碳纤维复合材料在轨道车辆应用展望

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111）

碳纤维复合材料（CFRP）因具有质量轻、强度大等优点，已应用于众多领域。在航空领域，欧洲空客公司的A380客机应用碳纤维复合材料达32 t，约占结构总重的15%[1]；A350XWB宽体客机的复合材料占结构总重的53%，达到了航空领域最高[2]。在风电领域，碳纤维复合材料风机叶片充分发挥轻量化、抗疲劳特性，提高了风力发电机的发电效能[3]。相比之下在轨道交通车辆领域，碳纤维复合材料应用较少，尚具有广阔的应用前景。

1 碳纤维复合材料在轨道车辆应用现状

1.1 国外应用现状

国外在车体结构碳纤维复合材料的应用研究已取得诸多成果。日本的碳纤维复合材料车体研发很早，于1999年推出安装了碳纤维复合材料司机室的E4车辆，随后发布的N700车辆安装了碳纤维复合材料车顶，也取得了较好的减重效果。韩国于2010年投入运营的TTX列车采用了碳纤维复合材料车顶、侧墙以及端墙结构，搭配传统的中空挤压铝型材组焊底架，在后续改进方案中还使用了碳纤维复合材料面板铝蜂窝芯夹层结构，该列车在长期的线路运营中表现良好。欧洲西门子股份公司、阿尔斯通公司等顶级轨道交通装备制造企业，其发展水平整体较高，例如，英国Intercity125列车使用了碳纤维复合材料整体成型的司机室结构，相对钢结构减重30%～35%；法国TGV双层车体采用了真空固化袋工艺成型的碳纤维复合材料及大量蜂窝夹层结构，较铝制车减重超25%，且经过长期运行表现出较稳定的结构性能[4]。

在转向架设计方面，日本存在较大的技术优势。川崎重工有限公司于2014年发布了efWING转向架，将部分框架材料换成碳纤维复合材料，并将侧梁与螺旋弹簧的功能整合到弓形CFRP弹簧中，达到减重40%的效果。虽然韩国与欧洲都研发出碳纤维转向架，但都停在试验阶段，没有大规模投入商用。

1.2 国内应用现状

国内碳纤维复合材料车辆研究起步较晚，但目前仍取得一定成果。2018年9月中车长春轨道客车股份有限公司研制的碳纤维复合材料轻轨“光谷量子号”在长春轨道交通展上首次亮相，目前已在武汉轻轨线路上运营，这也是国际首列商业运营全碳纤维车体列车。同年中国中车集团发布了碳纤维复合材料地铁列车CETROVO，该车在车体、转向架、司机室、设备舱中使用了大量碳纤维复合材料，使司机室、设备舱减重30%以上，整车减重13%。图1和图2分别为碳纤维列车的车体结构和转向架结构。2020年6月，中车青岛四方机车车辆股份有限公司研制的速度600 km/h磁浮列车成功试跑，其车体主结构、悬浮架、车辆内饰等部位使用了大量碳纤维复合材料。

图1 碳纤维复合材料地铁车体结构

图2 碳纤维转向架结构

除了整车级别的应用研究，目前已运营车型也正在通过改型设计替换新的碳纤维材料结构。例如，复兴号的设备舱正在进行碳纤维复合材料新结构、新工艺的尝试；京雄高铁线路列车的司机室也正在进行碳纤维一体化设计。

