碳纤维复合材料在国内外轨道车辆中的应用

目前轨道交通车辆主要有有轨电车、地铁、轻轨以及动车组等。据中国国家铁路集团有限公司数据，截至2023年底，我国投入运营的高铁总里程已经超过了45000 km，占全球高铁总里程50%以上，国家发改委在2016年印发《中长期铁路网规划》，其中显示未来我国高铁里程将持续保持快速增长。与此同时，对轨道交通车辆的节能性、舒适性和载客能力提出了更高要求，这就要求轨道交通车辆装备技术不断优化。

1 碳纤维复合材料(CFRP)简述

CFRP 有着强度高、密度小、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、冷热变形系数小等优异性能，而且还能够实现一材多能、一材多用，因此CFRP被称为21 世纪最具有潜力的材料之一，目前在汽车、医疗器械、航空航天、体育用品、风电叶片等领域已经得到了十分普遍的应用。

相比传统金属材料而言，CFRP的密度要小很多，但其强度却是传统金属材料的数倍，而且CFRP具有优良的韧性，因此其比模量和比强度均高于传统金属材料。基于CFRP质轻和高强的优异特性，其应用于轨道车辆能够显著减轻车辆质量，使得车辆的运营能力大幅提升的同时也达到了节能降耗的目的，因而相对于传统材料轨道车辆承载结构而言，CFRP在力学性能方面具有明显优势，见表1。

2.2 舒适性方面的优势

CFRP是一种高阻尼材料，其阻尼仅为金属材料的 1/100~1/10，因此 CFRP 应用于轨道车辆能够减小车体构件振动，从而提升乘客乘坐轨道车辆时的舒适体验。同时，CFRP属于热的不良导体，其热导率仅为金属材料的 3/1 000~5/100。CFRP 与金属材料热导率对比见表2。

CFRP应用于轨道车辆可以使车辆具有优良的隔热性能，能有效降低车辆制造过程中隔热材料的占比。而且CFRP的冷热变形系数也小于金属材料，使得CFRP构件的尺寸相对金属材料更为稳定。此外，CFRP还具有良好的隔音和抗磁性能。基于 CFRP 具有的上述优良特性，乘客在乘坐轨道车辆时能够获得良好的乘坐体验。

2.3 安全性方面的优势

CFRP中分布着数量庞大的独立纤维，单位体积内分布的纤维数量成千上万，这些增强纤维与树脂基体之间形成了各不相同的相与界面，从力学角度看 CFRP 为经典的静不定体系，若 CFRP 构件承受的载荷超出其承载极限，同时构件中少许纤维出现断裂时，施加在CFRP上的载荷便会快速进行重新分布，最终将载荷转移分布到没有出现损坏的纤维上，如此，当CFRP构件因为超出载荷导致少量纤维受损断裂时，其各向异性属性能够阻止裂纹进一步加剧，使得CFRP构建在一段时间之内仍然能够承受一定的载荷，不会出现构件很快失效的现象。基于此，CFRP 比其他材料的耐疲劳性能更佳。CFRP具有良好的水密性、气密性和耐腐蚀性，CFRP构件拥有比金属构件更长的使用寿命。此外，CFRP的比强度和比模量远高于金属材料，其碰撞吸能性是金属材料的3~7倍，使其具有优异的抗冲击性和减振性。综上，CFRP拥有的优异特性能够保证轨道车辆具有更强的安全性。

CFRP的树脂基体、纤维、织物等原材料种类丰富，且不同的配比、不同的生产工艺、不同的纤维比例、不同的铺层工艺都会造成CFRP的理化性能和力学性能显著不同，因此，CFRP具有很强的可设计性，这些是传统金属材料无法企及的。轨道车辆金属构件成型需要通过大量的焊接、铆接、螺栓连接等，CFRP则可以根据构件的结构不同和厚度不同等进行模具设计和铺层设计，尤其针对构件中一些需要凸起、过渡、加厚、加筋、加棱的地方可以通过优化铺层设计实现一次性整体成型，使CFRP构件具有很好的完整性、保温性及气密性。

上世纪90年代，瑞士辛德勒车辆公司以CFRP为主，生产出一款整体式CFRP车体(见图1)，该车车身整体质量较轻，在线路运行验证试验中最高运行速度达到了140 km/h，而且通过线路试运行证明该车具有良好的舒适性与安全性，由于该车车体成型采用的缠绕工艺、成型工艺复杂，最终该车体无法实现量产。

