李天亮

（長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春130062）

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計(jì)算機(jī)與應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料在軌道客車上應(yīng)用前景分析

李天亮

（長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春130062）

摘要：簡(jiǎn)單介紹了碳纖維復(fù)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(yīng)用。同時(shí)對(duì)碳纖維復(fù)合材料發(fā)展的國(guó)內(nèi)外形勢(shì)做了一定的研究，針對(duì)我國(guó)碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展提出了一些見(jiàn)解。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；列車輕量化；強(qiáng)度；抗沖擊性

碳纖維（carbon fiber）是指有機(jī)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(dá)90%以上，是一種力學(xué)性能非常優(yōu)異的新型材料。碳纖維復(fù)合材料可應(yīng)用在車輛工程、精密制造、航天航海等高技術(shù)領(lǐng)域，還可用在大型機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備、生物工程等方面[1]。隨著軌道交通運(yùn)輸行業(yè)對(duì)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(fù)合材料作為一種新型替代材料逐漸引起了世界各國(guó)的重視。本文針對(duì)復(fù)合材料車體進(jìn)行研究，以期對(duì)未來(lái)軌道車輛發(fā)展方向提供參考。

1　碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

碳纖維復(fù)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(diǎn)[2]：

（1）強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度可達(dá)3 500 MPa，是鋼的5倍、鋁的8倍。

（2）比強(qiáng)度高，同等強(qiáng)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(dá)到減重的目的。

（3）耐高溫，碳纖維復(fù)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(qiáng)。

1.1碳纖維復(fù)合材料在高速列車上的應(yīng)用

軌道列車運(yùn)行速度越高，對(duì)軌道的沖擊力越大。因此迫切地希望實(shí)現(xiàn)列車輕量化從而可以減少列車行駛過(guò)程中對(duì)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(yīng)用。

（1）動(dòng)力學(xué)前端上的應(yīng)用

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

英國(guó)使用碳纖維復(fù)合材料制造的動(dòng)力學(xué)前端比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)輕30%~35%.同時(shí)這種機(jī)車動(dòng)力學(xué)前端具有很強(qiáng)的抗沖擊能力，能承受一個(gè)0.9 kg的立方體鋼塊以350 m/h的速度對(duì)其的沖擊。更為重要的是，在以300 km/h速度行駛的時(shí)候這款動(dòng)力學(xué)前端有很好的尺寸穩(wěn)定性，因此這種動(dòng)力學(xué)前端材料的替換在遙遠(yuǎn)的將來(lái)必定成為現(xiàn)實(shí)。我國(guó)在同一領(lǐng)域相應(yīng)的也進(jìn)行了一些研究。我國(guó)藍(lán)箭機(jī)車的車頭蓋是用另外一種復(fù)合材料制作，這種材料重量輕、強(qiáng)度高、阻燃性好，代表著未來(lái)車體制造的發(fā)展趨勢(shì)。

（2）車體上的應(yīng)用

車體是軌道列車的重要組成部分，為了進(jìn)一步減輕車體的重量，嘗試采用新復(fù)合材料替代原有的鋁合金、鋼車體材料。法國(guó)采用復(fù)合材料生產(chǎn)了雙層TGV掛車樣車并進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)耐火性、抗沖擊強(qiáng)度等因數(shù)進(jìn)行測(cè)試[3]。測(cè)試結(jié)果表明，復(fù)合材料車體在振動(dòng)性能和絕熱防火性能等方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，速度可達(dá)140 km/h，且滿足強(qiáng)度和剛度的要求，達(dá)到了預(yù)期效果。而最有代表性的案例是韓國(guó)在2010年投入運(yùn)營(yíng)的TTX列車，車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)使車體重量降低了40%，運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)明顯的安全問(wèn)題，說(shuō)明各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。我國(guó)的藍(lán)箭、中華之星以及和諧號(hào)高速列車的一部分內(nèi)飾件也采用了碳纖維復(fù)合材料。

（3）制動(dòng)裝置上的應(yīng)用

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

我國(guó)中航某院研制了一款碳纖維閘片，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證其性能，在試驗(yàn)中測(cè)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(yàn)結(jié)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(fù)合材料，復(fù)合材料摩擦系數(shù)很大且對(duì)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(yīng)，可以使粘著系數(shù)得到充分的利用。這些優(yōu)勢(shì)使得新型材料制動(dòng)閘片的研究突飛猛進(jìn)，相信不久的將來(lái)就會(huì)有真正能夠投入使用的碳纖維閘片問(wèn)世。

（4）內(nèi)飾件的應(yīng)用

碳纖維目前應(yīng)用的最廣泛的是在內(nèi)飾件方面。車門(mén)、車窗、座椅方面都可以采用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)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(fù)合材料的應(yīng)用，重量?jī)H有鋁材料的一半。我國(guó)在這方面取得了一些成績(jī)。青島威奧公司發(fā)明了新形式的三明治結(jié)構(gòu)木質(zhì)間壁（已經(jīng)申請(qǐng)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(cè)防火板開(kāi)裂的問(wèn)題，同時(shí)也起到了減重的效果。

1.2碳纖維復(fù)合材料成型技術(shù)

（1）拉擠技術(shù)

拉擠工藝是指將碳纖維絲拉過(guò)加熱的金屬模具使之固化成型。這種成型方法的特點(diǎn)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(shù)可以生產(chǎn)碳纖維板材，用作車體材料的替代材料。在國(guó)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(shù)

