纖維復(fù)合材料在軌道交通車體中的發(fā)展研究*

張 海，魏 薇，錢若霖

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

近年來，我國軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，從2004年高鐵技術(shù)引進(jìn)和啟動以來，中國軌道交通發(fā)展迅猛，以市場換技術(shù)的同時進(jìn)行戰(zhàn)略性投標(biāo)，完成了對于高端制造技術(shù)的“引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新”的過程[1]。根據(jù)“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃，在設(shè)施網(wǎng)絡(luò)方面，2025年鐵路營業(yè)里程達(dá)16.5萬公里，平均每年新增3800公里，其中高速鐵路營業(yè)里程達(dá)5萬公里，平均每年新增2400公里，城市軌道交通運(yùn)營里程達(dá)10000公里，平均每年新增680公里。未來軌道交通發(fā)展對軌道交通車輛的需求，仍然保持在較高的水平。

車體是軌道交通中車輛中最重要的組成部件之一，是容納乘客和司機(jī)駕駛（對于有司機(jī)室的車輛）的地方，又是安裝與連接其他設(shè)備和部件的基礎(chǔ)。軌道交通車體是車輛結(jié)構(gòu)的主體，也是耗費(fèi)材料最多的部分，據(jù)測算一般車體承載結(jié)構(gòu)的重量約占車輛自重的20%～25%。因此，分析軌道交通車體材料選擇的影響因素，研究車體材料的發(fā)展對軌道交通行業(yè)具有重要的意義。

1 影響軌道交通車體材料選擇的因素

車體的結(jié)構(gòu)形式、性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要取決于車體材料。因此對車體構(gòu)件和內(nèi)部裝飾所使用的材料應(yīng)當(dāng)注意考慮諸多因素。

1.1 強(qiáng)度和剛性

車體作為軌道交通車輛的受力結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時必須有足夠的強(qiáng)度和剛性，以保證車輛的使用壽命，以及滿足裝置安裝和使用的要求。除了車體的外部形狀以外，車體材料是決定強(qiáng)度和剛性的決定性因素。不同的材料有不同的機(jī)械性能，金屬材料具有較強(qiáng)的強(qiáng)度和剛性，早期車體基本上都應(yīng)用的是金屬材料，隨著材料技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了機(jī)械性能更好的復(fù)合材料替代了金屬材料的使用。

1.2 載荷

車體載荷可分為靜載荷和動載荷，靜載荷主要包括車身重量和車身的有效載重，動載荷是車輛運(yùn)行過程中受到的各方面的沖擊力，動載荷在不斷的變化。車體重量、車體的載重以及車體的抵御沖擊力的能力跟車體材料有些密切的關(guān)系。車體材料密度越小，車體重量就相對越輕；車體材料的強(qiáng)度和剛性越好，載重能力和抵御沖擊力的能力越強(qiáng)。車體輕量化主要集中在車身重量的減少，得益于高強(qiáng)度和剛性的低密度材料發(fā)展。

1.3 耐候性

耐候性是車體使用壽命的重要指標(biāo)，軌道交通車輛長期在室外運(yùn)行要受到氣候的考驗(yàn)，溫度變化、風(fēng)吹雨淋、陽光照射等不同程度會對車體的強(qiáng)度和使用性質(zhì)造成比較大的影響，材料的耐候性越好，說明其使用過程中的穩(wěn)定性越好，不易受到外界條件變化的影響而導(dǎo)致性能衰減造成較大的安全隱患。因此車體材料選擇時對車體耐候性有較高的要求。

1.4 經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性主要是指資源投入和使用過程中的成本節(jié)約水平。軌道交通車輛生產(chǎn)制造過程，車體材料的價格和材料加工的難易程度會影響車輛的造價。為了投入較少資源產(chǎn)出較大利益，車體材料一般選取價格相對便宜、加工難度不大的材料。同時，車體材料也會影響后期維修保養(yǎng)的難易程度，進(jìn)而影響投入生產(chǎn)運(yùn)營后的維保成本，因此車體材料也要選擇易于維修的材料。

