高性能復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀

蔡富剛，王碩，郭福海，劉長江，魏巖軍

(長春中車軌道車輛有限公司，吉林 長春 130052)

0 前言

目前，在軌道交通領(lǐng)域大致包括動車組、有軌電車、地鐵和輕軌等，其中有軌電車、地鐵和輕軌等主要是國內(nèi)諸多大城市市內(nèi)或短距離交通方式，與此相對應(yīng)的動車組尤其高速動車組則是我國最主要的遠(yuǎn)距離出行方式之一。究其原因，主要在于動車組具有安全可靠、速度快和運量大等鮮明特點，且在其他眾多因素的疊加作用下，使其成為人們在國內(nèi)遠(yuǎn)距離出行的首選方式，同時使其成為我國“一張亮麗的名片”[1-4]。相關(guān)研究表明：截止2018年年中，我國高鐵已經(jīng)投運2.5萬多千米，是世界總里程的56.6%；依據(jù)我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》提出的“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，至2025年時，我國高速鐵路總里程將達(dá)到3.8萬km，年均新增里程近2 000 km。

在我國高速鐵路以前所未有的速度迅猛發(fā)展之時，我們應(yīng)該清醒地認(rèn)識到軌道交通裝備為了能夠不斷滿足日趨嚴(yán)格的節(jié)能、環(huán)保等要求，必須通過優(yōu)化裝備設(shè)計、提高產(chǎn)品品質(zhì)和使用新型材料等降低列車運行所需能耗以及減輕裝備自身軸重，進(jìn)而有效減少列車的運行成本和維護(hù)成本。而達(dá)成這一目標(biāo)的訣竅在于實現(xiàn)動車組尤其高速動車組車體的輕質(zhì)化，這也是軌道交通裝備制造技術(shù)的重點發(fā)展方向之一[5-8]。要想實現(xiàn)這一目標(biāo)，其關(guān)鍵在于應(yīng)用新型先進(jìn)的復(fù)合材料來制造車體，使其具有較高的強度、較輕的重量和較大的剛性等特點。這樣不僅可以顯著地降低車體的軸重，而且還可以明顯地提高車體在運行過程中的平衡性和穩(wěn)定性[9-10]。

在早期的軌道交通裝備中，由于受到復(fù)合材料技術(shù)成熟程度和實踐程度的影響，該技術(shù)還沒有廣泛應(yīng)用于車體結(jié)構(gòu)制造，而是僅用于制造一些非承力零部件。但是，由于科技的迅速發(fā)展和復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)一步成熟，以及復(fù)合材料運用領(lǐng)域的增多，其應(yīng)用于實踐的可行性得到了極大地驗證，并有助于促進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)的日臻完善，進(jìn)而使得復(fù)合材料可用于制造車體的承力件。現(xiàn)在新型先進(jìn)的復(fù)合材料可以用于制造列車車頭、車體及其內(nèi)部裝飾件、衛(wèi)生和部分軌線設(shè)施，這些都為軌道交通裝備的輕質(zhì)化發(fā)展提供了具體可行的材料選擇方案[11-14]。新開展的多個動車組和地鐵研究項目，整車對各零部件提出了嚴(yán)格的輕質(zhì)化要求。因此，進(jìn)一步深入研究軌道交通裝備的輕質(zhì)化具有重要的工程意義和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 復(fù)合材料概述

復(fù)合材料是指經(jīng)由物理或者化學(xué)辦法，把兩種或兩種以上具有相異性能的材料制備成擁有新性能的多相材料復(fù)合體。這種復(fù)合體大致包括連續(xù)相和分散相，且連續(xù)相通常作為基體材料(如環(huán)氧樹脂、陶瓷、鋁等)，而分散相則作為增強材料(如碳纖維、不銹鋼絲、硬質(zhì)顆粒等)[15-17]。在制定復(fù)合材料設(shè)計方案的過程中要有比較強的靈活性與目的性，用來制備復(fù)合材料的各種原組成材料在其性能上可以取長補短，進(jìn)而產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使得所制備的復(fù)合材料在綜合性能上比原組成材料具備更大的優(yōu)勢，從而滿足不同情況下對復(fù)合材料性能的要求。

