高性能复合材料在轨道交通领域的发展现状

蔡富刚，王硕，郭福海，刘长江，魏岩军

(长春中车轨道车辆有限公司，吉林 长春 130052)

0 前言

目前，在轨道交通领域大致包括动车组、有轨电车、地铁和轻轨等，其中有轨电车、地铁和轻轨等主要是国内诸多大城市市内或短距离交通方式，与此相对应的动车组尤其高速动车组则是我国最主要的远距离出行方式之一。究其原因，主要在于动车组具有安全可靠、速度快和运量大等鲜明特点，且在其他众多因素的叠加作用下，使其成为人们在国内远距离出行的首选方式，同时使其成为我国“一张亮丽的名片”[1-4]。相关研究表明：截止2018年年中，我国高铁已经投运2.5万多千米，是世界总里程的56.6%；依据我国《中长期铁路网规划》提出的“八纵八横”高速铁路网络规划，至2025年时，我国高速铁路总里程将达到3.8万km，年均新增里程近2 000 km。

在我国高速铁路以前所未有的速度迅猛发展之时，我们应该清醒地认识到轨道交通装备为了能够不断满足日趋严格的节能、环保等要求，必须通过优化装备设计、提高产品品质和使用新型材料等降低列车运行所需能耗以及减轻装备自身轴重，进而有效减少列车的运行成本和维护成本。而达成这一目标的诀窍在于实现动车组尤其高速动车组车体的轻质化，这也是轨道交通装备制造技术的重点发展方向之一[5-8]。要想实现这一目标，其关键在于应用新型先进的复合材料来制造车体，使其具有较高的强度、较轻的重量和较大的刚性等特点。这样不仅可以显著地降低车体的轴重，而且还可以明显地提高车体在运行过程中的平衡性和稳定性[9-10]。

在早期的轨道交通装备中，由于受到复合材料技术成熟程度和实践程度的影响，该技术还没有广泛应用于车体结构制造，而是仅用于制造一些非承力零部件。但是，由于科技的迅速发展和复合材料技术的进一步成熟，以及复合材料运用领域的增多，其应用于实践的可行性得到了极大地验证，并有助于促进复合材料技术的日臻完善，进而使得复合材料可用于制造车体的承力件。现在新型先进的复合材料可以用于制造列车车头、车体及其内部装饰件、卫生和部分轨线设施，这些都为轨道交通装备的轻质化发展提供了具体可行的材料选择方案[11-14]。新开展的多个动车组和地铁研究项目，整车对各零部件提出了严格的轻质化要求。因此，进一步深入研究轨道交通装备的轻质化具有重要的工程意义和巨大的经济效益。

1 复合材料概述

复合材料是指经由物理或者化学办法，把两种或两种以上具有相异性能的材料制备成拥有新性能的多相材料复合体。这种复合体大致包括连续相和分散相，且连续相通常作为基体材料(如环氧树脂、陶瓷、铝等)，而分散相则作为增强材料(如碳纤维、不锈钢丝、硬质颗粒等)[15-17]。在制定复合材料设计方案的过程中要有比较强的灵活性与目的性，用来制备复合材料的各种原组成材料在其性能上可以取长补短，进而产生协同效应，使得所制备的复合材料在综合性能上比原组成材料具备更大的优势，从而满足不同情况下对复合材料性能的要求。

设计复合材料的相关人员可以综合考量材料选取、成型工艺、结构设计、材料用途等方面，以便于能够最大化地彰显复合材料比强度和比模量高的特点[18]。同时在满足强度要求的前提下，通过利用恰当的结构优化计算方式来减少原组成材料的使用量，进而实现降低复合材料重量、节约制备成本的目的，不难看出这也为复合材料能够用于轨道交通领域提供了契机。

