碳纤维材质等新材料在轨道车辆上的应用

郁宝 胡安华

1.中车南京浦镇车辆有限公司 江苏南京 210031

2.南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司 江苏南京 210031

在轨道交通设备高速发展的过程中，轨道交通车体的主要材料由普通碳钢向先进的轻质复合钢转变，质量大大降低。碳纤维复合材料作为一种新型的战略性材料，具有强度高、重量轻、耐磨性好等优点。与金属材料相比，耐腐蚀性强。轻量化是解决轨道交通车辆主承载结构问题的首选材料，其重点是在材料制造过程中对轻量化、强度、刚度和阻燃性能进行置换，以达到提高车辆承载能力的目的。在我国社会主义现代化进程中，城市轨道交通得到了长足的发展，作为车辆的重要组成部分，车辆采用轻质材料，有利于行车安全节能环保环境。因此，了解新型轻质材料在城市轨道交通中的应用，对于城市轨道交通的设计者和生产商具有重要意义。

1 轨道交通车体结构材料

1.1 钢结构

轨道交通车辆车体结构材料以普通碳钢为主，碳钢价格便宜，强度高，但易腐蚀环境。高盐雾或高湿度环境；设计过程中要求有较高的耐腐蚀性，车体要求有较高的安全系数，使车辆重量和能耗更高，以提高耐腐蚀耐候钢的冗余性。用耐候钢代替耐候钢里斯耐蚀性是碳钢的2-3倍，整车自重减少10%-20%。但是油漆保护还没有诞生必要，采用不锈钢后，车体重量比普通碳钢高30%-50%，无涂层保护。

1.2 铝合金结构

铝合金车身的结构主要由挤压型材、空心挤压型材和钎焊铝蜂窝板组成，早期用铝合金代替不锈钢的工艺也经历了较高的技术成本限制，这得益于合作寻找材料供应商和制造商，改进焊接工艺、连接工艺和其他生产工艺，控制生产工艺，降低加工成本和设备成本，在不降低性能的情况下，最终达到不锈钢的价格。同时车身平整，比碳钢车身轻50%，具有良好的耐腐蚀性和较低的维护成本。

2 轨道车辆新材料的应用

2.1 NGC 型铝合金类型材料的应用

城市轨道车辆主要采用不锈钢材料但是很重。采用铝合金型材作为扶手材料，与不锈钢相比，重量减轻了50%以上，因为铝合金型材具有更好的性能防腐，机械和焊接成型比不锈钢。因此，铝合金型材取代不锈钢作为铁路车辆扶手的基材城市。城市轨道交通车辆的持续发展，为了提高铝合金扶手的耐磨性和表面硬度，NGC型铝合金扶手表面必须进行硬质阳极氧化，形成硬度较高的硬质氧化膜。至3500MPa铝合金扶手表面形成硬质氧化膜需要工序：机械抛光、研磨、脱脂、清洗、化学抛光、洗涤、中和、硬质阳极氧化、洗涤、密封、固化查格。溶液浓度，成分，温度和其他电流密度条件也会影响合金坡道表面硬质阳极氧化膜的形成铝。更多溶液温度越低，硬质阳极氧化膜的硬度越高。

2.2 聚碳酸酯类型材料的应用

聚碳酸酯材料被称为PC材料，广泛应用于交通、建筑工业与传统玻璃和PC材料相比，PC材料的优势在于：

（1）ME属性的优点。由于pc材料是由有机高分子材料组成的，其强度和韧性都比传统玻璃材料强。此外，PC材料安全性高，在实际应用中不会发生自爆炸。

（2）优势。如果PC材料的面积和厚度与传统玻璃相同，玻璃的重量是PC材料的两倍，因此我们可以看到这种材料的轻量级优势个人电脑城市轨道车辆采用PC材料代替传统玻璃，大大减轻了车辆重量，降低了能耗，达到了环保减排的效果。

（3）绝缘的优点.热传统玻璃的k值比pc材料高10%，可以更有效地隔离夏季车外热量输入和车内热量损失。当冬季室外温度为非常低，窗户与PC材质相连，而不是传统的玻璃感到寒冷，因此很明显PC材质不仅具有传统玻璃的所有属性和优点，而且与传统玻璃相比，具有强度、降噪、隔热等优点。传统钢化玻璃的重量仅为传统钢化玻璃的一半，可以促进城市轨道交通车辆的轻量化发展，未来可以用PC材料代替传统钢化玻璃在汽车内部系统的显示器、车窗和行李架上的应用。

2.3 铝塑复合板的应用

铝塑复合板，俗称复合板铝。这是一种由特殊铝板制成的复合材料-塑料化学处理后，将无毒低密度聚乙烯芯置于两层包膜铝箔之间，经处理后制成复合材料。城市轨道车辆内墙板的基本材料多为玻璃纤维和蜂窝材料与传统材料相比复合铝板优点：

