先进复合材料在轨道交通领域的应用
2019-06-09童喆益施静赵鑫
童喆益 施静 赵鑫
摘 要：先进复合材料具备比强度高、比模量高的特点，是产品实现轻量化的一种非常重要的途径;同时，复合材料可以通过采用不同的组合方式，实现不同的功能特性，亦可实现结构-功能一体化，是轨道交通领域新材料发展方向的重要组成部分。
关键词：碳纤维;复合材料;轨道交通
中图分类号：U270.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）17-0166-02
Abstract： Advanced composite materials have the characteristics of high specific strength and high specific modulus， which is a very important way to lighten the weight of products. At the same time， composite materials can achieve different functional properties by using different combination methods. It can also realize the integration of structure and function， which is an important part of the development direction of new materials in the field of rail transit.
Keywords： carbon fiber; composite materials; rail transit
随着时代的发展，材料加工工艺和使用环境也在不断发生变化，复合材料本身从最早的草和泥的结合逐步发展到钢筋混凝土的结合，并在20世纪70年代正式迈入先进复合材料时代，碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）和玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）逐渐被人们熟知。
1 纤维增强复合材料的特点
1.1 比强度、比模量高
碳纤维/玻璃纤维复合材料具有比传统金属材料更高的比强度和比模量，如表1所示。
碳纤维/玻璃纤维复合材料可以有效减少车体自身重量，减少摩擦损耗，降低能耗;或者，在车体总重不变的情况下，提高有效载荷，提升运能。
1.2 可设计性强
（1）复合材料本身就是一个结构
复合材料本身就是一个结构，不同的纤维选材，不同的纤维铺设方向，可以造就完全不同的层合结构。绝大多数的树脂基复合材料构件，都是基于模具而成的，模具的不同形态导致复合材料制件的千变万化（如图1）。
（2）准各向异性
与常规金属材料不同，连续纤维增强复合材料具有准各项异性性能。连续纤维母线方向上的力学性能明显高于纤维法线方向性能，在与基体材料复合后，复合材料同样可以具备此特殊性，使复合材料构件能够满足更为复杂的工况载荷。常规的T700级碳纤维与环氧树脂结合后的复合材料力学性能数据如表2所示。
（3）不同材料组合实现不同功能
复合材料可以实现结构-功能一体化，不同的材料组合，可以实现不同的功能要求。
从电性能方面来看，碳纤维具有弱导电性，其电阻率介于金属和半导体之间，辅以恰当的结构设计，可以实现在封闭区间内的电磁屏蔽效应;与此相反，玻璃纤维复合材料具有良好的透波性，以石英纤维为例，1MHz的介电常数为3.70，介质损耗系数仅为0.0001。
从耐热和耐烧蚀方面来看，以常规不饱和树脂作为基体的复合材料，耐温在100℃以下;环氧树脂基体复合材料则可以达到180～220℃的区间;酚醛树脂复合材料耐温可以达到350℃以上。
2 国内外复合材料在轨道交通领域应用现状
在国际上，比较典型的案例包括：法国在2000年研制的TGV双层客车，车体采用复合材料夹层结构，较传统铝合金车体减重25%;日本川崎重工开发的新一代铁道车辆转向架“efWING”，安装了采用碳纤维侧梁结构技术的柔性构架，轮重减载率下降50%，車体外壳总减重达到40%。以德国NGT、法国AVELIA高速列车为代表的欧洲未来新一代列车中，碳纤维复合材料利用率进一步提高，覆盖的功能结构也更为广泛，复合材料在轨道交通领域中的应用，大有赶超在航空器中利用率的趋势。
国内，《“十三五”国家科技创新规划》和《中国制造2025》均将碳纤维复合材料作为战略产业进行重点突破，《中国中车科技发展“十三五”规划》明确提出“重点突破基于碳纤维等复合材料在轨道交通领域的应用”。[1]
3 复合材料在轨道交通领域的应用
复合材料按其用途可分为结构性复合材料和功能性复合材料，前者主要用于结构承力，后者主要用于包括隔热、透波、防火等功能要求。两种复合材料在轨道交通领域都有非常广阔的应用前景，能够在减重、延长使用寿命、节能减排、降低全寿命周期成本等方面发挥积极作用。
3.1 结构性复合材料在轨道交通领域的应用
减重是轨道交通领域一个长期而又复杂的课题，而复合材料轻量化的特点与轨道交通行业低碳环保、节能减排、减振降噪的总体目标是非常契合的。越来越多的轨道交通领域产品开始使用碳纤维复合材料和玻璃钢复合材料来替代传统的钢材和铝合金型材;同时，根据构件的不同用途，所采用的复合材料成型手法也趋于多元化，比如车厢内的侧墙、地板等结构，采用了蜂窝夹芯复合材料结构;端墙、侧顶板采用了热压罐成型的碳纤维蒙皮结构，如图2所示。
CRH3-380B/D系列“和谐号”动车组列车前端组件则采用了玻璃钢手糊工艺制造，如图3所示。
3.2 功能性复合材料在轨道交通领域的应用
功能性复合材料在轨道交通中的应用典型案例是防火。
随着最新的EN45545
为青岛四方“新一代碳纤维地铁车辆-CETROVO” 配套的碳纤维空调壳体（见图4）采用了T700/401系列酚醛树脂碳纤维增强复合材料体系，产品主体为碳纤维蒙皮-PMI泡沫夹芯结构，采用热压罐成型工艺制造而成。产品总体满足EN 45545 R1类别HL3级防火性能，数据如表3所示。
产品总重小于140kg，相比铝合金结构减重45%。复合材料“结构-功能一体化”的特性得以充分体现。
韩国EMU250/300高速列车前端组件，产品外轮廓尺寸为2450mm×3010mm×1860mm，总重<450kg，产品采用了玻璃纤维-改性酚醛树脂体系预浸料，经热压罐成型工艺制造而成，满足EN 45545 R1类别HL3级防火性能，并实现了前端壳体一体成型，见图5。
4 结束语
“创新、高效、绿色、智能”，我国的轨道交通市场正在快速、蓬勃发展，复合材料作为轨道交通领域产品轻量化的最佳材料之一，必将更多、更快地参与到轨道交通领域的建设中来。复合材料的“功能-结构一体化”以及灵活设计的特殊性，有利于列车产品的整体减重和二次优化，将会在今后轨道交通领域中发挥更为积极的作用。
参考文献：
[1]章潇慧.先进复合材料轨道交通车辆轻量化发展与思考[J].新材料产业，2019（1）：51-58.
