碳纖維復合材料在軌道客車上應用前景分析

李天亮

（長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春130062）

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計算機與應用

碳纖維復合材料在軌道客車上應用前景分析

李天亮

（長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春130062）

摘要：簡單介紹了碳纖維復合材料的制備及性能，并給出了其在軌道交通裝備上的一些應用。同時對碳纖維復合材料發(fā)展的國內(nèi)外形勢做了一定的研究，針對我國碳纖維復合材料的發(fā)展提出了一些見解。

關鍵詞：碳纖維復合材料；列車輕量化；強度；抗沖擊性

碳纖維（carbon fiber）是指有機纖維經(jīng)碳化和石墨化處理后得到的一種微晶石墨材料。其組成為高分子碳纖維，含碳量高達90%以上，是一種力學性能非常優(yōu)異的新型材料。碳纖維復合材料可應用在車輛工程、精密制造、航天航海等高技術領域，還可用在大型機械、醫(yī)療設備、生物工程等方面[1]。隨著軌道交通運輸行業(yè)對軌道客車的安全性、舒適性、綠色節(jié)能性提出了新的要求，碳纖維復合材料作為一種新型替代材料逐漸引起了世界各國的重視。本文針對復合材料車體進行研究，以期對未來軌道車輛發(fā)展方向提供參考。

1　碳纖維復合材料的應用現(xiàn)狀

碳纖維復合材料除了具有一般碳材料的特性外，更具有一些其他材料不具備的優(yōu)異性能。碳纖維新型材料主要特性有以下幾點[2]：

（1）強度高，抗拉強度可達3 500 MPa，是鋼的5倍、鋁的8倍。

（2）比強度高，同等強度下碳纖維的質(zhì)量是鋼的1/4，是鋁合金的1/2，可以有效達到減重的目的。

（3）耐高溫，碳纖維復合材料可以在2 000℃的條件下使用，高溫條件仍然保持原有性征不變。

（4）耐腐蝕性好，耐酸耐堿的腐蝕，抗外界惡劣自然條件能力強。

1.1碳纖維復合材料在高速列車上的應用

軌道列車運行速度越高，對軌道的沖擊力越大。因此迫切地希望實現(xiàn)列車輕量化從而可以減少列車行駛過程中對鋼軌的損傷和能耗。碳纖維作為一種性能優(yōu)異的替代材料，在高速列車上已經(jīng)有了一些應用。

（1）動力學前端上的應用

在列車高速行駛的時候動力學前端所受到的阻力很大，約占列車運行總阻力的50%.因此優(yōu)化軌道列車動力學前端的結構可以降低能耗，提高列車運行的穩(wěn)定性。碳纖維復合材料制造的軌道列車動力學前端可以承受很大的正負壓，強度和剛度都可以滿足列車的運行要求。

英國使用碳纖維復合材料制造的動力學前端比傳統(tǒng)鋼結構輕30%~35%.同時這種機車動力學前端具有很強的抗沖擊能力，能承受一個0.9 kg的立方體鋼塊以350 m/h的速度對其的沖擊。更為重要的是，在以300 km/h速度行駛的時候這款動力學前端有很好的尺寸穩(wěn)定性，因此這種動力學前端材料的替換在遙遠的將來必定成為現(xiàn)實。我國在同一領域相應的也進行了一些研究。我國藍箭機車的車頭蓋是用另外一種復合材料制作，這種材料重量輕、強度高、阻燃性好，代表著未來車體制造的發(fā)展趨勢。

（2）車體上的應用

車體是軌道列車的重要組成部分，為了進一步減輕車體的重量，嘗試采用新復合材料替代原有的鋁合金、鋼車體材料。法國采用復合材料生產(chǎn)了雙層TGV掛車樣車并進行試驗，對耐火性、抗沖擊強度等因數(shù)進行測試[3]。測試結果表明，復合材料車體在振動性能和絕熱防火性能等方面具有突出的優(yōu)點，提高了乘客乘車的舒適性。辛德勒客車公司用碳纖維纏繞的方法制成輕型列車車體，生產(chǎn)的樣車在鐵路線上進行運行試驗，速度可達140 km/h，且滿足強度和剛度的要求，達到了預期效果。而最有代表性的案例是韓國在2010年投入運營的TTX列車，車體外殼采用碳纖維復合材料蒙皮和鋁夾芯結構。這樣的設計使車體重量降低了40%，運行過程中沒有出現(xiàn)明顯的安全問題，說明各項性能指標滿足設計要求。我國的藍箭、中華之星以及和諧號高速列車的一部分內(nèi)飾件也采用了碳纖維復合材料。