2 碳纤维复合材料车辆应用关键技术

轨道车辆全方面应用碳纤维复合材料要经历漫长的发展历程，在研发、制造、运营维护等方面需要进行大量技术积累，本文从如下几方面列举碳纤维复合材料车辆应用的关键技术。

2.1 复合材料力学特性与失效理论

碳纤维复合材料由纤维与基体（固化的树脂）2种组分构成，因而在力学性质方面呈现与金属材料不同的特性：在纤维方向表现出很高的强度，其余方向强度相对较小。碳纤维复合材料具有多种失效模式，可以归结为层内失效（指纤维和基体各自的拉伸与压缩失效）和层间失效（指相邻层间出现的剥离损伤）。进行车辆结构的安全设计必须对材料的损伤条件与损伤过程有准确的预测，为此必须进行大量的材料试验数据积累，得到各种使用工况下的材料特性作为设计依据，才能保证车辆在使用时的安全性。当前预测碳纤维失效理论研究应用最多的是Hashin准则[5]以及PUCK准则[6]，都能进行损伤起始判定与损伤演化分析，并能区分不同的损伤模式。失效理论除了在结构设计阶段提供依据，进行准确的失效预测研究以及疲劳损伤规律研究，还有助于制定经济合理的车辆检修计划。

2.2 复合材料结构设计方法

碳纤维复合材料的典型优势是结构可设计性强，在研发过程中碳纤维复合材料车体结构件需针对使用条件进行设计。例如，碳纤维复合材料板的铺层角度应针对结构特点进行设计。层合板结构需要有足够的铺层角度分布，任意角度的铺层应不少于铺层总数6%～10%[7]。当实际工况中结构承受某单向载荷比较明显时，应进行局部加强，让足够多的纤维铺设在载荷方向。在承受面外冲击载荷较多的结构部位，可以通过增加±45°方向铺层或表层铺设织物的方式增强抗冲击能力。此外，还应根据载荷工况特点选择合适的结构。例如在大型壁板容易发生屈曲的部位，可以采用共固化T型加强筋的方法进行加强；在侧墙、顶棚、地板这些承受车辆运行载荷小的地方可以选用蜂窝夹层结构，这样既能实现减重也有隔热、隔音、防火、防腐蚀的功效。

2.3 复合材料制造工艺

碳纤维复合材料制造工艺是结构设计、制造、应用的根本。研究复合材料制造工艺不仅有助于提升结构件的质量，还能够降低生产成本，增强生产效益。碳纤维复合材料制造工艺涵盖原材料制造工艺和固化成型工艺。在原材料制造方面，当前主要制约发展的因素为碳纤维制造水平落后，产品质量不稳定、成本高。在固化成型工艺方面，目前传统成熟的成型工艺有手糊成型、喷射成型、预浸料热压罐成型、树脂传递模塑成型、真空树脂注入成型等[8-10]。近年来自动化制造工艺发展迅速，缠绕、拉挤、编织、自动铺放等工艺呈现出越来越广的应用前景。

2.4 复合材料部件连接方法

碳纤维复合材料结构受材料特性和生产工艺的限制，无法直接沿用传统的结构连接形式。为保证载荷的有限传递，必须采用合理的结构连接设计。目前常用的连接方法有机械连接、胶接和混合连接。机械连接适用于传递较大集中力的关键部位，后期维护时螺栓可以拆卸，因而具有较好的可维护性。然而连接孔破坏了纤维的连续性，并且产生了应力集中，降低了局部强度，同时金属连接件与碳纤维之间由于存在电位差会造成电化学腐蚀。胶接连接避免了打孔以及结构的电化学腐蚀，具有较好的绝缘和密封性能，一般适应于传递均布载荷或剪切载荷的非主承力结构。如果单一的连接方式无法满足连接要求，或者连接结构需要有较大的安全裕度时，可以将2种连接方式结合进行混合连接。

2.5 复合材料损伤检测技术

碳纤维复合材料组分复杂，在制造过程中工艺的不成熟或生产工艺规范执行不当易导致材料出现缺陷。典型缺陷主要有分层、脱粘、空隙、夹杂、铺层角度偏差等。碳纤维复合材料服役环境多变，在使用过程中易出现损伤。典型损伤有划伤、分层、脱粘等。为了保证复合材料的使用安全，应对结构材料的质量和健康情况进行检测。当前的无损检测方法主要有超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测和目视检测6种方法[11]，各种检测具有各自的适用领域。

无损检测方法中应用较广的是超声检测。它的原理是超声波进入待测件传到缺陷处产生反射，通过对反射波进行分析可以精确地测出结构缺陷与损伤的位置和大小。在不同缺陷显示方法中C型显示的缺陷检测结果最直观，可通过颜色区分损伤面积与深度。