將液態(tài)樹(shù)脂注入封閉型腔，鋪滿預(yù)置的輔助材料之后固化成型。其特點(diǎn)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(guó)某企業(yè)利用此項(xiàng)技術(shù)制造高速列車動(dòng)力學(xué)前端。同時(shí)一些小件也可以采用此方法制備。

（3）注模成型技術(shù)（SCRIMP）

利用薄膜將輔助材料預(yù)先密封固定于模具上，完全借助于真空將樹(shù)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(dá)80%，適用于制造大型結(jié)構(gòu)件。

2　碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的發(fā)展方向

2.1碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展形勢(shì)

當(dāng)今世界碳纖維的年產(chǎn)量達(dá)到了4萬(wàn)噸，但是掌握核心技術(shù)的只有日本、美國(guó)、德國(guó)以及韓國(guó)等少數(shù)國(guó)家且他們對(duì)技術(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的封鎖。另外，國(guó)外行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)開(kāi)始進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，在較大的技術(shù)差距下，國(guó)產(chǎn)碳纖維面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

（1）碳纖維研發(fā)的國(guó)外形勢(shì)

國(guó)外在碳纖維材料的研發(fā)方面取得了一些進(jìn)步，并且形成了一些技術(shù)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(duì)壟斷地位。在技術(shù)應(yīng)用方面，航空航天領(lǐng)域、高速列車等領(lǐng)域碳纖維復(fù)合材料都得到了大規(guī)模的應(yīng)用。以飛機(jī)為例，波音787中結(jié)構(gòu)部件碳纖維復(fù)合材料替代率已經(jīng)達(dá)到50%.在未來(lái)的發(fā)展中，碳纖維復(fù)合材料會(huì)得到更深更廣泛的應(yīng)用。

（2）碳纖維研發(fā)的國(guó)內(nèi)形勢(shì)

我國(guó)裝備制造等領(lǐng)域長(zhǎng)期受制于國(guó)外的技術(shù)封鎖，在國(guó)家利益的驅(qū)使下我們正攻關(guān)生產(chǎn)國(guó)產(chǎn)碳纖維制品，但仍然需要長(zhǎng)期的觀察和評(píng)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(fù)合材料仍然需要進(jìn)口，限于碳纖維復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用評(píng)定水平，性能達(dá)標(biāo)的國(guó)產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)仍然有很長(zhǎng)的路要走[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)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(shù)的有19家。但是目前國(guó)產(chǎn)碳纖維只能提供T300級(jí)小絲束碳纖維。也僅有吉林市被認(rèn)定為國(guó)家碳纖維高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基地，因此對(duì)于我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，筆者的建議是進(jìn)一步加大資金投入，加速科研攻關(guān)，爭(zhēng)取早日在相關(guān)項(xiàng)目上實(shí)現(xiàn)突破。其次，我國(guó)碳纖維及復(fù)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(qiáng)溝通合作，實(shí)現(xiàn)技術(shù)交流和共享，解決產(chǎn)品穩(wěn)定性和成本控制問(wèn)題。只有國(guó)家層面重視，才能帶動(dòng)整個(gè)社會(huì)重視，引導(dǎo)資金流入相關(guān)領(lǐng)域，早日取得成果。

2.2經(jīng)濟(jì)性和實(shí)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(gè)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(lái)，全球范圍內(nèi)碳纖維的銷售量?jī)H有3.7萬(wàn)噸，就是因?yàn)樘祭w維價(jià)格太貴。再有就是碳纖維快速成型技術(shù)的升級(jí)。采用先進(jìn)拉擠工藝可以達(dá)到預(yù)浸帶材實(shí)現(xiàn)精確鋪放的目標(biāo)，接下來(lái)連續(xù)模壓形成纖維量高的型材。另外，在自動(dòng)鋪帶、集成自動(dòng)生產(chǎn)等工藝上也實(shí)現(xiàn)了更新?lián)Q代，提高了生產(chǎn)效率。在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，碳纖維復(fù)合材料制品一定可以得到更大的應(yīng)用，更好的為人類服務(wù)！

3　結(jié)束語(yǔ)

（1）碳纖維材料是具有優(yōu)良力學(xué)性能的新型材料，在精密制造等領(lǐng)域獲得了很好的應(yīng)用。在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，碳纖維復(fù)合材料會(huì)深入到更多的領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)更多的功能。因此對(duì)于碳纖維的研究迫在眉睫。

（2）在軌道列車領(lǐng)域，碳纖維復(fù)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(yīng)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(shí)強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)并沒(méi)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(lái)軌道列車發(fā)展的道路上一定會(huì)得到重視[6]。

（3）目前來(lái)看我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離世界先進(jìn)水平還有一定的差距，投入商用的碳纖維復(fù)合材料大都來(lái)自國(guó)外。希望我國(guó)可以加大相關(guān)產(chǎn)業(yè)的投資力度，更新技術(shù)水平，擴(kuò)大生產(chǎn)能力，使相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量盡快趕超世界的先進(jìn)水平。

參考文獻(xiàn)：

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

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中圖分類號(hào)：U270.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-545X（2016）04-0159-03

收稿日期：2016-01-21

作者簡(jiǎn)介：李天亮（1989-），男，吉林松原人，助理工程師，碩士學(xué)位，復(fù)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