（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）因具有質(zhì)量輕、強度大等優(yōu)點，已應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。在航空領(lǐng)域，歐洲空客公司的A380客機應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料達32 t，約占結(jié)構(gòu)總重的15%[1]；A350XWB寬體客機的復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)總重的53%，達到了航空領(lǐng)域最高[2]。在風電領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料風機葉片充分發(fā)揮輕量化、抗疲勞特性，提高了風力發(fā)電機的發(fā)電效能[3]。相比之下在軌道交通車輛領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用較少，尚具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

國外在車體結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用研究已取得諸多成果。日本的碳纖維復(fù)合材料車體研發(fā)很早，于1999年推出安裝了碳纖維復(fù)合材料司機室的E4車輛，隨后發(fā)布的N700車輛安裝了碳纖維復(fù)合材料車頂，也取得了較好的減重效果。韓國于2010年投入運營的TTX列車采用了碳纖維復(fù)合材料車頂、側(cè)墻以及端墻結(jié)構(gòu)，搭配傳統(tǒng)的中空擠壓鋁型材組焊底架，在后續(xù)改進方案中還使用了碳纖維復(fù)合材料面板鋁蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)，該列車在長期的線路運營中表現(xiàn)良好。歐洲西門子股份公司、阿爾斯通公司等頂級軌道交通裝備制造企業(yè)，其發(fā)展水平整體較高，例如，英國Intercity125列車使用了碳纖維復(fù)合材料整體成型的司機室結(jié)構(gòu)，相對鋼結(jié)構(gòu)減重30%～35%；法國TGV雙層車體采用了真空固化袋工藝成型的碳纖維復(fù)合材料及大量蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，較鋁制車減重超25%，且經(jīng)過長期運行表現(xiàn)出較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)性能[4]。

在轉(zhuǎn)向架設(shè)計方面，日本存在較大的技術(shù)優(yōu)勢。川崎重工有限公司于2014年發(fā)布了efWING轉(zhuǎn)向架，將部分框架材料換成碳纖維復(fù)合材料，并將側(cè)梁與螺旋彈簧的功能整合到弓形CFRP彈簧中，達到減重40%的效果。雖然韓國與歐洲都研發(fā)出碳纖維轉(zhuǎn)向架，但都停在試驗階段，沒有大規(guī)模投入商用。

1.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料車輛研究起步較晚，但目前仍取得一定成果。2018年9月中車長春軌道客車股份有限公司研制的碳纖維復(fù)合材料輕軌“光谷量子號”在長春軌道交通展上首次亮相，目前已在武漢輕軌線路上運營，這也是國際首列商業(yè)運營全碳纖維車體列車。同年中國中車集團發(fā)布了碳纖維復(fù)合材料地鐵列車CETROVO，該車在車體、轉(zhuǎn)向架、司機室、設(shè)備艙中使用了大量碳纖維復(fù)合材料，使司機室、設(shè)備艙減重30%以上，整車減重13%。圖1和圖2分別為碳纖維列車的車體結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)。2020年6月，中車青島四方機車車輛股份有限公司研制的速度600 km/h磁浮列車成功試跑，其車體主結(jié)構(gòu)、懸浮架、車輛內(nèi)飾等部位使用了大量碳纖維復(fù)合材料。

圖1 碳纖維復(fù)合材料地鐵車體結(jié)構(gòu)

圖2 碳纖維轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

除了整車級別的應(yīng)用研究，目前已運營車型也正在通過改型設(shè)計替換新的碳纖維材料結(jié)構(gòu)。例如，復(fù)興號的設(shè)備艙正在進行碳纖維復(fù)合材料新結(jié)構(gòu)、新工藝的嘗試；京雄高鐵線路列車的司機室也正在進行碳纖維一體化設(shè)計。

2 碳纖維復(fù)合材料車輛應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

軌道車輛全方面應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料要經(jīng)歷漫長的發(fā)展歷程，在研發(fā)、制造、運營維護等方面需要進行大量技術(shù)積累，本文從如下幾方面列舉碳纖維復(fù)合材料車輛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 復(fù)合材料力學特性與失效理論

