碳纖維復(fù)合材料在軌道交通車(chē)輛上的應(yīng)用

唐 波

（中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111）

隨著軌道交通車(chē)輛裝備技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，輕量化、節(jié)能環(huán)保已成為軌道交通車(chē)輛發(fā)展的趨勢(shì)。這對(duì)車(chē)輛車(chē)體、轉(zhuǎn)向架、內(nèi)裝等提出更高的要求和目標(biāo)。一般減重設(shè)計(jì)可通過(guò)三個(gè)維度實(shí)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、采用先進(jìn)制造工藝和新型輕量化材料[5]。因此，開(kāi)發(fā)一種滿(mǎn)足輕量化需求、機(jī)械性能優(yōu)越、適合批量化生產(chǎn)的材料尤為重要。

1.碳纖維復(fù)合材料在軌道交通車(chē)輛的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

碳纖維復(fù)合材料在眾多輕量化材料中具有較高的比強(qiáng)度、比剛性，輕量化效果明顯，在航空航天、軍工產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。比不銹鋼輕50%，比鋁合金輕30%。

表1 纖維復(fù)合材料與其他材料的性能對(duì)比

碳纖維復(fù)合材料由纖維和樹(shù)脂共同決定，兩者相互配合、取長(zhǎng)補(bǔ)短、發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)。增強(qiáng)材料的力學(xué)性能（承擔(dān)70-90%載荷），材料的硬度、熱穩(wěn)定性、強(qiáng)度等性能由碳纖維來(lái)分擔(dān)。復(fù)合材料其他性能，如電學(xué)性能由碳纖維來(lái)承擔(dān)；樹(shù)脂是粘結(jié)纖維的作用，樹(shù)脂熔融之后把纖維粘合在一起，并將載荷傳給纖維，提供一定的剛性。提高材料沖擊強(qiáng)度，增強(qiáng)復(fù)合材料韌性。保護(hù)纖維不受化學(xué)侵蝕、機(jī)械破壞，影響材料破壞模式。與其他材料相比，碳纖維具有如下特性[1]：比強(qiáng)度、比模量高；密度小，強(qiáng)度高；抗疲勞特性好；抗震性能好；可設(shè)計(jì)性強(qiáng)；高溫性能好；成型性好。碳纖維復(fù)合材料的特性說(shuō)明了它在軌道車(chē)輛中具有重要的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2.碳纖維復(fù)合材料在軌道交通車(chē)輛上的應(yīng)用情況

目前碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)在軌道車(chē)輛中取得一些應(yīng)用成就。目前為止，比較成功的案例是2000 年法國(guó)的雙層TGV 掛車(chē)，以及韓國(guó)的TTX 擺式列車(chē)[10]。TTX 擺式列車(chē)車(chē)體外殼采用碳纖維復(fù)合材料蒙皮和鋁夾芯結(jié)構(gòu)。這樣的設(shè)計(jì)使車(chē)體重量降低了40%[4]。

目前我國(guó)在軌道車(chē)輛在碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用上也取得了不小的成果。2011 年，研發(fā)的碳纖維復(fù)合材料車(chē)頭罩應(yīng)用于時(shí)速500km/h 高速試驗(yàn)車(chē)，抗沖擊性能和力學(xué)性能優(yōu)良。2013 年，研發(fā)城際動(dòng)車(chē)組碳纖維設(shè)備艙裙板，較鋁合金裙板減重大于30%，裝車(chē)試運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)性能優(yōu)異。2015 年，研發(fā)的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組碳纖維復(fù)合材料設(shè)備艙，較鋁合金減重35%，完成各項(xiàng)型式試驗(yàn)及60 萬(wàn)公里運(yùn)營(yíng)考核，最高試驗(yàn)時(shí)速420km/h，分解檢查狀態(tài)良好。

2015 年9 月，依托科技部“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃《下一代城市軌道交通列車(chē)關(guān)鍵技術(shù)及裝備研制》項(xiàng)目，聯(lián)合實(shí)施基于碳纖維復(fù)合材料的下一代地鐵列車(chē)的車(chē)體、司機(jī)室、設(shè)備艙及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等關(guān)鍵部件研制。