1.5 舒適性

車體是容納乘客和司機(jī)駕駛（對于有司機(jī)室的車輛）的地方，對于舒適性有較高的要求，尤其是在隔熱、隔音、減震方面。車體材料的物理和化學(xué)性質(zhì)不同，隔熱能力、隔音效果和減震作用各有不同。為了提高車體的舒適性，在選取材料時結(jié)合物理化學(xué)性質(zhì)，優(yōu)先選取隔熱能力強(qiáng)、隔音效果好、減震作用明顯的材料。

2 傳統(tǒng)軌道交通車體材料的分析

2.1 鋼材料

軌道交通車輛車體材料早期使用的是普通碳素鋼。碳素鋼是近代工業(yè)中最早使用并且用量最大的基本材料。碳素鋼的性能主要取決于含碳量，隨著含碳量增加，鋼的硬度和強(qiáng)度升高，但是可塑性、柔韌性以及可焊接性逐漸降低。碳素鋼的價格低廉，適用范圍廣、用量大，早期多用來制作軌道交通車輛車體，但是其耐腐蝕性和耐低溫的性能不足，淬透性稍差。在海洋氣候性的沿海區(qū)域和高原區(qū)域，車體容易腐蝕和受損，使用壽命比較短。隨著材料學(xué)的不斷發(fā)展，碳素鋼逐漸地被替代。

耐候鋼即耐大氣腐蝕鋼，其由普通鋼加入少量銅、鎳等元素，其耐大氣腐蝕性能以及涂裝性能優(yōu)于普通碳素鋼，耐候性為普碳鋼的2～8倍，具有較強(qiáng)的塑性。但是其密度較大，制造出來的車體重量大，導(dǎo)致軌道交通車輛自重大，不利于車輛提高運(yùn)行速度，同時，也造成了軌道交通牽引能耗的增加。盡管耐候鋼耐腐蝕性較碳素鋼有較大提升，但由于作為鋼材料本身易氧化的特性，仍然不能滿足軌道交通車輛運(yùn)行的復(fù)雜環(huán)境。

不銹鋼即不銹耐酸剛，是一種添加合金元素而耐腐蝕的鋼，其最顯著的特征就是高含量的鉻，鉻金屬的含量至少為10.5%。當(dāng)不銹鋼暴露在空氣中，鉻元素會迅速氧化，可提升其耐腐蝕性。不銹鋼還具有較高強(qiáng)度，冷加工性能好，但不能熱處理強(qiáng)化，不能采用電弧焊，只能使用點(diǎn)焊工藝，其氣密性比較差，不適用于高速行駛的軌道交通車輛。

鋼材料不管有多少種類，其都離不開鐵元素，而鐵元素本身密度比較大，耐腐蝕性比較差，加工工藝以及材料處理手段的更新迭代，都不能從根本上解決其密度大和易腐蝕的特性。

2.2 鋁合金

鋁合金是以以鋁為基本材料添加一定量其他合金化元素的合金，密度較小，約為2.7g/cm3，而不銹鋼的密度是7.64～8 g/cm3，約為鋁合金的3倍，具有較高強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度為110～650 MPa，接近高強(qiáng)度鋼（270～700 MPa）；抗腐蝕性較強(qiáng)，在與空氣接觸時表面能夠形成一層致密的三氧化二鋁保護(hù)膜，在氧化膜的保護(hù)下能夠防止腐蝕。同時，鋁合金易于加工、制造和維護(hù)。隨著金屬加工工藝的發(fā)展和應(yīng)用，擠壓工藝、壓鑄工藝等不斷涌現(xiàn)，以及鋁焊接技術(shù)的不斷提高，制造鋁合金軌道車車身的密封性也比鋼制車體提升了很多[2]。

鋁合金呈現(xiàn)的重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、成型性好和成本相對較低等相對平衡的性能（如表1所示），十分適合用于工業(yè)生產(chǎn)的材料。鋁合金最早主要應(yīng)用于航空工業(yè)，直到20世紀(jì)80年代，隨著軌道交通運(yùn)行速度的提升，開始用于制造軌道交通車輛。到目前為止，已大規(guī)模應(yīng)用于時速200km/h以上的軌道交通車輛車體，如中國CRH高速動車、德國ICE系列高速動車、日本新干線、法國雙層TGV高速動車等。鋁合金作為軌道交通車體材料正在快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。在過去十多年的時間，鋁合金制車身逐漸替代了鋼材料車身，軌道車輛向著更輕型和更節(jié)能邁進(jìn)。

