的研发与生产，拥有原丝技术的有19家。但是目前国产碳纤维只能提供T300级小丝束碳纤维。也仅有吉林市被认定为国家碳纤维高新技术产业化基地，因此对于我国碳纤维产业的发展，笔者的建议是进一步加大资金投入，加速科研攻关，争取早日在相关项目上实现突破。其次，我国碳纤维及复合材料产业发展联盟已经成立，希望联盟可以加强沟通合作，实现技术交流和共享，解决产品稳定性和成本控制问题。只有国家层面重视，才能带动整个社会重视，引导资金流入相关领域，早日取得成果。

2.2经济性和实用性分析

碳纤维在高速列车的发展方面有着极大的发展潜力，但是其成本方面却是其发展的一个瓶颈。生产碳纤维的原料——聚丙烯晴丝比较昂贵，使碳纤维的成本不断上涨，近年来，全球范围内碳纤维的销售量仅有3.7万吨，就是因为碳纤维价格太贵。再有就是碳纤维快速成型技术的升级。采用先进拉挤工艺可以达到预浸带材实现精确铺放的目标，接下来连续模压形成纤维量高的型材。另外，在自动铺带、集成自动生产等工艺上也实现了更新换代，提高了生产效率。在可以预见的将来，碳纤维复合材料制品一定可以得到更大的应用，更好的为人类服务！

3　结束语

（1）碳纤维材料是具有优良力学性能的新型材料，在精密制造等领域获得了很好的应用。在可预见的将来，碳纤维复合材料会深入到更多的领域，实现更多的功能。因此对于碳纤维的研究迫在眉睫。

（2）在轨道列车领域，碳纤维复合材料在车体和内饰等方面已经成功的部分替代了钢、铝合金等传统合金的使用。其中车头上的应用已经减重30%左右，内饰方面墙板等部件的重量也得到了减轻。同时强度等力学参数并没有发生较大的变化，因此证明这种材料是一种合格的替代材料在未来轨道列车发展的道路上一定会得到重视[6]。

（3）目前来看我国相关产业的发展离世界先进水平还有一定的差距，投入商用的碳纤维复合材料大都来自国外。希望我国可以加大相关产业的投资力度，更新技术水平，扩大生产能力，使相关产品质量尽快赶超世界的先进水平。

参考文献：

[1]杨永勤，孙加平，张丽荣，等.浅析复合材料在高速动车组上的应用[J].铁道车辆，2014，52（5）:20-22.

[2]董锡明.近代高速列车技术进展[J].铁道机车车辆，2006，26（5）:1-11.

[3]刘晓波，杨颖.轻量化高性能碳纤维复合材料车体研发关键技术[J].合成纤维，2013，（10）:29-34.

[4]S J PARK.Carbon Fiber[M].Springer Series in Materials Science：Volume 210.，2008，P.275-277.

[5]蒋鞠慧，陈敬菊.复合材料在轨道交通上的应用与发展[J].玻璃钢/复合材料，2009，（6）:81-85.

[6]林刚.对中国碳纤维及其复合材料产业链发展现状的反思[J].高科技纤维与应用，2012，37（4）：21-75

中图分类号：U270.1

文献标识码：B

文章编号：1672-545X（2016）04-0159-03

收稿日期：2016-01-21

作者简介：李天亮（1989-），男，吉林松原人，助理工程师，硕士学位，复合材料车体研究。

Analysis of Application Prospect of Carbon Fiber Composite Materials in Railway Vehicle

LI Tian-liang
（Changchun Railway Bus Limited by Share Ltd，Changchun Jilin 130062，China）

Abstract:In this paper，the preparation and properties of carbon fiber composite materials are briefly introduced，and some applications of carbon fiber composites are given in this paper.At the same time，the domestic and international situation of carbon fiber composites is studied.At last，some ideas are put forward for the development of carbon fiber composites.

Key words:carbon fiber composites materials；vehicle light weight；strength；impact resistance