碳纖維材料在高速列車的應(yīng)用前景

楊波　劉煥軍　劉云溥

摘 要：近十年來，我國高速列車蓬勃發(fā)展，高速列車技術(shù)已達(dá)到甚至超過國際先進(jìn)水平。然而，要始終占據(jù)高速列車技術(shù)制高點，仍需加大高速列車技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。對此，從碳纖維材料的主要性能方面探討其在高速列車上的應(yīng)用和前景。

關(guān)鍵詞：高速；列車；碳纖維；材料

中圖分類號：U270.4；TB334 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）10-0104-02

碳纖維是由有機纖維經(jīng)碳化和石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)。碳纖維是指含碳量高于90%的無機高分子纖維，具有輕質(zhì)、高強、耐高溫、耐疲勞、抗腐蝕、導(dǎo)熱和導(dǎo)電等特性，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料。碳纖維除了應(yīng)用在航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域外，還可用在文體用品、紡織機械、醫(yī)療器械生物工程和運輸車輛等方面。目前，碳纖維材料在高速列車上的應(yīng)用還有一定的局限性，大多數(shù)產(chǎn)品仍處于研究開發(fā)階段，僅部分產(chǎn)品得到實際應(yīng)用，因此，應(yīng)用前景非常廣泛。

1 碳纖維材料的主要性能

要利用碳纖維材料，就需要先認(rèn)識碳纖維的特性，以便在生產(chǎn)實際中更好地應(yīng)用這種新材料。碳纖維的主要特性（見表1）主要有以下幾點：①碳纖維的強度高，其抗拉強度可以達(dá)到3 000～4 000 MPa，比鋼大4倍多，比鋁高6～7倍。②彈性模量高。其彈性模量在230 GPa以上。③密度小，比強度高。碳纖維的質(zhì)量是鋼的1/4，是鋁合金的1/2；比強度比鋼大16倍，比鋁合金大12倍。④能耐超高溫。碳纖維可在2 000 ℃下使用，在3 000 ℃非氧化氣氛的高溫下不融化、不軟化。⑤耐低溫性能好。在-180 ℃低溫下，鋼鐵會變得比玻璃脆，而碳纖維依舊很柔軟。⑥耐酸、耐油、耐腐蝕性能好。能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸、苯和丙酮等介質(zhì)侵蝕。將碳纖維放在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的鹽酸、硫酸和磷酸中，200 d后其彈性模量、強度和直徑基本沒有變化；在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的硝酸中只是稍有膨脹，其耐腐蝕性能超過黃金和鉑金。⑦熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)大?？梢阅图崩浼睙幔词箯? 000 ℃的高溫突然降到室溫也不發(fā)生炸裂。⑧防原子輻射，能使中子減速。⑨導(dǎo)電性性能好（5～17μΩm）。⑩軸向抗剪切模量較低，斷裂延伸率小，耐沖擊差，且后加工較為困難。

2 列車輕量化的意義

列車輕量化主要從軸重、能耗和制動三個方面考慮，列車

速度越高，對軌道的沖擊力越大。因此，速度大于120 km/h的車輛的軸重要隨速度級的增加而減少。軸重過重，輕者則使鋼軌過度磨耗和損傷，增加線路維修工作量；重者則損壞線路，釀成重大事故。高速列車的運行速度大于250 km/h時，對軌道的沖擊力比普通列車沖擊要大得多。高速列車運行靠消耗電能來實現(xiàn)，列車運行除具備一定的動力外，還必須克服包括機械摩擦力和空氣阻力在內(nèi)的運行阻力。高速列車的運行速度大于250 km/h時，需要的動能是現(xiàn)有列車的4倍多，要克服的阻力是現(xiàn)有列車的10～30倍。高速列車的巨大動能在制動停車的短時間消散，也是一個困難的技術(shù)問題，一般高速列車采用再生制動和盤型制動結(jié)合的方式，對盤型制動的制動盤和閘片的能力要求十分苛刻。列車輕量化對減輕高速列車自重，減少線路損害、減少動力消耗、節(jié)約能源，減少制動系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)具有重大意義。

3 國內(nèi)高速列車應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 高速列車車頭

高速列車在高速行駛中，所受到的空氣阻力占列車總阻力很大一部分，而且隨著列車的速度提高而急劇增加。例如國內(nèi)常見的以250 km/h的速度運行的高速列車，其空氣阻力超過列車運行總阻力的50%.為了實現(xiàn)高速鐵路的安全、舒適、低能耗且滿足環(huán)境保護(hù)的要求，必須對列車車頭進(jìn)行深入而細(xì)致的研究，以期最大程度地降低車輛的氣動阻力、氣動升力和側(cè)風(fēng)效應(yīng)等，達(dá)到降低能耗和增加列車運行穩(wěn)定性的目的。