2.6 复合材料结构修理方法

碳纤维复合材料部件在生产与使用阶段难免出现缺陷或损伤，对结构进行有效修理才能保证结构的使用安全性。飞机结构的复合材料修理研究始于20世纪70年代[12]，发展至今已拥有成熟的结构修理方法。

当复合材料结构检测到损伤后第一步是进行修理评估。修理评估就是对损伤进行一个“需不需要修，值不值得修”的判断。如果损伤程度轻微，不会对结构安全造成威胁，就不需要进行修理；如果结构损伤较大，已经成为安全隐患，那么就需要进行修理。另一方面，如果进行修理的各方面耗费已经超过直接替换结构件的耗费，那么结构就不值得修理，进行新部件替换即可。

在确定结构需进行修复后，第二步是根据结构修理手册选择合适的方法展开修理工作。复合材料结构的修理方法分为机械连接修理与胶接修理2种[12]。机械连接修理一般采用紧固件与补片对损伤结构进行补强，通过螺栓或铆钉实现补片与母板结构的机械连接。胶接修理采用树脂与补片进行损伤修复，比如小范围的层合板分层损伤或蜂窝夹层结构的板芯分层损伤可以通过注入树脂固化的方式进行注胶修理，另外在重要承力结构处的损伤可以采用搭接补片（贴补法）或嵌入补片（挖补法）并胶接固化的方式修理。

轨道车辆碳纤维结构应用时间较短，商业化运营维护经验空缺，目前对碳纤维复合材料车辆的检修计划、修理评估原则、结构修理方法的制定还需要参照航空领域的设计使用经验，后期逐步形成轨道车辆专有的结构修理评估标准与修理方案。

3 碳纤维复合材料在轨道车辆应用展望

3.1 积木式研究

碳纤维复合材料在实际应用中需进行大量的试验分析才能保证结构的可靠性。研究过程通常使用“积木式”的方法，这是一种集成度较高的分析和试验验证思路[13]。“积木式方法”的试验过程按照试件尺寸、试验规模、环境复杂程度呈逐级增加的顺序，后一级试验利用前一级的结果进行，可以降低技术风险与研发费用。

碳纤维复合材料车体结构的“积木式”方法研究分三步走。第一步是车辆用复合材料的属性研究，这一级称为材料级试验，模拟材料各种使用工况并测量材料参数和许用值；第二步是典型结构件的研究，这一级称为元件级试验，对标准结构试验件如平板、加筋板、梁、夹层结构进行试验，获得特定载荷工况下结构的承载能力以及失效模式；最后一步是整体结构的全尺寸试验，试验时将载荷从零加载到设计载荷乃至结构破坏，确定设计方案的合理性。

3.2 打造生态产业链发展

目前碳纤维复合材料在全球轨道交通装备制造领域的应用存在很大空缺。2019年世界各领域碳纤维复合材料使用需求分布如图3所示，其中风电叶片、航空航天、体育休闲和汽车领域占74%[14]，轨道交通装备制造领域尚未出现在图中，原因是目前全球碳纤维轨道车辆尚未实现大规模商用，都处于研发试验阶段。

图3 2019年世界各领域碳纤维复合材料需求分布

碳纤维复合材料应用涉及原材料制备（碳纤维以及各类树脂）、中间制品制造、结构设计和应用，其战略核心是碳纤维[14]。中国碳纤维发展历史中经历欧美禁运与技术封锁，直至2000年以后国内才形成一定规模的碳纤维市场，虽然实现了“从无到有”，但是产品的品质稳定性与经济性较差。与传统成熟材料不同，碳纤维复合材料与应用企业存在着共同发展互相成就的关系，这是国际上新技术创新的基本规律。目前国内轨道交通发展规模庞大，如果国内轨道交通车辆大幅应用碳纤维复合材料，国内碳纤维企业因此会有充足的环境去成长和发展，届时不止轨道交通装备制造领域，航空航天、风电、体育休闲等领域也会同时受益。