司機(jī)室：外罩、內(nèi)裝、臺(tái)柜一體化設(shè)計(jì)、一體化承載，最大限度減少零部件數(shù)量；在保證高強(qiáng)度、高質(zhì)量、高防火性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)減重30%以上。

車(chē)體：采用分體式模塊化設(shè)計(jì)，靈活、高效生產(chǎn)及過(guò)程質(zhì)量控制，較傳統(tǒng)金屬車(chē)體減重30%；側(cè)墻及地板使用碳纖維三明治夾芯結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的隔熱、隔聲性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)；首次實(shí)現(xiàn)高壁厚復(fù)雜截面碳纖維復(fù)合材料超長(zhǎng)型材的自動(dòng)化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料在地鐵列車(chē)車(chē)體主承載結(jié)構(gòu)的應(yīng)用突破。

設(shè)備艙：采用模塊化設(shè)計(jì)方法，單件或分模塊拆裝，使用抽拉式底板和折頁(yè)式裙板，便于組裝、維護(hù)；碳纖維復(fù)合材料使用比例超90%；邊梁使用高效、可靠的自動(dòng)化拉擠成型技術(shù)，纖維含量高，性能優(yōu)異；較傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)減重30%以上。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架：分體式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；橫梁采用自動(dòng)化濕法纏繞工藝，成型質(zhì)量好、效率高；縱梁采用干纖維自動(dòng)編織技術(shù)預(yù)成型+熱壓罐高溫高壓固化，首次實(shí)現(xiàn)厚壁、空腔、變截面大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化生產(chǎn)，效率高、性能好。構(gòu)架總體減重40%以上。

在下一代地鐵上研發(fā)成果，開(kāi)展時(shí)速600 公里磁浮列車(chē)和高速動(dòng)車(chē)組司機(jī)室、車(chē)體、懸浮架/轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等部件設(shè)計(jì)與成型工藝研究，重點(diǎn)圍繞材料選型、鋪層設(shè)計(jì)、仿真優(yōu)化、工藝制造、檢測(cè)技術(shù)、試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)，突破結(jié)構(gòu)連接、電性能、耐久性等相關(guān)技術(shù)。在現(xiàn)階段及后續(xù)工作中，我們將研制高速磁浮列車(chē)車(chē)體、司機(jī)室和懸浮架一套，較鋁合金減重30%以上，壽命延長(zhǎng)5 年以上，綜合性能滿(mǎn)足高速磁浮列車(chē)強(qiáng)度、撞擊和振動(dòng)等要求；研制高速動(dòng)車(chē)組車(chē)體、轉(zhuǎn)向架各一套；滿(mǎn)足高速動(dòng)車(chē)車(chē)體和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度、撞擊和振動(dòng)等要求；車(chē)體減重20%、構(gòu)架減重40%。

碳纖維復(fù)合材料內(nèi)飾件的研制。如：碳纖維復(fù)合材料在乘客座椅上的應(yīng)用，重量只有傳統(tǒng)座椅結(jié)構(gòu)的一半左右，但其強(qiáng)度比傳統(tǒng)座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高[3]。600 公里磁浮列車(chē)內(nèi)飾板采用了碳纖維復(fù)合材料。主要應(yīng)用于客室頂板、窗口墻板、窗下墻板這三個(gè)主要部位。選用的東麗T700 碳纖維/FR-11 樹(shù)脂預(yù)浸料和PET-100 泡沫形成三明治夾芯結(jié)構(gòu)。有足夠的力學(xué)性能，可以滿(mǎn)足環(huán)保、防火等性能要求，且在軌道交通產(chǎn)品中已經(jīng)有較成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。相信隨著對(duì)碳纖維復(fù)合材料的深入研究，將有更多碳纖維產(chǎn)品在軌道車(chē)輛上的運(yùn)用。

3.碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多樣，設(shè)計(jì)、制造工藝異彩紛呈，強(qiáng)調(diào)材料、鋪層、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)與車(chē)體性能的最優(yōu)組合。復(fù)合材料具有很好的可設(shè)計(jì)性，它的性能除了由纖維與基體材料本身性能決定外，還取決于纖維的含量與鋪設(shè)方式等[6]。碳纖維復(fù)合材料的常用的結(jié)構(gòu)形式主要有層合板結(jié)構(gòu)圖1、加筋板結(jié)構(gòu)圖2 和三明治夾芯板結(jié)構(gòu)圖3。