設(shè)計復(fù)合材料的相關(guān)人員可以綜合考量材料選取、成型工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料用途等方面，以便于能夠最大化地彰顯復(fù)合材料比強度和比模量高的特點[18]。同時在滿足強度要求的前提下，通過利用恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化計算方式來減少原組成材料的使用量，進(jìn)而實現(xiàn)降低復(fù)合材料重量、節(jié)約制備成本的目的，不難看出這也為復(fù)合材料能夠用于軌道交通領(lǐng)域提供了契機(jī)。

相比于傳統(tǒng)的單一體材料，復(fù)合材料具有諸多的優(yōu)異性能[19-22]。

1.1 優(yōu)異的使用性能

(1)比較高的比強度與比模量：復(fù)合材料的比強度和比模量較高，具備較輕的質(zhì)量，可以有效起到承載作用和節(jié)約制備成本。

(2)良好的抗疲勞性能：常見金屬材料的抗疲勞強度與靜態(tài)拉伸強度相比，前者只占后者的30%～50%，而復(fù)合材料的抗疲勞強度至少能夠占到其靜態(tài)拉伸強度的70%～80%。

(3)良好的耐撞擊性能：由于復(fù)合材料的比模量比較高，意味著它具備優(yōu)異的阻尼減震及耐撞擊能力。

(4)良好的耐高溫性能：在高溫下，用碳纖維或硼纖維增強的金屬與未增強的普通金屬相比，其具有更高的剛度和強度。當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃時，普通鋁合金的比模量和比強度降幅巨大，而經(jīng)過碳纖維或硼纖維增強的鋁合金卻能夠維持比模量和比強度基本不變。

(5)優(yōu)秀的耐腐蝕性能：復(fù)合材料特別是聚合物復(fù)合材料，擁有極佳的耐腐蝕性能，其可以用于許多能使一般金屬發(fā)生氧化或腐蝕的環(huán)境里。

(6)優(yōu)異的安全性：纖維增強復(fù)合材料的基體是由成千上萬根獨立的纖維構(gòu)成，一旦因為某種情況造成由其制備的構(gòu)件超出自身承載能力，且發(fā)生少量纖維斷裂時，這種復(fù)合材料所承受的載荷會迅速再次分配到未被破壞的纖維上，進(jìn)而保證構(gòu)件整體不會在短時間內(nèi)完全失去承載能力。

1.2 性能的可設(shè)計性

由于復(fù)合材料的一個顯著特點是各向異性，造成其力、電、磁、聲、光、熱等性能具備可設(shè)計性，即以實際的使用需要為基礎(chǔ)來設(shè)計復(fù)合材料的性能，從而制備出具有傳統(tǒng)單一體材料不能比擬的性能的材料。

1.3 復(fù)合材料和構(gòu)件/零部件具有同步性

復(fù)合材料與其構(gòu)件能夠?qū)崿F(xiàn)單次同步成型，這可以顯著減少部件中存在的零件數(shù)量，減少連接件，降低質(zhì)量，簡化制備步驟，節(jié)約生產(chǎn)成本。由于復(fù)合材料具備以上特征，已在眾多領(lǐng)域逐步替代木材、金屬及其合金等，并于近年來實現(xiàn)了飛速發(fā)展。日前，復(fù)合材料主要應(yīng)用于航空航天及軍工(飛機(jī)的整流罩、平尾、垂尾、機(jī)翼、中前機(jī)身等)、汽車工業(yè)、化工、軌道交通裝備、體育運動裝備、風(fēng)電、船舶、基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域[23]。本文主要闡述復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的具體應(yīng)用情況及其未來發(fā)展趨向。

因為復(fù)合材料的高性能、強適應(yīng)性等優(yōu)點，滿足了軌道交通領(lǐng)域各種部件的不同需求，已經(jīng)在眾多部件上取代了常用的金屬等材料。但復(fù)合材料運用于軌道交通領(lǐng)域還存在幾個技術(shù)問題[24]：首要須解決的是復(fù)合材料的成型工藝；鑒于軌道交通裝備所運行環(huán)境的復(fù)雜性，易遭受到異物的撞擊，故而研究復(fù)合材料的抗沖擊性能具有重要意義；復(fù)合材料擁有優(yōu)異的可設(shè)計性，在保證其承載能力的同時，還應(yīng)兼顧阻燃、隔熱、保溫、吸聲等功能。隨著復(fù)合材料應(yīng)用范圍的增加，在復(fù)合材料制備工藝、性能研究和理論研究等方面累積了許多寶貴的經(jīng)驗，為復(fù)合材料的深入研究和應(yīng)用奠定了扎實的基礎(chǔ)。