（3）制動裝置上的應用

隨著高速列車的快速發(fā)展，對列車制動裝置的控制精度、制動閘片損耗等方面提出了新的要求。碳纖維復合材料制造的制動閘片已經(jīng)通過了試驗驗證，具備了小批量生產(chǎn)的能力。

我國中航某院研制了一款碳纖維閘片，并進行試驗驗證其性能，在試驗中測出了120 km/h及200 km/h速度下碳纖維閘片的摩擦系數(shù)、溫升和磨耗量。試驗結果表明，與鑄鐵材料相比，碳纖維閘片非常耐磨且溫度變化不大。若在碳纖維材料中添加金屬粉、鋼纖維等制備成復合材料，復合材料摩擦系數(shù)很大且對速度的改變不敏感。尤為重要的是，摩擦系數(shù)曲線和粘著系數(shù)曲線相適應，可以使粘著系數(shù)得到充分的利用。這些優(yōu)勢使得新型材料制動閘片的研究突飛猛進，相信不久的將來就會有真正能夠投入使用的碳纖維閘片問世。

（4）內(nèi)飾件的應用

碳纖維目前應用的最廣泛的是在內(nèi)飾件方面。車門、車窗、座椅方面都可以采用碳纖維復合材料進行制造，使重量大大的減輕。列車的墻板、頂板、地板等都有碳纖維復合材料的應用，重量僅有鋁材料的一半。我國在這方面取得了一些成績。青島威奧公司發(fā)明了新形式的三明治結構木質(zhì)間壁（已經(jīng)申請了專利），將防火板、碳纖維布、鋁蜂窩等材料一次性抽真空固化成型，不但解決了木質(zhì)間壁外側防火板開裂的問題，同時也起到了減重的效果。

1.2碳纖維復合材料成型技術

（1）拉擠技術

拉擠工藝是指將碳纖維絲拉過加熱的金屬模具使之固化成型。這種成型方法的特點是連續(xù)成型效率高產(chǎn)量大，不同的金屬模具可以拉出不同形狀的纖維。這種技術可以生產(chǎn)碳纖維板材，用作車體材料的替代材料。在國外某輕型軌道列車上已經(jīng)制造出此種類型的型材[4]。

（2）固化成型技術

將液態(tài)樹脂注入封閉型腔，鋪滿預置的輔助材料之后固化成型。其特點是：投資小，產(chǎn)品穩(wěn)定性好，產(chǎn)品表面非常光潔，適用于中等批量制件的生產(chǎn)。我國某企業(yè)利用此項技術制造高速列車動力學前端。同時一些小件也可以采用此方法制備。

（3）注模成型技術（SCRIMP）

利用薄膜將輔助材料預先密封固定于模具上，完全借助于真空將樹脂材料吸入模具，利用高滲透率介質(zhì)沿輔助材料表面快速浸漬最后形成產(chǎn)品的新型加工工藝。這種工藝成型率高，產(chǎn)品纖維的所占比例可達80%，適用于制造大型結構件。

2　碳纖維復合材料應用的發(fā)展方向

2.1碳纖維復合材料的發(fā)展形勢

當今世界碳纖維的年產(chǎn)量達到了4萬噸，但是掌握核心技術的只有日本、美國、德國以及韓國等少數(shù)國家且他們對技術進行嚴格的封鎖。另外，國外行業(yè)領先企業(yè)開始進入中國市場，在較大的技術差距下，國產(chǎn)碳纖維面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

（1）碳纖維研發(fā)的國外形勢

國外在碳纖維材料的研發(fā)方面取得了一些進步，并且形成了一些技術封鎖。目前日本東麗公司、東邦人造絲公司和三菱人造絲公司是世界上碳纖維生產(chǎn)的大型企業(yè)，三者總產(chǎn)能占了世界總產(chǎn)能的78%，處于絕對壟斷地位。在技術應用方面，航空航天領域、高速列車等領域碳纖維復合材料都得到了大規(guī)模的應用。以飛機為例，波音787中結構部件碳纖維復合材料替代率已經(jīng)達到50%.在未來的發(fā)展中，碳纖維復合材料會得到更深更廣泛的應用。