高速列車行駛中，車頭最高正壓集中在車最前端迎風(fēng)面，車頭設(shè)計隨著車頭長度增加，外流場的氣流附著在車頭表面流動，隨著流線型線條趨于平緩、車頭橫截面變化梯度變小，則邊界層隨之加長，邊界層分離點后移，分離區(qū)域減小使得氣流分離較為順暢平緩，列車的最大壓力隨著減低。即使如此，高速列車車頭最高正壓也達(dá)到3 000 Pa。碳纖維車頭前端頭蓋（如圖1所示）可以很好地承受列車最前端的最大正壓和最大負(fù)壓，避免列車因正壓和負(fù)壓而失效，提高高速列車的空氣動力性能。

碳纖維車頭導(dǎo)流板對提高列車的空氣動力性能有重要影響：一方面，可以減少空氣的擾動，使湍流動能對車身底面的沖擊降到最低，同時減少氣流進(jìn)入車底，縮小車頂與車底的空氣壓力差，增加車輛行駛穩(wěn)定性；另一方面，它可以使迎面而來的氣流平緩分離，最大程度地降低迎風(fēng)面的壓差阻力作用。

3.2 高速列車鉤緩裝置

高速列車的鉤緩裝置作為列車縱向力的關(guān)鍵部件之一，在列車的安全運行中起著至關(guān)重要的作用。列車不同車輛間的縱向力均由鉤緩裝置傳遞，鉤緩裝置不但能夠在列車運行過程中吸收車輛之間的縱向沖擊力，提高列車運行舒適性；而且鉤緩裝置中的吸能裝置還能在列車發(fā)生碰撞的情況下保護(hù)車體，避免乘客受傷。

目前，國內(nèi)高速列車車鉤的主要承力件均為鋼結(jié)構(gòu)，其中主要包括焊接鉤體、車鉤安裝座（板）和車鉤緩沖器的主要結(jié)構(gòu)件等，國內(nèi)高速列車車鉤重量均在500 kg以上。以國內(nèi)某高速車車鉤安裝板為例，僅安裝板就超過100 kg，導(dǎo)致車鉤的安裝和起吊非常不方便。將碳纖維材料引入鉤緩裝置中，就會極大減少鉤緩裝置的重量，這不但可以整體減輕列車的重量，而且對車鉤的使用、安裝和檢修都具有重大意義。

3.3 高速列車制動裝置

隨著列車運行速度的提高，高速列車對制動系統(tǒng)的要求也越來越高。從能量守恒考慮，列車的動能與其運動速度的平方成正比，列車所具備的制動功率也應(yīng)與最高速度的平方成正比。從黏著利用和防滑考慮，高速列車必須具備高性能防滑裝置，來確保行車安全；為了提高乘坐舒適度，對制動力控制精度有較高的要求。

列車制動方式來說，踏面制動是最常用的一種制動方式。而從高速列車制動系統(tǒng)來看，踏面制動由于其缺陷性很少被采用，目前盤形制動是高速列車最終實現(xiàn)停車的基礎(chǔ)制動方式，它在制動功率、減少車輪踏面熱傷害等方面具有踏面制動所沒有的優(yōu)越性。長期以來，基礎(chǔ)制動裝置采用的主要材料是鑄鐵材料。國內(nèi)經(jīng)純凈化處理、優(yōu)化鍛造等制成的制動盤，具有良好的綜合性能和優(yōu)異的抗熱疲勞性，可在高速列車上采用。但其與碳纖維復(fù)合材料相比，碳纖維復(fù)合材料的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于鑄鐵材料，并符合高速列車輕量化發(fā)展的要求，國內(nèi)外對其進(jìn)行了大力的研究和開發(fā)，得到了一定的應(yīng)用。

與鑄鐵材料相比，碳纖維復(fù)合材料制動盤具有以下主要特點：①根據(jù)工藝，使摩擦系數(shù)曲線與黏著系數(shù)曲線獲得較好的吻合，摩擦系數(shù)大且對速度的改變不太敏感。②耐磨，壽命一般在鑄鐵閘瓦的4倍以上；制動時，無火花；重量大大減少，對線路和車輛沖擊減少；磨耗少。