2 復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用

復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用過程是逐漸展開的，大體為先從小型輔助性的非主承力零部件開始，進(jìn)而擴(kuò)展到大型主體性的承力件。復(fù)合材料發(fā)展伊始主要集中應(yīng)用于車體內(nèi)部設(shè)備、裝飾配件等小型非主承力結(jié)構(gòu)。伴隨著軌道交通車體在線運行速度的大幅度提高以及復(fù)合材料相關(guān)技術(shù)的日臻成熟，為了能夠充分滿足車體強度和輕質(zhì)化的要求，通過利用不同類型的復(fù)合材料制備性能適宜的大型主體性承力零部件(如車頭、車體、導(dǎo)流部件、制動裝置、轉(zhuǎn)向架等)的工藝研究、試制試驗和具體應(yīng)用工作正如火如荼地開展。

2.1 纖維復(fù)合材料

纖維復(fù)合材料主要包括碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料和芳綸復(fù)合材料等，其擁有比強度和比模量高、抗疲勞和抗腐蝕性好、隔熱阻燃和可設(shè)計性強等優(yōu)點，在軌道交通領(lǐng)域的運用是其主要發(fā)展趨勢之一，并且在軌道交通領(lǐng)域的使用量將會隨著復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)一步成熟而持續(xù)增加[25-28]。自20世紀(jì)60年代開始，日本和西歐國家(如英國、德國等)將纖維復(fù)合材料應(yīng)用于列車的非承力/承力件上，如車頭前面端部應(yīng)用以芳綸增強的環(huán)氧樹脂和玻璃鋼為主。

由于纖維復(fù)合材料不僅能夠用于制作車體小型裝飾件，而且還在制備全復(fù)合材料的車體方面展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，可以預(yù)見其未來的應(yīng)用前景廣闊。我國在纖維復(fù)合材料方面的研究立足于高速軌道車輛、衛(wèi)生間、車門等車體設(shè)備和輔助性配套件的基礎(chǔ)上，更應(yīng)深入鉆研復(fù)合材料的基礎(chǔ)制備技術(shù)與規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化工作，進(jìn)一步促進(jìn)我國高速軌道交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，同樣我國的纖維復(fù)合材料事業(yè)也能夠借助當(dāng)前軌道交通繁榮向上的契機(jī)取得長足進(jìn)步。

2.1.1 碳纖維復(fù)合材料

相比于金屬合金如鋁合金等輕質(zhì)材料，碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的輕質(zhì)化、強度高、耐候性佳等性能，并在航空、航天、船舶等領(lǐng)域積累了大量的成熟經(jīng)驗，為成功處理軌道交通裝備的輕質(zhì)化問題提供了行之有效的解決辦法。

綜合分析國內(nèi)外碳纖維復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的運用情況，其在應(yīng)用過程中主要存在幾方面的特征[29-34]：從車體內(nèi)飾、車內(nèi)設(shè)備等非承力零部件向車體、構(gòu)架等承力件延伸和擴(kuò)展；從裙板、導(dǎo)流罩等小型零部件向頂蓋、司機(jī)室、整車車體等大型構(gòu)件和結(jié)構(gòu)發(fā)展；以金屬與復(fù)合材料兼容混合結(jié)構(gòu)為主，碳纖維復(fù)合材料用量占比正逐漸增大。

國外軌道交通類公司和研究單位在以往的基礎(chǔ)上，以碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于軌道交通裝備為重點進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。目前眾多相關(guān)技術(shù)已取得突破性進(jìn)展，并在具體的工程化應(yīng)用中積攢了寶貴經(jīng)驗。日本鐵道綜合技術(shù)研究所與東日本客運鐵道公司共同制造的碳纖維復(fù)合材料(CFRP)高速列車車頂，能使單個車箱的重量減少300～500 kg。2014年9月日本川崎重工在德國柏林軌道交通展上展出的CFRP構(gòu)架邊梁，比傳統(tǒng)的金屬梁重量減少約40%，且簡化了一系列簧結(jié)構(gòu)，增強了乘坐舒適性。這種CFRP邊梁——板簧式結(jié)構(gòu)，給未來軌道列車的設(shè)計帶來新的思路。德國福伊特公司(Voith)研制的碳纖維增強復(fù)合材料過渡車鉤，可用來對故障列車進(jìn)行牽引操作，整體結(jié)構(gòu)非常緊湊，與金屬過渡車鉤相比重量減少達(dá)50%即僅有23 kg，一人即可攜帶安裝。