（2）碳纖維研發(fā)的國內(nèi)形勢

我國裝備制造等領域長期受制于國外的技術封鎖，在國家利益的驅(qū)使下我們正攻關生產(chǎn)國產(chǎn)碳纖維制品，但仍然需要長期的觀察和評定有資質(zhì)的生產(chǎn)和研發(fā)單位。目前為止，優(yōu)質(zhì)的碳纖維復合材料仍然需要進口，限于碳纖維復合材料的設計、制造和應用評定水平，性能達標的國產(chǎn)碳纖維復合材料的生產(chǎn)仍然有很長的路要走[5]。據(jù)統(tǒng)計，我國目前有三十多家公司投入碳纖維的研發(fā)與生產(chǎn)，擁有原絲技術的有19家。但是目前國產(chǎn)碳纖維只能提供T300級小絲束碳纖維。也僅有吉林市被認定為國家碳纖維高新技術產(chǎn)業(yè)化基地，因此對于我國碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，筆者的建議是進一步加大資金投入，加速科研攻關，爭取早日在相關項目上實現(xiàn)突破。其次，我國碳纖維及復合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟已經(jīng)成立，希望聯(lián)盟可以加強溝通合作，實現(xiàn)技術交流和共享，解決產(chǎn)品穩(wěn)定性和成本控制問題。只有國家層面重視，才能帶動整個社會重視，引導資金流入相關領域，早日取得成果。

2.2經(jīng)濟性和實用性分析

碳纖維在高速列車的發(fā)展方面有著極大的發(fā)展?jié)摿?，但是其成本方面卻是其發(fā)展的一個瓶頸。生產(chǎn)碳纖維的原料——聚丙烯晴絲比較昂貴，使碳纖維的成本不斷上漲，近年來，全球范圍內(nèi)碳纖維的銷售量僅有3.7萬噸，就是因為碳纖維價格太貴。再有就是碳纖維快速成型技術的升級。采用先進拉擠工藝可以達到預浸帶材實現(xiàn)精確鋪放的目標，接下來連續(xù)模壓形成纖維量高的型材。另外，在自動鋪帶、集成自動生產(chǎn)等工藝上也實現(xiàn)了更新?lián)Q代，提高了生產(chǎn)效率。在可以預見的將來，碳纖維復合材料制品一定可以得到更大的應用，更好的為人類服務！

3　結束語

（1）碳纖維材料是具有優(yōu)良力學性能的新型材料，在精密制造等領域獲得了很好的應用。在可預見的將來，碳纖維復合材料會深入到更多的領域，實現(xiàn)更多的功能。因此對于碳纖維的研究迫在眉睫。

（2）在軌道列車領域，碳纖維復合材料在車體和內(nèi)飾等方面已經(jīng)成功的部分替代了鋼、鋁合金等傳統(tǒng)合金的使用。其中車頭上的應用已經(jīng)減重30%左右，內(nèi)飾方面墻板等部件的重量也得到了減輕。同時強度等力學參數(shù)并沒有發(fā)生較大的變化，因此證明這種材料是一種合格的替代材料在未來軌道列車發(fā)展的道路上一定會得到重視[6]。

（3）目前來看我國相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離世界先進水平還有一定的差距，投入商用的碳纖維復合材料大都來自國外。希望我國可以加大相關產(chǎn)業(yè)的投資力度，更新技術水平，擴大生產(chǎn)能力，使相關產(chǎn)品質(zhì)量盡快趕超世界的先進水平。

參考文獻：

[1]楊永勤，孫加平，張麗榮，等.淺析復合材料在高速動車組上的應用[J].鐵道車輛，2014，52（5）:20-22.

[2]董錫明.近代高速列車技術進展[J].鐵道機車車輛，2006，26（5）:1-11.

[3]劉曉波，楊穎.輕量化高性能碳纖維復合材料車體研發(fā)關鍵技術[J].合成纖維，2013，（10）:29-34.

[4]S J PARK.Carbon Fiber[M].Springer Series in Materials Science：Volume 210.，2008，P.275-277.

[5]蔣鞠慧，陳敬菊.復合材料在軌道交通上的應用與發(fā)展[J].玻璃鋼/復合材料，2009，（6）:81-85.

[6]林剛.對中國碳纖維及其復合材料產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展現(xiàn)狀的反思[J].高科技纖維與應用，2012，37（4）：21-75

中圖分類號：U270.1

文獻標識碼：B

文章編號：1672-545X（2016）04-0159-03

收稿日期：2016-01-21

作者簡介：李天亮（1989-），男，吉林松原人，助理工程師，碩士學位，復合材料車體研究。

Analysis of Application Prospect of Carbon Fiber Composite Materials in Railway Vehicle

LI Tian-liang
（Changchun Railway Bus Limited by Share Ltd，Changchun Jilin 130062，China）

Abstract:In this paper，the preparation and properties of carbon fiber composite materials are briefly introduced，and some applications of carbon fiber composites are given in this paper.At the same time，the domestic and international situation of carbon fiber composites is studied.At last，some ideas are put forward for the development of carbon fiber composites.

Key words:carbon fiber composites materials；vehicle light weight；strength；impact resistance