相比于传统的单一体材料，复合材料具有诸多的优异性能[19-22]。

1.1 优异的使用性能

(1)比较高的比强度与比模量：复合材料的比强度和比模量较高，具备较轻的质量，可以有效起到承载作用和节约制备成本。

(2)良好的抗疲劳性能：常见金属材料的抗疲劳强度与静态拉伸强度相比，前者只占后者的30%～50%，而复合材料的抗疲劳强度至少能够占到其静态拉伸强度的70%～80%。

(3)良好的耐撞击性能：由于复合材料的比模量比较高，意味着它具备优异的阻尼减震及耐撞击能力。

(4)良好的耐高温性能：在高温下，用碳纤维或硼纤维增强的金属与未增强的普通金属相比，其具有更高的刚度和强度。当温度达到400 ℃时，普通铝合金的比模量和比强度降幅巨大，而经过碳纤维或硼纤维增强的铝合金却能够维持比模量和比强度基本不变。

(5)优秀的耐腐蚀性能：复合材料特别是聚合物复合材料，拥有极佳的耐腐蚀性能，其可以用于许多能使一般金属发生氧化或腐蚀的环境里。

(6)优异的安全性：纤维增强复合材料的基体是由成千上万根独立的纤维构成，一旦因为某种情况造成由其制备的构件超出自身承载能力，且发生少量纤维断裂时，这种复合材料所承受的载荷会迅速再次分配到未被破坏的纤维上，进而保证构件整体不会在短时间内完全失去承载能力。

1.2 性能的可设计性

由于复合材料的一个显著特点是各向异性，造成其力、电、磁、声、光、热等性能具备可设计性，即以实际的使用需要为基础来设计复合材料的性能，从而制备出具有传统单一体材料不能比拟的性能的材料。

1.3 复合材料和构件/零部件具有同步性

复合材料与其构件能够实现单次同步成型，这可以显著减少部件中存在的零件数量，减少连接件，降低质量，简化制备步骤，节约生产成本。由于复合材料具备以上特征，已在众多领域逐步替代木材、金属及其合金等，并于近年来实现了飞速发展。日前，复合材料主要应用于航空航天及军工(飞机的整流罩、平尾、垂尾、机翼、中前机身等)、汽车工业、化工、轨道交通装备、体育运动装备、风电、船舶、基础设施等领域[23]。本文主要阐述复合材料在轨道交通领域的具体应用情况及其未来发展趋向。

因为复合材料的高性能、强适应性等优点，满足了轨道交通领域各种部件的不同需求，已经在众多部件上取代了常用的金属等材料。但复合材料运用于轨道交通领域还存在几个技术问题[24]：首要须解决的是复合材料的成型工艺；鉴于轨道交通装备所运行环境的复杂性，易遭受到异物的撞击，故而研究复合材料的抗冲击性能具有重要意义；复合材料拥有优异的可设计性，在保证其承载能力的同时，还应兼顾阻燃、隔热、保温、吸声等功能。随着复合材料应用范围的增加，在复合材料制备工艺、性能研究和理论研究等方面累积了许多宝贵的经验，为复合材料的深入研究和应用奠定了扎实的基础。

2 复合材料在轨道交通领域的应用

复合材料在轨道交通领域的应用过程是逐渐展开的，大体为先从小型辅助性的非主承力零部件开始，进而扩展到大型主体性的承力件。复合材料发展伊始主要集中应用于车体内部设备、装饰配件等小型非主承力结构。伴随着轨道交通车体在线运行速度的大幅度提高以及复合材料相关技术的日臻成熟，为了能够充分满足车体强度和轻质化的要求，通过利用不同类型的复合材料制备性能适宜的大型主体性承力零部件(如车头、车体、导流部件、制动装置、转向架等)的工艺研究、试制试验和具体应用工作正如火如荼地开展。

2.1 纤维复合材料

纤维复合材料主要包括碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料和芳纶复合材料等，其拥有比强度和比模量高、抗疲劳和抗腐蚀性好、隔热阻燃和可设计性强等优点，在轨道交通领域的运用是其主要发展趋势之一，并且在轨道交通领域的使用量将会随着复合材料技术的进一步成熟而持续增加[25-28]。自20世纪60年代开始，日本和西欧国家(如英国、德国等)将纤维复合材料应用于列车的非承力/承力件上，如车头前面端部应用以芳纶增强的环氧树脂和玻璃钢为主。