4 未來應(yīng)用方向及前景

目前，國內(nèi)關(guān)于碳纖維材料在高速列車上的應(yīng)用還較少，大多數(shù)研究項目還處于試驗階段，技術(shù)成熟且可以使用的較少，急需投入較大的力量進(jìn)行研究和開發(fā)。想讓我國高速列車的技術(shù)始終占據(jù)國際市場，關(guān)鍵是對新材料（碳纖維等）在車體、轉(zhuǎn)向架等承力結(jié)構(gòu)的研究和開發(fā)，搶占技術(shù)制高點，為以后的發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

高速列車上車體材料以高強度鋁合金為主。鋁合金材料具有良好的強度、疲勞性能、抗裂紋能力、良好的表面處理能力和抗腐蝕能力，撞擊時不會產(chǎn)生火花，有較好的吸收沖擊能力和吸音能力。它的優(yōu)勢使其在高速列車上得到廣泛運用。此外，鋁合金還具有焊接性能較差、耐磨性能差、彈性模量小和應(yīng)用溫度較低等缺點。列車速度越高，它的缺點對列車的整體性能影響就較大。用復(fù)合材料和碳纖維材料來代替鋁合金材料，可以進(jìn)一步提高列車高速行駛的車體穩(wěn)定性和安全性，因此，對鋁合金材料的代替具有廣闊的研究前景。

轉(zhuǎn)向架技術(shù)直接制約著高速列車的性能，車輛受到的各種載荷、作用力的承載和傳遞都通過轉(zhuǎn)向架來實現(xiàn)。轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)和性能較好，能夠緩和車輛與線路之間的相互作用，減小振動、沖擊和動應(yīng)力，提高車輛運行平穩(wěn)性和安全性。碳纖維材料性能的優(yōu)越，對于轉(zhuǎn)向架的輕量化、結(jié)構(gòu)強度等有著重要的意義。由于轉(zhuǎn)向架的受力復(fù)雜、影響因素較多，目前碳纖維材料在轉(zhuǎn)向架的研究和應(yīng)用還不夠深入，未來該方面還需加強。

5 結(jié)束語

碳纖維在高速列車上的應(yīng)用有著廣闊的前景，目前主要在材料成本和生產(chǎn)設(shè)計兩方面制約著它在高速列車上的應(yīng)用。

材料成本方面。碳纖維增強復(fù)合材料所用的纖維和基體材料價格高，是該材料在工業(yè)廣泛使用最大的障礙。生產(chǎn)碳纖維的原絲——聚丙烯晴絲較貴，美國正在研究以紡織商品級的聚丙烯晴絲為原絲，并能夠快速生產(chǎn)廉價碳纖維的工藝，可望將碳纖維的價格降至3美元/磅。同時，缺乏大批量、高生產(chǎn)效率的碳纖維復(fù)合材料高速列車零部件的生產(chǎn)方法。

生產(chǎn)設(shè)計方面。探索能夠生產(chǎn)多種形狀和性能的高速列車零部件工藝方法，研究發(fā)展高效、低成本的碳纖維增強復(fù)合材料零件生產(chǎn)工藝，具有重大意義。此外，碳纖維增強復(fù)合材料高速列車零件的設(shè)計數(shù)據(jù)、試驗方法、分析工具和碰撞模型等尚不完善。

參考文獻(xiàn)

[1]張鵬.碳纖維的應(yīng)用及市場[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2001（12）.

[2]陳光大.碳纖維的應(yīng)用前景[J].中國投資，2002（03）.

[3]蘇小萍.碳纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].高科技纖維與應(yīng)用，2004（05）.

[4]呂立斌，荀勇.碳纖維及其復(fù)合材料性能與應(yīng)用[J].山東紡織科技，2004（06）.

〔編輯：李玨〕

列車制動方式來說，踏面制動是最常用的一種制動方式。而從高速列車制動系統(tǒng)來看，踏面制動由于其缺陷性很少被采用，目前盤形制動是高速列車最終實現(xiàn)停車的基礎(chǔ)制動方式，它在制動功率、減少車輪踏面熱傷害等方面具有踏面制動所沒有的優(yōu)越性。長期以來，基礎(chǔ)制動裝置采用的主要材料是鑄鐵材料。國內(nèi)經(jīng)純凈化處理、優(yōu)化鍛造等制成的制動盤，具有良好的綜合性能和優(yōu)異的抗熱疲勞性，可在高速列車上采用。但其與碳纖維復(fù)合材料相比，碳纖維復(fù)合材料的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于鑄鐵材料，并符合高速列車輕量化發(fā)展的要求，國內(nèi)外對其進(jìn)行了大力的研究和開發(fā)，得到了一定的應(yīng)用。