圖1 層合板結(jié)構(gòu)

圖2 加筋板結(jié)構(gòu)

圖3 夾芯板結(jié)構(gòu)

因?yàn)榭梢钥夸亴臃绞礁淖儗雍习宓膹椥阅Ａ浚瑥?fù)合材料結(jié)構(gòu)中材料本身的E 也為變量。這就增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性，極大地增加了剛度的可設(shè)計(jì)范圍。 當(dāng)結(jié)構(gòu)方案確定之后（板結(jié)構(gòu)、筋板結(jié)構(gòu)、夾芯結(jié)構(gòu)），可通過(guò)調(diào)整鋪層厚度（鋪層數(shù)量）、鋪層角度、鋪層順序、芯材高度、蜂窩孔徑等參數(shù)改變整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度值。

內(nèi)飾板結(jié)構(gòu)通常為夾芯板結(jié)構(gòu)。因其具有加工簡(jiǎn)便，成本較低，剛度較高。它外部為碳纖維蒙皮，中間夾心可采用PET泡沫、PVC 發(fā)泡材料或者鋁蜂窩材料，蒙皮和夾心以樹(shù)脂膠粘接方式連接。當(dāng)該結(jié)構(gòu)承受彎曲載荷時(shí)，其工作原理某種意義上來(lái)說(shuō)類(lèi)似于工字鋼。當(dāng)上下面板之間的距離被進(jìn)一步分開(kāi)，結(jié)構(gòu)就能獲得更大比例的剛性[7]。當(dāng)夾芯結(jié)構(gòu)這種較厚結(jié)構(gòu)連接時(shí)需要采用預(yù)埋連接的方式。預(yù)埋件由于接觸面主要是與夾芯結(jié)構(gòu)中的芯材接觸，一般采用發(fā)泡膠與芯材連接，無(wú)論是發(fā)泡膠還是芯材均是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)需要在設(shè)計(jì)完之后進(jìn)行單獨(dú)的校核。

4.碳纖維復(fù)合材料成型工藝

碳纖維復(fù)合材料的成型工藝上，熱壓罐成型、OOA 真空袋壓成型、拉擠成型、三維編織成型、纏繞成型、模壓成型、RTM 成型、HP-RTM 成型、自動(dòng)鋪放技術(shù)等為幾種常規(guī)典型成型工藝。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料車(chē)體可采用目前技術(shù)成熟、低成本的預(yù)浸料/袋壓成型等工藝技術(shù)，若是模塊化結(jié)構(gòu)，還可將模塊在熱壓罐中進(jìn)行成型[8]。內(nèi)飾件對(duì)內(nèi)外面輪廓要求較高，屬于中小型復(fù)雜制品，要求批量化生產(chǎn)，因此模壓成型較適宜。具有生產(chǎn)效率高、制品尺寸準(zhǔn)確、適用于批量生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的一次成型等特點(diǎn)[2]。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出了很多新型成型制備工藝，例如自動(dòng)纖維鋪放成型、超聲波快速固結(jié)成型、激光固結(jié)成型、電子束固結(jié)成型、真空輔助成型以及3D 打印成型等工藝技術(shù)，這些新型成型工藝具有十分廣闊的應(yīng)用前景[9]。

5.結(jié)語(yǔ)

碳纖維復(fù)合材料在軌道車(chē)輛內(nèi)飾板輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用屬于新材料的應(yīng)用范疇，在設(shè)計(jì)時(shí)注意：選擇滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度要求的碳纖維復(fù)合材料形式；選擇高性?xún)r(jià)比的成型工藝方法，提高生產(chǎn)效率。碳纖維復(fù)合材料以其優(yōu)異的綜合性能優(yōu)勢(shì)，可解決軌道車(chē)輛面臨的諸多技術(shù)問(wèn)題，經(jīng)長(zhǎng)期科學(xué)探索，必將克服各種困難，實(shí)現(xiàn)更多的工程化應(yīng)用。