由于纤维复合材料不仅能够用于制作车体小型装饰件，而且还在制备全复合材料的车体方面展现出极大的优势，可以预见其未来的应用前景广阔。我国在纤维复合材料方面的研究立足于高速轨道车辆、卫生间、车门等车体设备和辅助性配套件的基础上，更应深入钻研复合材料的基础制备技术与规模化产业化工作，进一步促进我国高速轨道交通事业的蓬勃发展，同样我国的纤维复合材料事业也能够借助当前轨道交通繁荣向上的契机取得长足进步。

2.1.1 碳纤维复合材料

相比于金属合金如铝合金等轻质材料，碳纤维复合材料具有优异的轻质化、强度高、耐候性佳等性能，并在航空、航天、船舶等领域积累了大量的成熟经验，为成功处理轨道交通装备的轻质化问题提供了行之有效的解决办法。

综合分析国内外碳纤维复合材料在轨道交通领域的运用情况，其在应用过程中主要存在几方面的特征[29-34]：从车体内饰、车内设备等非承力零部件向车体、构架等承力件延伸和扩展；从裙板、导流罩等小型零部件向顶盖、司机室、整车车体等大型构件和结构发展；以金属与复合材料兼容混合结构为主，碳纤维复合材料用量占比正逐渐增大。

国外轨道交通类公司和研究单位在以往的基础上，以碳纤维复合材料应用于轨道交通装备为重点进行了系统性研究。目前众多相关技术已取得突破性进展，并在具体的工程化应用中积攒了宝贵经验。日本铁道综合技术研究所与东日本客运铁道公司共同制造的碳纤维复合材料(CFRP)高速列车车顶，能使单个车箱的重量减少300～500 kg。2014年9月日本川崎重工在德国柏林轨道交通展上展出的CFRP构架边梁，比传统的金属梁重量减少约40%，且简化了一系列簧结构，增强了乘坐舒适性。这种CFRP边梁——板簧式结构，给未来轨道列车的设计带来新的思路。德国福伊特公司(Voith)研制的碳纤维增强复合材料过渡车钩，可用来对故障列车进行牵引操作，整体结构非常紧凑，与金属过渡车钩相比重量减少达50%即仅有23 kg，一人即可携带安装。

目前，在应用CFRP研制轨道交通整车车体方面较为成功的是法国国营铁路公司(SNCF)于2000年制造的双层TGV挂车。由韩国铁道科学研究院(KRRI)研发的可实现180 km/h运行的TTX摆式列车，该车以不锈钢增强骨架构成车体，侧墙体与顶盖则是铝蜂窝夹芯，蒙皮是碳纤维增强复合材料，三者形成“三明治结构”，而底架是由不锈钢制成，这样能方便辅助设备的安装。车体外壳总质量可比铝合金结构降低40%，较传统的不锈钢车体结构降低28%，车体的静强度、疲劳强度、防火安全性、模态特性等指标完全符合设计的相关要求[35-38]，该车已于2010年投入到商业化运营。

现在国内碳纤维复合材料在轨道交通领域的应用还主要集中在一些零部件上面，如时速500 km的高速试验车头罩，城铁车司机室头罩、导流罩、司控台、裙板等[39-40]。与玻璃钢产品相比重量至少减轻20%，同时其比强度、比模量及烟毒安全性等均有十分明显的优势。随着应用研究的深入，CFRP在城铁车辆上的用量也正在逐渐增加。

安全、舒适和节能正成为当下轨道交通装备设计与制造的主题，碳纤维复合材料作为一种新型先进的材料逐步成为各国关注的焦点。虽然我国在轨道交通装备中应用碳纤维复合材料的研究开始比较晚，但是研究进展迅速。