表1 不同軌道交通車體材料特性對比Table 1 Comparison of characteristics of different rail transit body materials

但是鋁合金本質(zhì)上還是金屬，金屬在現(xiàn)代加工工藝和鑄造工藝的基礎(chǔ)上，可以揚(yáng)長避短，盡最大可能發(fā)揮金屬的優(yōu)勢，但綜合性能受制于金屬材料本身的物理特性，在密度、強(qiáng)度、耐腐蝕性、加工等方面很難有質(zhì)的飛躍，必須尋找其替代品，脫離金屬本身的特性。在此背景下，纖維復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。

3 纖維復(fù)合材料的發(fā)展分析

3.1 纖維復(fù)合材料的介紹

纖維復(fù)合材料是由增強(qiáng)纖維材料，如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等，與基體材料經(jīng)過纏繞、模壓、拉擠等成型工藝而形成的復(fù)合材料[1]。與傳統(tǒng)金屬鋼、鋁合金等材料相比，纖維復(fù)合材料可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求，進(jìn)行個性化訂制。通過不同基體和增強(qiáng)材料的選擇，不同比例的調(diào)配及采用不同的成型工藝，可以得到綜合性能不同的的新材料，比如良好的耐腐蝕、耐磨、隔音、隔熱、減振降噪、強(qiáng)度高等性能，而傳統(tǒng)的單一材料受制于本身材料的各種物理特性，即使通過添加不同金屬調(diào)配，也很難有質(zhì)的變化。表2列出了不同材料的密度和抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

表2 不同材料的密度和抗拉強(qiáng)度Table 2 Density and tensile strength of different materials

3.2 纖維復(fù)合材料的特點(diǎn)

纖維復(fù)合材料在軌道交通車體材料應(yīng)用，有以下四個特點(diǎn)。一是良好的力學(xué)性能，由表2看出，其抗拉強(qiáng)度普遍比傳統(tǒng)金屬材料高一個數(shù)量級。二是符合軌道車輛輕量化的發(fā)展需求，密度較小，纖維復(fù)合車身的重量較輕，在不降低安全性的情況下，復(fù)合材料是最有效的方案。三是相對成本較小，盡管材料研發(fā)和生產(chǎn)初期成本較高，但軌道交通不僅僅包含生產(chǎn)制造還包括長周期的運(yùn)營。一方面使用輕量化的車體材料可以降低車輛的能量消耗，降低運(yùn)營成本；另一方面復(fù)合材料具有較強(qiáng)的抗疲勞性能、耐腐蝕性和抗拉強(qiáng)度等性能優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料，因此后期車輛保修和檢修的周期可以得到延長，運(yùn)營維護(hù)成本可以大大降低，從整個軌道交通車輛的全生命周期來衡量，復(fù)合材料可以有效降低成本。四是具有較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，通過復(fù)合材料基體、增強(qiáng)體的選擇和改變材料的成型工藝等措施能夠滿足各種設(shè)計(jì)需求。五是具有良好的可靠性和安全性，復(fù)合材料具有較強(qiáng)抗疲勞性能和缺口敏感度，在劇烈震動的工況下，強(qiáng)度不會出現(xiàn)劇烈下降，即使材料結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)缺口，在振動和沖擊下，不會導(dǎo)致缺口因長期的變載荷而蔓延損傷，而是材料中的應(yīng)力會向鄰近層轉(zhuǎn)移。這也是復(fù)合材料的零件使用壽命優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料的重要原因之一[3]。