與鑄鐵材料相比，碳纖維復(fù)合材料制動盤具有以下主要特點：①根據(jù)工藝，使摩擦系數(shù)曲線與黏著系數(shù)曲線獲得較好的吻合，摩擦系數(shù)大且對速度的改變不太敏感。②耐磨，壽命一般在鑄鐵閘瓦的4倍以上；制動時，無火花；重量大大減少，對線路和車輛沖擊減少；磨耗少。

4 未來應(yīng)用方向及前景

目前，國內(nèi)關(guān)于碳纖維材料在高速列車上的應(yīng)用還較少，大多數(shù)研究項目還處于試驗階段，技術(shù)成熟且可以使用的較少，急需投入較大的力量進(jìn)行研究和開發(fā)。想讓我國高速列車的技術(shù)始終占據(jù)國際市場，關(guān)鍵是對新材料（碳纖維等）在車體、轉(zhuǎn)向架等承力結(jié)構(gòu)的研究和開發(fā)，搶占技術(shù)制高點，為以后的發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

高速列車上車體材料以高強度鋁合金為主。鋁合金材料具有良好的強度、疲勞性能、抗裂紋能力、良好的表面處理能力和抗腐蝕能力，撞擊時不會產(chǎn)生火花，有較好的吸收沖擊能力和吸音能力。它的優(yōu)勢使其在高速列車上得到廣泛運用。此外，鋁合金還具有焊接性能較差、耐磨性能差、彈性模量小和應(yīng)用溫度較低等缺點。列車速度越高，它的缺點對列車的整體性能影響就較大。用復(fù)合材料和碳纖維材料來代替鋁合金材料，可以進(jìn)一步提高列車高速行駛的車體穩(wěn)定性和安全性，因此，對鋁合金材料的代替具有廣闊的研究前景。

轉(zhuǎn)向架技術(shù)直接制約著高速列車的性能，車輛受到的各種載荷、作用力的承載和傳遞都通過轉(zhuǎn)向架來實現(xiàn)。轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)和性能較好，能夠緩和車輛與線路之間的相互作用，減小振動、沖擊和動應(yīng)力，提高車輛運行平穩(wěn)性和安全性。碳纖維材料性能的優(yōu)越，對于轉(zhuǎn)向架的輕量化、結(jié)構(gòu)強度等有著重要的意義。由于轉(zhuǎn)向架的受力復(fù)雜、影響因素較多，目前碳纖維材料在轉(zhuǎn)向架的研究和應(yīng)用還不夠深入，未來該方面還需加強。

5 結(jié)束語

碳纖維在高速列車上的應(yīng)用有著廣闊的前景，目前主要在材料成本和生產(chǎn)設(shè)計兩方面制約著它在高速列車上的應(yīng)用。

材料成本方面。碳纖維增強復(fù)合材料所用的纖維和基體材料價格高，是該材料在工業(yè)廣泛使用最大的障礙。生產(chǎn)碳纖維的原絲——聚丙烯晴絲較貴，美國正在研究以紡織商品級的聚丙烯晴絲為原絲，并能夠快速生產(chǎn)廉價碳纖維的工藝，可望將碳纖維的價格降至3美元/磅。同時，缺乏大批量、高生產(chǎn)效率的碳纖維復(fù)合材料高速列車零部件的生產(chǎn)方法。

生產(chǎn)設(shè)計方面。探索能夠生產(chǎn)多種形狀和性能的高速列車零部件工藝方法，研究發(fā)展高效、低成本的碳纖維增強復(fù)合材料零件生產(chǎn)工藝，具有重大意義。此外，碳纖維增強復(fù)合材料高速列車零件的設(shè)計數(shù)據(jù)、試驗方法、分析工具和碰撞模型等尚不完善。

參考文獻(xiàn)

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[3]蘇小萍.碳纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].高科技纖維與應(yīng)用，2004（05）.

[4]呂立斌，荀勇.碳纖維及其復(fù)合材料性能與應(yīng)用[J].山東紡織科技，2004（06）.