碳纤维复合材料在中车长春轨道客车股份有限公司(简称长春客车)的应用尚处在初级阶段，如试制的具有流线型车头的样车，其前端车钩头盖；拟应用碳纤维复合材料制备承受大载荷的车顶导流罩，但因成本问题未能实际生产；新一代长客动车组内部装饰件等小型的非主承力零部件发展为大型的主承力件，甚至是整个车体。2017年，长春客车研发出拥有完全自主知识产权的全球第一辆全CFRP的轨道交通车体。该款车体长19.0 m、宽2.8 m、高(车体顶面与轨面距离)3.5 m，整体结构为薄壁筒形，与传统金属车体相比重量减少35%左右，它的研制成功一方面实现了车体显著减少重量、明显降低能耗、大幅度提高安全性、增强舒适性和延长寿命等优点，另一方面探究了CFRP在工业生产上规模化应用的方向和实践路线。

中东青岛四方机车车辆股份有限公司(简称青岛四方)对于碳纤维复合材料的实际应用是以模块化的设计理念为主，并成功研制了某动车设备舱，其结构既可单件拆装，也可整体拆装，还能够承受振动、地面效应、风沙冲击及高温、高湿、风雪侵蚀，和金属合金设备舱相比重量减轻35%，这意味着碳纤维复合材料的运用获得了标志性的进步。从该设备舱的主要部件及其相互连接关系可以看出，由于采用了设计制造一体化的思路，其部件数量仅为4个，仅为金属合金设备舱构件数量的70%。同时，青岛四方与恒神集团合作开发的某高速列车碳纤维复合材料车头罩，已经装车进行实际应用。

碳纤维虽然在动车组尤其高速动车组上的应用具备非常大的潜力，但是其成本问题是一个关键的制约因素。首先，生产碳纤维所用的原料为高等规度、高分子量的聚丙烯腈，其制备难度大、制备过程复杂；其次，碳纤维的生产是一个十分复杂的系统工程，初期的设备投入和维护成本较大；此外，碳纤维的生产过程本身就是一个高耗能的过程，以上因素造成了碳纤维的制备成本居高不下。近年来，全球范围内碳纤维的销售量仅为3.7万吨，主要是由于碳纤维价格过于昂贵。不过随着碳纤维高速高效低成本成型工艺的进一步发展，如利用拉挤成型工艺可实现预浸带材精准铺放，然后连续模压可以制备高纤维量的型材；另一方面在铺带、成型等环节的集成自动化工艺发展迅速，生产效率、所制备产品的质量等都将得到大幅提高。所以，CFRP制品的应用空间(航空航天、体育市场、汽车、压力容器等)会越来越广阔。

2.1.2 玻璃纤维复合材料

相比于传统的金属材料，新型玻璃钢即玻璃纤维/树脂材料具有密度低、机械强度大、阻燃性好、隔音效果显著等优点，促进其应用于轨道交通领域，且得以快速普及[41-42]。

在实际应用中，通常司机室的头罩是以手糊的方式将利用玻璃钢材料制成的泡沫夹芯胶粘到车体上。国内城铁车头罩的总厚度是34 mm，其中泡沫夹芯厚度是25 mm，两侧所用的玻璃纤维增强复合材料厚度是4.5 mm，而可作为其增强材料的有表面毡、短切毡和方格布等，具体形式有预浸料、纤维布、纤维毡等，可经过多层复合制成。且随着纤维铺放角度的不同，所制备的玻璃纤维增强复合材料会表现出不同的力学性能；客室座椅表面一般使用非饱和聚酯玻璃钢或酚醛树脂玻璃钢，前者比后者具有更优的力学性能；中材科技膜材料公司研发的城铁用玻璃钢纤维材料接触轨防护罩，其抗冲击≥700 J/m，抗弯曲≥350 MPa，抗电击穿≥5.5 kV/mm，且拥有优异的阻燃性能。瑞士辛德勒公司研制的一体式玻璃钢纤维增强塑料车体，其质量比传统金属材料所制备的车体减少了10%。