目前，在應(yīng)用CFRP研制軌道交通整車車體方面較為成功的是法國國營鐵路公司(SNCF)于2000年制造的雙層TGV掛車。由韓國鐵道科學(xué)研究院(KRRI)研發(fā)的可實現(xiàn)180 km/h運行的TTX擺式列車，該車以不銹鋼增強骨架構(gòu)成車體，側(cè)墻體與頂蓋則是鋁蜂窩夾芯，蒙皮是碳纖維增強復(fù)合材料，三者形成“三明治結(jié)構(gòu)”，而底架是由不銹鋼制成，這樣能方便輔助設(shè)備的安裝。車體外殼總質(zhì)量可比鋁合金結(jié)構(gòu)降低40%，較傳統(tǒng)的不銹鋼車體結(jié)構(gòu)降低28%，車體的靜強度、疲勞強度、防火安全性、模態(tài)特性等指標(biāo)完全符合設(shè)計的相關(guān)要求[35-38]，該車已于2010年投入到商業(yè)化運營。

現(xiàn)在國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用還主要集中在一些零部件上面，如時速500 km的高速試驗車頭罩，城鐵車司機(jī)室頭罩、導(dǎo)流罩、司控臺、裙板等[39-40]。與玻璃鋼產(chǎn)品相比重量至少減輕20%，同時其比強度、比模量及煙毒安全性等均有十分明顯的優(yōu)勢。隨著應(yīng)用研究的深入，CFRP在城鐵車輛上的用量也正在逐漸增加。

安全、舒適和節(jié)能正成為當(dāng)下軌道交通裝備設(shè)計與制造的主題，碳纖維復(fù)合材料作為一種新型先進(jìn)的材料逐步成為各國關(guān)注的焦點。雖然我國在軌道交通裝備中應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的研究開始比較晚，但是研究進(jìn)展迅速。

碳纖維復(fù)合材料在中車長春軌道客車股份有限公司(簡稱長春客車)的應(yīng)用尚處在初級階段，如試制的具有流線型車頭的樣車，其前端車鉤頭蓋；擬應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料制備承受大載荷的車頂導(dǎo)流罩，但因成本問題未能實際生產(chǎn)；新一代長客動車組內(nèi)部裝飾件等小型的非主承力零部件發(fā)展為大型的主承力件，甚至是整個車體。2017年，長春客車研發(fā)出擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的全球第一輛全CFRP的軌道交通車體。該款車體長19.0 m、寬2.8 m、高(車體頂面與軌面距離)3.5 m，整體結(jié)構(gòu)為薄壁筒形，與傳統(tǒng)金屬車體相比重量減少35%左右，它的研制成功一方面實現(xiàn)了車體顯著減少重量、明顯降低能耗、大幅度提高安全性、增強舒適性和延長壽命等優(yōu)點，另一方面探究了CFRP在工業(yè)生產(chǎn)上規(guī)?；瘧?yīng)用的方向和實踐路線。

中東青島四方機(jī)車車輛股份有限公司(簡稱青島四方)對于碳纖維復(fù)合材料的實際應(yīng)用是以模塊化的設(shè)計理念為主，并成功研制了某動車設(shè)備艙，其結(jié)構(gòu)既可單件拆裝，也可整體拆裝，還能夠承受振動、地面效應(yīng)、風(fēng)沙沖擊及高溫、高濕、風(fēng)雪侵蝕，和金屬合金設(shè)備艙相比重量減輕35%，這意味著碳纖維復(fù)合材料的運用獲得了標(biāo)志性的進(jìn)步。從該設(shè)備艙的主要部件及其相互連接關(guān)系可以看出，由于采用了設(shè)計制造一體化的思路，其部件數(shù)量僅為4個，僅為金屬合金設(shè)備艙構(gòu)件數(shù)量的70%。同時，青島四方與恒神集團(tuán)合作開發(fā)的某高速列車碳纖維復(fù)合材料車頭罩，已經(jīng)裝車進(jìn)行實際應(yīng)用。