（1）防火性能优越。由于铝板的两面都很难煅烧，且介质为聚乙烯塑料芯阻燃材料，所以阻燃性能优越。

（2）顶针强度高粘贴，剥离强度是铝板的关键技术指标复合材料，由于特殊的制造工艺，复合铝板的抗剥落性能达到了优良的状态，其耐候性和平整度也相应提高。

（3）易于使用维护。复合铝板易于清洗，只需用水和中性清洗剂即可，清洗后的复合铝板干净、新。

（4）高耐受性冲击。铝合金复合板具有很强的韧性，能承受较大的外部冲击而不造成损伤，弯曲的铝板不会损坏表面油漆。复合铝板的重量约为3.5-5.5kg/m2，而目前使用的铝蜂窝板的重量为11kg/m2，复合铝板的重量优势明显。

2.4 碳纤维材料在车体上的应用

目前，碳纤维复合材料主要用于上部结构，车体采用大截面冷弯型钢，满足了车顶的刚度要求。车辆的顶部空间，通常有更多的设备，如空调、大型电池等，如果刚度不足，不仅会产生振动，还会造成结构损坏，对行车安全有很大影响回复：此外，车顶材料对耐蚀性也有很高的要求。车顶经常与雨水接触。雨水的腐蚀往往很严重。材料一旦耐蚀性差，很容易造成材料的穿孔结构，这不仅影响车辆的密封性，也会导致车辆漏水。我们可以使用各种相同横截面的碳纤维材料制作纵梁来支撑充电，有效提高截面接缝强度，某些横向纤维可布置与传统材料车顶基本相同，但其刚度远高于传统材料车顶，车顶在行驶过程中更稳定[1]。它的重量大约是传统车顶的一半，可以有效地减轻整个摩托车的重量，降低摩托车的能耗。机车。测试车顶刚度，当车顶荷载为4t时，车顶挠度只有2mm左右，说明材料完全能满足刚度要求，而且碳纤维材料具有良好的耐腐蚀性。它可以在较长的降雨时间内保持原材料的性能，有效地提高车辆的可靠性。

2.5 碳纤维材料的应用

碳纤维是一种能像钢一样导电的纤维状碳材料，具有多种热性能、力学性能和耐热性能。碳纤维材料比耐热钢更耐高温，更耐腐蚀不锈钢，但密度比铝低，比钢更坚固。

（1）腐蚀。碳纤维材料不仅具有碳纤维材料的特性，而且具有纤维材料的柔韧性和可变性。纺织品碳纤维的杨氏模量是传统玻璃纤维的三倍，是传统玻璃纤维的两倍，此外，碳纤维材料不溶于酸性、碱性和有机溶剂，具有优异的耐腐蚀性。

（2）密度小、强度高。玻璃纤维增强低密度高强度热固性塑料用作大多数城市轨道交通车辆司机室的面罩，而碳纤维密度较低，强度较高纤维玻璃。一般情况下，城市轨道车辆面罩的质量在250kg到320kg之间千克为减轻车辆重量，应使用碳纤维增强热固性玻璃。

（3）抗拉强度高。碳纤维的拉伸强度是玻璃纤维的两倍，是钢的7-8倍。但碳纤维的密度仅为玻璃纤维的三分之二，用碳纤维材料代替玻璃纤维制作驾驶室面罩，可以达到面罩的性能标准，促进汽车的发展。城市轨道交通向轻量化方向发展，未来汽车装配材料的选择将越来越多地推动性能优良的碳纤维材料的发展。

（4）自重小、刚度高的构件[2]。一般来说，材料的比模量越大，构件的刚度就越大大。更多比电阻高，元素的自重越大弱，碳纤维是一种高模量、高强度、低自重、高刚度的优良材料。城市轨道车辆材料的应用也应相应地发展和改革，选择强度更高、重量更轻的新材料。

3 轨道交通车体结构材料未来发展方向

轨道交通车体结构材料的开发应以安全、可靠、舒适、环保、环保为导向。智能。铁路运输设备的技术发展、材料选择，高性能、轻量化、技术成熟，新材料的广泛应用是铁路运输领域的重要指标。根据需求合理选择材料是优化设计的关键，通过平衡材料需求和技术来升级轨道交通设备，未来轨道交通车辆车体设计将需要选择采用高强度合金和复合材料结构，坚持轻量化发展理念，采用新材料、新技术、新体系，推动先进材料在列车上的应用，以满足列车轻量化、安全可靠的要求。高速，减振降噪。应围绕以下三点：①材料：采用轻质高性能材料，采用符合材料特性的设计理念，对车辆结构进行优化，同时考虑工艺、组织结构等因素进行选择和优化。②平台：合理的材料设计从原料、3D图形设计、成型工艺、仿真分析、试验验证、试验维护等全过程数据库管理系统的建立；来自数据控制和其他胶带。③制造：将定制激光焊接技术、变厚度轧制技术和低成本复合材料自动成型技术相结合，建立自动化控制和测试生产线，提高稳定性实现产品智能化制造[3]。

4 结语

随着碳纤维制造技术的发展，碳纤维材料作为高稀土的生产材料和过渡材料已广泛应用于铁路车辆的机械零部件和内饰件中，积极探索碳纤维复合材料在轨道交通车辆中的应用持续减轻车辆重量，有效提高车辆性能，为乘客提供更好的服务和驾驶体验舒适。现代材料技术的不断创新，新材料正在改变很快。大量的新材料可以应用于城市轨道车辆内部装配系统中，大大提高了城市轨道车辆内部装配系统的美观性、安全性和舒适性。