2.1.3 芳纶复合材料

芳纶复合材料具有稳定的理化性能，其因具备比强度大、绝缘性好、耐候性佳等优势被用于动车组尤其高速动车组的电动机、变压器、车体等。

2.1.3.1 芳纶纸

芳纶纸的极限氧指数在28以上，属难燃材料，具有极佳的阻燃性；耐潮湿能力强，能够有效增加电气设备的寿命。目前，烟台市民士达特种纸业股份有限公司、上海圣欧集团有限公司等企业均有相应制品上市，但高性能、高价值制品依然由美国杜邦公司占居霸主地位。

(1)列车变压器：在牵引变压器的制造中，利用芳纶绝缘纸代替部分普通绝缘纸用于牵引变压器的制造，可以降低变压器的容量等级，进而明显降低其运营成本。另外，在变压器线圈的高温部分通过纸板与芳纶纸的配合形成混合绝缘层，同样可以大幅降低设备的运营成本。

(2)列车电动机：在制造轨道交通装备时，常用芳纶纸制备电动机、发电机等设备的槽绝缘衬底、楔块顶、中部撑条，导线包纸、相绝缘、整流子V形环、极片等。天津华之阳特种线缆有限公司制造的新型封闭式电动机引接线，其结构为金属导体、外编织层、内编织层和绕包层，而外编织层全为芳纶复合材料，以此保证电动机处于高温高压的制冷剂和润滑油环境中能够正常工作。

2.1.3.2 芳纶蜂窝夹层材料

芳纶蜂窝夹层材料是把碳纤维面板、玻璃纤维面板、铝板等贴合在芳纶蜂窝表面制成的，美国的BART地铁、意大利的ETR-500和德国Thyseen磁悬浮列车都使用这种结构。CRH5型系列动车组的客室墙壁、顶板、车窗等均采用芳纶蜂窝夹层材料。

芳纶蜂窝材料同样被用于制造高速轨道交通车辆的主承力件。例如意大利ETR-500型车辆车顶以厚度为12.5 mm的芳纶蜂窝复合材料为芯材，然后用CFRP与玻璃纤维织物增强酚醛树脂预浸料制成夹芯结构面板，再用真空袋压及热压罐成型技术制成复合材料夹芯结构车顶，其重量仅为传统材料的50%左右，且成本降低9%左右。

2.2 中空复合材料

中空复合材料是以纺织的办法将增强纤维制成具备某种结构的三维纺织物，再通过手糊或树脂传递模塑(RTM)的成型工艺和基体(酚醛树脂、非饱和聚酯树脂、环氧树脂等)复合成的一种新型材料，其复合后的结构有蜂窝夹层、泡沫夹层结构、功能层合板等。研究表明，与常用的蜂窝、泡沫芯材等材料相比，中空复合材料具有如下优势[43-47]：蒙皮和芯层一次整体成型且相互交织，具有良好的力学性能，使用寿命长且不吸水、不开裂、不塌陷；可以灵活设计其结构，具有多样性的纤维种类；拥有自主知识产权，产品质量和性能可跻身国际先进行列，而芯材价格要低于进口产品。

中材科技股份有限公司通过利用中空夹芯复合材料研制的高速列车导流罩的制造效率是传统实心导流罩的2倍，且重量减轻2倍，成本减少20%，不论是外形设计、结构强度分析，还是轻质化、隔音和阻燃等性能均满足要求。同样，该公司研制的新型轨道交通复合地板，其芯材是中空复合材料，两侧表层是玻璃纤维复合材料，其比强度、隔音降噪性、阻燃性、抗剥离性和四点弯曲性等都优于传统的蜂窝结构地板[48]。不难看出，中空夹芯复合地板是传统地板非常好的替代品。