2000 年，法国国营铁路公司（SNCF）以 CFRP 为主制造了一款双层TGV型车体（图2），该车体通过CFRP蜂窝夹层复合材料真空袋压固化工艺(VBPM)成型出单节为5 m的车体标准化模块。由于CFRP 的大量应用，该新型双层 TGV 车体的质量降低到原铝合金车体的75%左右，且该CFRP车体在线路试运行中通过了承载性能、抗冲击性能、降噪性能、阻燃性能、隔热性能等指标的验证。

2007年，韩国铁路研究院（KRRI）以不锈钢为增强骨架，以 CFRP 蒙皮-铝蜂窝夹芯-CFRP 蒙皮的“三明治”结构为车顶和侧墙，研制出一款 TTX 型摆式列车，其车体见图3，该列车在试运行中跑出了 180 km/h 的行驶速度。该车体车身整体质量为原不锈钢车身的72%，而且车体具有良好的强度阻燃性、抗疲劳性、抗振阻尼性，通过试运行证明该车的安全性和舒适性良好，并于 2010 年正式进行商业运营。

2014年，日本川崎重工（Kawasaki）研制出新型的EFWING转向架(见图4)，该转向架为CFRP柔性构架，替代了原来的金属焊接刚性构架。该转向架的核心承载构件为转向架两侧的梁状类弓形弹簧，该新型转向架去除了传统二系弹簧，简化了转向架结构，其质量降低到原金属侧梁的60%。

轨道车辆的车门是车辆的关键部件，直接关系到车辆的安全平稳运行，以及乘客乘坐车辆的舒适度。轨道车辆车门系统受力和工况复杂，在轨道车辆车门设计前首先要明确相关技术要求，以确保设计满足相关的技术要求。具体技术要求见图5。

CFRP 轨道车辆车门设计关键技术研究提出了碳纤维层压板纤维铺设角度至少要包括0o、±45o、90o。由于车门结构复杂，纤维在车门厚度变化处要尽量保持连续和平直，以保证局部的强度和刚度，必要时可在车门内部增加纵横向的层压板来保证车门整体的强度和刚度。研究提出了车门主体结构采用“三明治”方式(见图 6)，外部为碳纤维蒙皮，中间夹芯为聚对苯二甲酸乙二醇酯材料、聚氯乙烯发泡材料或者铝蜂窝材料，蒙皮和夹芯以树脂黏接方式连接，具有较高刚度，又可有效减重。

在中间填充材料一致的情况下，厚 0.5 mm 的碳纤维板“三明治”结构的比刚度优于厚1 mm的铝蒙皮“三明治”结构。碳纤维板的质量比铝蒙皮的更轻，碳纤维板“三明治”结构形式的材料结构有着更好的比刚度，在满足轨道车辆车门系统技术要求的同时能显著为车门减重，达到节能降耗的效果。

车体是轨道车辆的关键构件，车体的主要性能指标包括刚度、强度、耐腐蚀性和疲劳寿命等，这些性能指标均与车辆的可靠性和安全性息息相关。现阶段轨道交通车辆车体材料主要为传统金属材料，主要包括不锈钢、铝合金、碳钢，这些传统金属材料均存在金属材料无法克服的固有缺陷，难以胜任不断升高的轨道车辆制造要求。由于CFRP自身具有的优异性能，其已成为目前最受青睐的一种材料。

2018年1月，在柏林展会上中车长客公布了完全自主研制的全世界第一辆全CFRP地铁车体(见图7)。其车体为CFRP 夹芯结构，采取了模块化设计理念，通过一体化技术成型而成，相比原铝合金车体减重 35%，在试运行中跑出 100 km/h 的最高时速，该车辆有着出色的力学性能、防火阻燃性能、乘坐舒适性和节能环保性能。