碳纖維雖然在動車組尤其高速動車組上的應(yīng)用具備非常大的潛力，但是其成本問題是一個關(guān)鍵的制約因素。首先，生產(chǎn)碳纖維所用的原料為高等規(guī)度、高分子量的聚丙烯腈，其制備難度大、制備過程復(fù)雜；其次，碳纖維的生產(chǎn)是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，初期的設(shè)備投入和維護(hù)成本較大；此外，碳纖維的生產(chǎn)過程本身就是一個高耗能的過程，以上因素造成了碳纖維的制備成本居高不下。近年來，全球范圍內(nèi)碳纖維的銷售量僅為3.7萬噸，主要是由于碳纖維價格過于昂貴。不過隨著碳纖維高速高效低成本成型工藝的進(jìn)一步發(fā)展，如利用拉擠成型工藝可實現(xiàn)預(yù)浸帶材精準(zhǔn)鋪放，然后連續(xù)模壓可以制備高纖維量的型材；另一方面在鋪帶、成型等環(huán)節(jié)的集成自動化工藝發(fā)展迅速，生產(chǎn)效率、所制備產(chǎn)品的質(zhì)量等都將得到大幅提高。所以，CFRP制品的應(yīng)用空間(航空航天、體育市場、汽車、壓力容器等)會越來越廣闊。

2.1.2 玻璃纖維復(fù)合材料

相比于傳統(tǒng)的金屬材料，新型玻璃鋼即玻璃纖維/樹脂材料具有密度低、機(jī)械強度大、阻燃性好、隔音效果顯著等優(yōu)點，促進(jìn)其應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域，且得以快速普及[41-42]。

在實際應(yīng)用中，通常司機(jī)室的頭罩是以手糊的方式將利用玻璃鋼材料制成的泡沫夾芯膠粘到車體上。國內(nèi)城鐵車頭罩的總厚度是34 mm，其中泡沫夾芯厚度是25 mm，兩側(cè)所用的玻璃纖維增強復(fù)合材料厚度是4.5 mm，而可作為其增強材料的有表面氈、短切氈和方格布等，具體形式有預(yù)浸料、纖維布、纖維氈等，可經(jīng)過多層復(fù)合制成。且隨著纖維鋪放角度的不同，所制備的玻璃纖維增強復(fù)合材料會表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能；客室座椅表面一般使用非飽和聚酯玻璃鋼或酚醛樹脂玻璃鋼，前者比后者具有更優(yōu)的力學(xué)性能；中材科技膜材料公司研發(fā)的城鐵用玻璃鋼纖維材料接觸軌防護(hù)罩，其抗沖擊≥700 J/m，抗彎曲≥350 MPa，抗電擊穿≥5.5 kV/mm，且擁有優(yōu)異的阻燃性能。瑞士辛德勒公司研制的一體式玻璃鋼纖維增強塑料車體，其質(zhì)量比傳統(tǒng)金屬材料所制備的車體減少了10%。

2.1.3 芳綸復(fù)合材料

芳綸復(fù)合材料具有穩(wěn)定的理化性能，其因具備比強度大、絕緣性好、耐候性佳等優(yōu)勢被用于動車組尤其高速動車組的電動機(jī)、變壓器、車體等。

2.1.3.1 芳綸紙

芳綸紙的極限氧指數(shù)在28以上，屬難燃材料，具有極佳的阻燃性；耐潮濕能力強，能夠有效增加電氣設(shè)備的壽命。目前，煙臺市民士達(dá)特種紙業(yè)股份有限公司、上海圣歐集團(tuán)有限公司等企業(yè)均有相應(yīng)制品上市，但高性能、高價值制品依然由美國杜邦公司占居霸主地位。

(1)列車變壓器：在牽引變壓器的制造中，利用芳綸絕緣紙代替部分普通絕緣紙用于牽引變壓器的制造，可以降低變壓器的容量等級，進(jìn)而明顯降低其運營成本。另外，在變壓器線圈的高溫部分通過紙板與芳綸紙的配合形成混合絕緣層，同樣可以大幅降低設(shè)備的運營成本。