目前，中空复合材料的树脂基体绝大部分是热固性树脂，但它的不可循环利用、易造成环境污染、制备过程易影响工人健康等缺点，需要在日后通过升级成型工艺或使用其他种类的树脂基体解决，如热塑性树脂等。另外，中空复合材料的芯部特点普遍是沿径向的“8”字形状，以后可研制不同形状的芯部，进而提供性能多样化的产品。

2.3 颗粒增强型复合材料

颗粒增强型复合材料是一种新型的结构材料，其特点是用于增强的质点是非连续的，与连续纤维增强材料相比其刚度和强度略低，但材料各向同性较好，加工制备工艺相对简单，近年来得到了广泛的重视。

在动车组尤其高速动车组运行过程中，制动闸片对保证其安全性至关重要，且列车制动性能、制动闸片使用寿命等直接受到制动闸片自身材料性能的影响。

王佳琳等[49]基于定速摩擦试验方法，研究了SiCp/A356复合材料与有机合成闸片材料在常温、干/湿环境和不同区段高温、载荷、转速、磨损时间等试验条件下生成的摩擦磨损产物——第三体的成因和演变及其对SiCp/A356复合材料磨损性的影响。

SiC颗粒增强铝基复合材料，既拥有Al基体低密度和良好导热性的特点，又具备SiC颗粒组分高耐磨性、高硬度及低膨胀系数的优点。在满足使用需求的前提下，使用SiCp/Al复合材料制动盘代替传统的金属材料制动盘，制动盘减重30%～50%，且具有制动无噪声、无热斑、寿命长等优点，在轨道交通列车上具有广阔的应用前景。

李翔等[50]以城轨车SiCp/A356材料制动盘为工程背景，基于ANSYS仿真技术，研究了铝基复合材料制动盘在使用过程中的热应力性质及其在特定工况条件下热疲劳裂纹的产生与扩展机制，对比分析了不同颗粒含量与分布情况对复合材料热疲劳裂纹产生和扩展的影响。研究表明：复合材料裂纹的整体扩展速率会随着SiC颗粒数量的增加而变大，同时SiC颗粒对热疲劳裂纹扩展的抑制作用也更加显著；当SiC颗粒分布均匀时，材料内部热应力同样能比较均匀地分布，一旦增强相SiC颗粒出现团聚，颗粒团聚处将出现明显的热应力集中现象，引起局部的微损伤，从而为热疲劳裂纹的产生和扩展提供源头与路径。该研究成果不仅丰富了颗粒增强铝基复合材料热疲劳裂纹的扩展理论，还为复合材料设计和质量控制提供了科学依据，也为铝合金制动盘的工程应用和安全性提供技术支撑。

3 高性能复合材料在轨道交通领域的发展趋势

综上所述，高性能复合材料在轨道交通领域的规模化与工业化应用是必然趋势，具体可归纳为：

(1)应用多样性。复合材料由非承力零部件向主承力件逐步过渡的应用，单一的结构性复合材料向结构性和功能性兼顾发展。

(2)制备工艺多样性。复合材料的成型工艺由最初的以手糊为主发展成喷射工艺、缠绕工艺、真空热压罐工艺、拉挤工艺、编织成型等多种工艺。

(3)结构多样性。目前高性能复合材料的结构已经越来越多样化，如蜂窝夹层结构、泡沫夹层结构、功能层合板等，且各种结构都具有各自显著的性能，为复合材料的应用提供助力。

但是，高性能复合材料在具体应用中尚存在一些问题需要解决，例如：如何有效减少复合材料部件的制备成本，如何提高复合材料用于动车组的无烟、阻燃等性能，如何解决制备动车组用大型复合材料部件整体成型的技术问题和相应的环境问题等。通过进一步优化复合材料的前期设计，是实现所制备部件轻质化和安全性的保证。仅针对复合材料自身来讲，其比强度、比模量、抗疲劳等性能足以符合轨道交通装备的制造要求，而其结构形式、铺层和接头的设计等能否实现最优化，才是限制复合材料大规模应用的重点。可以预见，研发高性能、低成本和轻质化的复合材料用于制造轨道交通装备是未来的重要发展方向。