3.3 纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

纖維復(fù)合材料主要有碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料[4]、芳綸纖維復(fù)合材料等幾種應(yīng)用。目前，軌道交通車體材料主要是碳纖維的應(yīng)用，國際上碳纖維復(fù)合材料研究起步比較早，日本的新干線N700系列在制造車體的分車體蒙皮和客車窗框使用了碳纖維，法國采用碳纖維和玻璃纖維等復(fù)合材料生產(chǎn)了雙層TGV掛車，德國西門子在新開發(fā)的列車車體側(cè)部使用了碳纖維，韓國TTX擺式列車車體采用碳纖維復(fù)合材料制作[5]。國內(nèi)發(fā)展方面，2018年1月，中車長春軌道客車股份有限公司在軌道交通領(lǐng)域研制出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的世界首輛全碳纖維復(fù)合材料地鐵車體，車身重量較金屬車身減重了35%[6]。截至目前，纖維復(fù)合材料在軌道車輛的應(yīng)用尚處于起步研究階段，在成本、工藝、設(shè)計(jì)、材料等諸多條件的限制下，未來其發(fā)展和應(yīng)用還有很長的路要走[7]。

4 軌道交通車體材料的發(fā)展趨勢

軌道交通車體的選材是關(guān)系軌道交通運(yùn)營的“安全、可靠、快速、輕量、經(jīng)濟(jì)、適用”的重大因素之一。因此，未來車體材料和加工工藝會不斷變革和發(fā)展，具有可設(shè)計(jì)性的纖維復(fù)合材料會逐漸被大規(guī)模地推廣和應(yīng)用。

4.1 輕量化

軌道交通是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，在高速移動的過程中，與接觸網(wǎng)、軌道、空氣發(fā)生復(fù)雜的耦合關(guān)系。車體輕量化不僅可以減少牽引動力的損耗，而且可以減少車輛轉(zhuǎn)向架和軌道線路的磨耗，延長車輛的使用壽命，帶來較大經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)金屬材料密度降低，同時也會影響車體結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、氣密強(qiáng)度等車輛性能，并不能完美解決輕量化的問題。纖維復(fù)合材料可以在降低材料密度的同時，保持材料較高的強(qiáng)度。未來，車體除了在結(jié)構(gòu)和工藝方面不斷變革，纖維復(fù)合材料是解決車體輕量化的最有效途徑。

4.2 舒適性

軌道交通除了貨運(yùn)車輛以外，客運(yùn)軌道交通都是為人服務(wù)。隨著各種出行方式的快速發(fā)展，運(yùn)輸需求量方面已經(jīng)可以得到充分滿足，人們越來越多關(guān)注運(yùn)輸途中的舒適性問題。軌道交通運(yùn)輸途中的噪音和振動是影響乘車體驗(yàn)的關(guān)鍵性因素。隨著纖維復(fù)合材料的發(fā)展，可以通過工業(yè)設(shè)計(jì)賦予材料“減震隔噪”的特性有效解決這一問題，進(jìn)而提高軌道交通的舒適性。

4.3 安全性

安全是軌道交通運(yùn)輸?shù)纳€，而車輛安全最關(guān)鍵的就是車體保護(hù)，車體材料是影響保護(hù)的關(guān)鍵因素。纖維復(fù)合材料通過設(shè)計(jì)不僅可以增強(qiáng)車體強(qiáng)度，同時可以吸收撞擊的沖擊力，在劇烈撞擊過程時，通過車體緩沖保護(hù)可以減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

4.4 環(huán)保化

截至2021年末，國內(nèi)鐵路客車7.8萬輛，鐵路貨車96.6萬輛，城市軌道交通車輛5.73萬輛[8]，軌道交通車輛生產(chǎn)制造隨著城市軌道交通、市郊鐵路和高速鐵路不斷發(fā)展，以及軌道交通車輛的更新和迭代數(shù)量也在不斷攀升，未來軌道交通車輛仍然有較大增長空間。纖維復(fù)合材料車體自重低，能量損耗少，在生產(chǎn)加工中，對環(huán)境污染小，車體材料結(jié)實(shí)耐用，使用壽命長，回收和利用的成本低，符合綠色低碳的可持續(xù)發(fā)展理念[9]。

5 結(jié)語

軌道交通車體材料發(fā)展經(jīng)歷了從鋼材料到鋁合金、纖維復(fù)合材料的持續(xù)演變，逐漸呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢。輕量化、提高舒適性和安全性、環(huán)?；能壍啦牧鲜擒壍澜煌ㄜ囕v發(fā)展不變的旋律，未來將會有各種各樣的纖維復(fù)合材料應(yīng)于軌道交通車體制造中，替代單一的傳統(tǒng)金屬，為軌道交通發(fā)展注入新的活力。