该全CFRP车体(见图8)为一种筒形薄壁整体结构，车体关键尺寸为：长19 000 mm，宽2 800 mm，车顶面距轨面高 3 478 mm。该车体充分发挥了CFRP可设计性强和一体化成型优势，按照模块化设计思路将传统金属车体的两侧侧墙与车顶作为一个整体，整个车体划分为 U 形车身、端墙、底架(含牵枕缓、边梁和端梁)三大模块(见图9)。三大模块之间通过铆钉和螺栓进行连接，同时用密封胶密封。出于车体各部件受力特点、生产效率和制造成本三方面因素考虑，该车体采取了以低成本非热压罐成型工艺(OOA)为主，并联合辅助热压罐、拉挤、树脂导入等工艺路线制成。经过强度计算分析、典型件试验和车体静强度试验证明，该CFRP车体各项性能指标均达到了地铁车辆使用要求，同时，相比同类金属车体各项性能都有较大幅度的提升，其中：质量降到同类金属车体的65%左右，减重效果明显；使用寿命能够保证大于30年；隔声性能良好，达到车辆降噪要求的 70%；隔热性能良好，CFRP车体相比传统车体能够减少50%以上的隔热防寒材料使用量；此外，车体的耐疲劳性能、耐腐蚀性能、减振性能、外观质量也得到显著提升。

轨道车辆空调机壳体具有尺寸大、结构复杂、使用寿命长等特点，通常为一体式结构，与传统空调机壳体不同，CFRP 空调机壳体有着诸多优点，主要包括：强度高且质量轻，优异的可设计性，优异的耐酸性、耐碱性、耐冲刷性和耐腐蚀性。这些优点使得CFRP空调机壳体的寿命显著高于传统金属材料的。

CFRP空调机组壳体三维设计建模、有限元仿真分析、振动试验证明CFRP应用于轨道车辆空调机组壳体能满足轨道车辆相关使用要求，而且能显著减重，与相同的铝合金壳体和不锈钢壳体相比，仅为铝合金壳体质量的70%左右，不锈钢壳体质量的35%左右。

目前CFRP在轨道车辆轻量化方面主要应用于地铁、轻轨、有轨电车的部分零部件，包括车身外壳、车头罩、司机室、导流罩、司机台、裙板等，相比玻璃钢材料减重20%~30%，而且强度、刚度、防火阻燃性等指标也明显优于玻璃钢材料。CFRP是未来轨道交通车辆轻量化的一个重要发展方向，我国现有相关技术与国际先进水平存在较大差距，但随着我国在该领域研究的不断深入，差距将逐渐缩小，2018年中车青岛四方和中车长春分别推出了新一代碳纤维地铁车辆，2024年6月中车四方机车股份公司联合青岛地铁集团发布了商用碳纤维地铁列车，该车的主承载结构，包括车体、转向架构架等都是采用碳纤维复合材料制造而成，预示了我国CFRP在有轨车辆制备方面上升到了一个新的台阶。

CFRP在轨道交通车辆装备方面的研究应用目前主要分为功能性和结构性两大类。功能性应用具体是指轨道交通车辆内饰(具体包括座椅、扶手、空调架壳体、司机台等)，主要是发挥CFRP的减振降噪、隔热防火、透波等作用。结构性应用(具体包括车门、车体、司机室、转向架、设备舱、裙板等)是指车辆的承载构件。功能性构件的工况好，构件承受载荷小，关键点是需要满足EN45545R类HL3级防火阻燃标准，因此，树脂体系的选择是问题的关键，普通环氧树脂已无法满足防火阻燃标准，随着树脂体系的不断研究，出现了无卤阻燃环氧树脂。

近年来，我国在 CFRP 产品设计、成型工艺、制备技术等方面取得了快速的发展，国内也成长起来一批优秀的企业，然而受到多重因素的影响，目前 CFRP 在轨道交通车辆装备领域的应用十分有限。基于我国“十四五”规划和CFRP未来发展需要，轨道交通车辆装备将是CFRP事业发展的一个重要方向，现阶段国内CFRP企业和轨道车辆企业可将研究方向定位于功能性构件和结构性应用中的非主承载构件，建议国内相关企业和科研院所将空调壳体、司机台、车门、设备舱作为目前重点研究的对象，未来随着研究不断深入和经验不断积累再向车体、转向机、司机室等大型结构性应用构件和主承载构件过渡，循序渐进地推进我国CFRP在轨道车辆装备轻量化中的普及应用，最终超越国际竞争对手，扩大国内外市场，在轨道交通领域完成高质量转型。