〔編輯：李玨〕

列車制動方式來說，踏面制動是最常用的一種制動方式。而從高速列車制動系統(tǒng)來看，踏面制動由于其缺陷性很少被采用，目前盤形制動是高速列車最終實現(xiàn)停車的基礎(chǔ)制動方式，它在制動功率、減少車輪踏面熱傷害等方面具有踏面制動所沒有的優(yōu)越性。長期以來，基礎(chǔ)制動裝置采用的主要材料是鑄鐵材料。國內(nèi)經(jīng)純凈化處理、優(yōu)化鍛造等制成的制動盤，具有良好的綜合性能和優(yōu)異的抗熱疲勞性，可在高速列車上采用。但其與碳纖維復(fù)合材料相比，碳纖維復(fù)合材料的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于鑄鐵材料，并符合高速列車輕量化發(fā)展的要求，國內(nèi)外對其進(jìn)行了大力的研究和開發(fā)，得到了一定的應(yīng)用。

與鑄鐵材料相比，碳纖維復(fù)合材料制動盤具有以下主要特點：①根據(jù)工藝，使摩擦系數(shù)曲線與黏著系數(shù)曲線獲得較好的吻合，摩擦系數(shù)大且對速度的改變不太敏感。②耐磨，壽命一般在鑄鐵閘瓦的4倍以上；制動時，無火花；重量大大減少，對線路和車輛沖擊減少；磨耗少。

4 未來應(yīng)用方向及前景

目前，國內(nèi)關(guān)于碳纖維材料在高速列車上的應(yīng)用還較少，大多數(shù)研究項目還處于試驗階段，技術(shù)成熟且可以使用的較少，急需投入較大的力量進(jìn)行研究和開發(fā)。想讓我國高速列車的技術(shù)始終占據(jù)國際市場，關(guān)鍵是對新材料（碳纖維等）在車體、轉(zhuǎn)向架等承力結(jié)構(gòu)的研究和開發(fā)，搶占技術(shù)制高點，為以后的發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

高速列車上車體材料以高強度鋁合金為主。鋁合金材料具有良好的強度、疲勞性能、抗裂紋能力、良好的表面處理能力和抗腐蝕能力，撞擊時不會產(chǎn)生火花，有較好的吸收沖擊能力和吸音能力。它的優(yōu)勢使其在高速列車上得到廣泛運用。此外，鋁合金還具有焊接性能較差、耐磨性能差、彈性模量小和應(yīng)用溫度較低等缺點。列車速度越高，它的缺點對列車的整體性能影響就較大。用復(fù)合材料和碳纖維材料來代替鋁合金材料，可以進(jìn)一步提高列車高速行駛的車體穩(wěn)定性和安全性，因此，對鋁合金材料的代替具有廣闊的研究前景。

轉(zhuǎn)向架技術(shù)直接制約著高速列車的性能，車輛受到的各種載荷、作用力的承載和傳遞都通過轉(zhuǎn)向架來實現(xiàn)。轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)和性能較好，能夠緩和車輛與線路之間的相互作用，減小振動、沖擊和動應(yīng)力，提高車輛運行平穩(wěn)性和安全性。碳纖維材料性能的優(yōu)越，對于轉(zhuǎn)向架的輕量化、結(jié)構(gòu)強度等有著重要的意義。由于轉(zhuǎn)向架的受力復(fù)雜、影響因素較多，目前碳纖維材料在轉(zhuǎn)向架的研究和應(yīng)用還不夠深入，未來該方面還需加強。

5 結(jié)束語

碳纖維在高速列車上的應(yīng)用有著廣闊的前景，目前主要在材料成本和生產(chǎn)設(shè)計兩方面制約著它在高速列車上的應(yīng)用。

材料成本方面。碳纖維增強復(fù)合材料所用的纖維和基體材料價格高，是該材料在工業(yè)廣泛使用最大的障礙。生產(chǎn)碳纖維的原絲——聚丙烯晴絲較貴，美國正在研究以紡織商品級的聚丙烯晴絲為原絲，并能夠快速生產(chǎn)廉價碳纖維的工藝，可望將碳纖維的價格降至3美元/磅。同時，缺乏大批量、高生產(chǎn)效率的碳纖維復(fù)合材料高速列車零部件的生產(chǎn)方法。

生產(chǎn)設(shè)計方面。探索能夠生產(chǎn)多種形狀和性能的高速列車零部件工藝方法，研究發(fā)展高效、低成本的碳纖維增強復(fù)合材料零件生產(chǎn)工藝，具有重大意義。此外，碳纖維增強復(fù)合材料高速列車零件的設(shè)計數(shù)據(jù)、試驗方法、分析工具和碰撞模型等尚不完善。

參考文獻(xiàn)

[1]張鵬.碳纖維的應(yīng)用及市場[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2001（12）.

[2]陳光大.碳纖維的應(yīng)用前景[J].中國投資，2002（03）.

[3]蘇小萍.碳纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].高科技纖維與應(yīng)用，2004（05）.

[4]呂立斌，荀勇.碳纖維及其復(fù)合材料性能與應(yīng)用[J].山東紡織科技，2004（06）.

〔編輯：李玨〕