(2)列車電動機(jī)：在制造軌道交通裝備時，常用芳綸紙制備電動機(jī)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備的槽絕緣襯底、楔塊頂、中部撐條，導(dǎo)線包紙、相絕緣、整流子V形環(huán)、極片等。天津華之陽特種線纜有限公司制造的新型封閉式電動機(jī)引接線，其結(jié)構(gòu)為金屬導(dǎo)體、外編織層、內(nèi)編織層和繞包層，而外編織層全為芳綸復(fù)合材料，以此保證電動機(jī)處于高溫高壓的制冷劑和潤滑油環(huán)境中能夠正常工作。

2.1.3.2 芳綸蜂窩夾層材料

芳綸蜂窩夾層材料是把碳纖維面板、玻璃纖維面板、鋁板等貼合在芳綸蜂窩表面制成的，美國的BART地鐵、意大利的ETR-500和德國Thyseen磁懸浮列車都使用這種結(jié)構(gòu)。CRH5型系列動車組的客室墻壁、頂板、車窗等均采用芳綸蜂窩夾層材料。

芳綸蜂窩材料同樣被用于制造高速軌道交通車輛的主承力件。例如意大利ETR-500型車輛車頂以厚度為12.5 mm的芳綸蜂窩復(fù)合材料為芯材，然后用CFRP與玻璃纖維織物增強酚醛樹脂預(yù)浸料制成夾芯結(jié)構(gòu)面板，再用真空袋壓及熱壓罐成型技術(shù)制成復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)車頂，其重量僅為傳統(tǒng)材料的50%左右，且成本降低9%左右。

2.2 中空復(fù)合材料

中空復(fù)合材料是以紡織的辦法將增強纖維制成具備某種結(jié)構(gòu)的三維紡織物，再通過手糊或樹脂傳遞模塑(RTM)的成型工藝和基體(酚醛樹脂、非飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂等)復(fù)合成的一種新型材料，其復(fù)合后的結(jié)構(gòu)有蜂窩夾層、泡沫夾層結(jié)構(gòu)、功能層合板等。研究表明，與常用的蜂窩、泡沫芯材等材料相比，中空復(fù)合材料具有如下優(yōu)勢[43-47]：蒙皮和芯層一次整體成型且相互交織，具有良好的力學(xué)性能，使用壽命長且不吸水、不開裂、不塌陷；可以靈活設(shè)計其結(jié)構(gòu)，具有多樣性的纖維種類；擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)品質(zhì)量和性能可躋身國際先進(jìn)行列，而芯材價格要低于進(jìn)口產(chǎn)品。

中材科技股份有限公司通過利用中空夾芯復(fù)合材料研制的高速列車導(dǎo)流罩的制造效率是傳統(tǒng)實心導(dǎo)流罩的2倍，且重量減輕2倍，成本減少20%，不論是外形設(shè)計、結(jié)構(gòu)強度分析，還是輕質(zhì)化、隔音和阻燃等性能均滿足要求。同樣，該公司研制的新型軌道交通復(fù)合地板，其芯材是中空復(fù)合材料，兩側(cè)表層是玻璃纖維復(fù)合材料，其比強度、隔音降噪性、阻燃性、抗剝離性和四點彎曲性等都優(yōu)于傳統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)地板[48]。不難看出，中空夾芯復(fù)合地板是傳統(tǒng)地板非常好的替代品。

目前，中空復(fù)合材料的樹脂基體絕大部分是熱固性樹脂，但它的不可循環(huán)利用、易造成環(huán)境污染、制備過程易影響工人健康等缺點，需要在日后通過升級成型工藝或使用其他種類的樹脂基體解決，如熱塑性樹脂等。另外，中空復(fù)合材料的芯部特點普遍是沿徑向的“8”字形狀，以后可研制不同形狀的芯部，進(jìn)而提供性能多樣化的產(chǎn)品。

2.3 顆粒增強型復(fù)合材料

顆粒增強型復(fù)合材料是一種新型的結(jié)構(gòu)材料，其特點是用于增強的質(zhì)點是非連續(xù)的，與連續(xù)纖維增強材料相比其剛度和強度略低，但材料各向同性較好，加工制備工藝相對簡單，近年來得到了廣泛的重視。

在動車組尤其高速動車組運行過程中，制動閘片對保證其安全性至關(guān)重要，且列車制動性能、制動閘片使用壽命等直接受到制動閘片自身材料性能的影響。

王佳琳等[49]基于定速摩擦試驗方法，研究了SiCp/A356復(fù)合材料與有機(jī)合成閘片材料在常溫、干/濕環(huán)境和不同區(qū)段高溫、載荷、轉(zhuǎn)速、磨損時間等試驗條件下生成的摩擦磨損產(chǎn)物——第三體的成因和演變及其對SiCp/A356復(fù)合材料磨損性的影響。

SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料，既擁有Al基體低密度和良好導(dǎo)熱性的特點，又具備SiC顆粒組分高耐磨性、高硬度及低膨脹系數(shù)的優(yōu)點。在滿足使用需求的前提下，使用SiCp/Al復(fù)合材料制動盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬材料制動盤，制動盤減重30%～50%，且具有制動無噪聲、無熱斑、壽命長等優(yōu)點，在軌道交通列車上具有廣闊的應(yīng)用前景。

李翔等[50]以城軌車SiCp/A356材料制動盤為工程背景，基于ANSYS仿真技術(shù)，研究了鋁基復(fù)合材料制動盤在使用過程中的熱應(yīng)力性質(zhì)及其在特定工況條件下熱疲勞裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展機(jī)制，對比分析了不同顆粒含量與分布情況對復(fù)合材料熱疲勞裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的影響。研究表明：復(fù)合材料裂紋的整體擴(kuò)展速率會隨著SiC顆粒數(shù)量的增加而變大，同時SiC顆粒對熱疲勞裂紋擴(kuò)展的抑制作用也更加顯著；當(dāng)SiC顆粒分布均勻時，材料內(nèi)部熱應(yīng)力同樣能比較均勻地分布，一旦增強相SiC顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚，顆粒團(tuán)聚處將出現(xiàn)明顯的熱應(yīng)力集中現(xiàn)象，引起局部的微損傷，從而為熱疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展提供源頭與路徑。該研究成果不僅豐富了顆粒增強鋁基復(fù)合材料熱疲勞裂紋的擴(kuò)展理論，還為復(fù)合材料設(shè)計和質(zhì)量控制提供了科學(xué)依據(jù)，也為鋁合金制動盤的工程應(yīng)用和安全性提供技術(shù)支撐。

3 高性能復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展趨勢

綜上所述，高性能復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的規(guī)?；c工業(yè)化應(yīng)用是必然趨勢，具體可歸納為：

(1)應(yīng)用多樣性。復(fù)合材料由非承力零部件向主承力件逐步過渡的應(yīng)用，單一的結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料向結(jié)構(gòu)性和功能性兼顧發(fā)展。

(2)制備工藝多樣性。復(fù)合材料的成型工藝由最初的以手糊為主發(fā)展成噴射工藝、纏繞工藝、真空熱壓罐工藝、拉擠工藝、編織成型等多種工藝。

(3)結(jié)構(gòu)多樣性。目前高性能復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)已經(jīng)越來越多樣化，如蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、泡沫夾層結(jié)構(gòu)、功能層合板等，且各種結(jié)構(gòu)都具有各自顯著的性能，為復(fù)合材料的應(yīng)用提供助力。

但是，高性能復(fù)合材料在具體應(yīng)用中尚存在一些問題需要解決，例如：如何有效減少復(fù)合材料部件的制備成本，如何提高復(fù)合材料用于動車組的無煙、阻燃等性能，如何解決制備動車組用大型復(fù)合材料部件整體成型的技術(shù)問題和相應(yīng)的環(huán)境問題等。通過進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合材料的前期設(shè)計，是實現(xiàn)所制備部件輕質(zhì)化和安全性的保證。僅針對復(fù)合材料自身來講，其比強度、比模量、抗疲勞等性能足以符合軌道交通裝備的制造要求，而其結(jié)構(gòu)形式、鋪層和接頭的設(shè)計等能否實現(xiàn)最優(yōu)化，才是限制復(fù)合材料大規(guī)模應(yīng)用的重點?？梢灶A(yù)見，研發(fā)高性能、低成本和輕質(zhì)化的復(fù)合材料用于制造軌道交通裝備是未來的重要發(fā)展方向。