碳纖維復(fù)合材料由纖維與基體（固化的樹脂）2種組分構(gòu)成，因而在力學性質(zhì)方面呈現(xiàn)與金屬材料不同的特性：在纖維方向表現(xiàn)出很高的強度，其余方向強度相對較小。碳纖維復(fù)合材料具有多種失效模式，可以歸結(jié)為層內(nèi)失效（指纖維和基體各自的拉伸與壓縮失效）和層間失效（指相鄰層間出現(xiàn)的剝離損傷）。進行車輛結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計必須對材料的損傷條件與損傷過程有準確的預(yù)測，為此必須進行大量的材料試驗數(shù)據(jù)積累，得到各種使用工況下的材料特性作為設(shè)計依據(jù)，才能保證車輛在使用時的安全性。當前預(yù)測碳纖維失效理論研究應(yīng)用最多的是Hashin準則[5]以及PUCK準則[6]，都能進行損傷起始判定與損傷演化分析，并能區(qū)分不同的損傷模式。失效理論除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段提供依據(jù)，進行準確的失效預(yù)測研究以及疲勞損傷規(guī)律研究，還有助于制定經(jīng)濟合理的車輛檢修計劃。

2.2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

碳纖維復(fù)合材料的典型優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)可設(shè)計性強，在研發(fā)過程中碳纖維復(fù)合材料車體結(jié)構(gòu)件需針對使用條件進行設(shè)計。例如，碳纖維復(fù)合材料板的鋪層角度應(yīng)針對結(jié)構(gòu)特點進行設(shè)計。層合板結(jié)構(gòu)需要有足夠的鋪層角度分布，任意角度的鋪層應(yīng)不少于鋪層總數(shù)6%～10%[7]。當實際工況中結(jié)構(gòu)承受某單向載荷比較明顯時，應(yīng)進行局部加強，讓足夠多的纖維鋪設(shè)在載荷方向。在承受面外沖擊載荷較多的結(jié)構(gòu)部位，可以通過增加±45°方向鋪層或表層鋪設(shè)織物的方式增強抗沖擊能力。此外，還應(yīng)根據(jù)載荷工況特點選擇合適的結(jié)構(gòu)。例如在大型壁板容易發(fā)生屈曲的部位，可以采用共固化T型加強筋的方法進行加強；在側(cè)墻、頂棚、地板這些承受車輛運行載荷小的地方可以選用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，這樣既能實現(xiàn)減重也有隔熱、隔音、防火、防腐蝕的功效。

2.3 復(fù)合材料制造工藝

碳纖維復(fù)合材料制造工藝是結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、應(yīng)用的根本。研究復(fù)合材料制造工藝不僅有助于提升結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，還能夠降低生產(chǎn)成本，增強生產(chǎn)效益。碳纖維復(fù)合材料制造工藝涵蓋原材料制造工藝和固化成型工藝。在原材料制造方面，當前主要制約發(fā)展的因素為碳纖維制造水平落后，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、成本高。在固化成型工藝方面，目前傳統(tǒng)成熟的成型工藝有手糊成型、噴射成型、預(yù)浸料熱壓罐成型、樹脂傳遞模塑成型、真空樹脂注入成型等[8-10]。近年來自動化制造工藝發(fā)展迅速，纏繞、拉擠、編織、自動鋪放等工藝呈現(xiàn)出越來越廣的應(yīng)用前景。

2.4 復(fù)合材料部件連接方法

碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)受材料特性和生產(chǎn)工藝的限制，無法直接沿用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)連接形式。為保證載荷的有限傳遞，必須采用合理的結(jié)構(gòu)連接設(shè)計。目前常用的連接方法有機械連接、膠接和混合連接。機械連接適用于傳遞較大集中力的關(guān)鍵部位，后期維護時螺栓可以拆卸，因而具有較好的可維護性。然而連接孔破壞了纖維的連續(xù)性，并且產(chǎn)生了應(yīng)力集中，降低了局部強度，同時金屬連接件與碳纖維之間由于存在電位差會造成電化學腐蝕。膠接連接避免了打孔以及結(jié)構(gòu)的電化學腐蝕，具有較好的絕緣和密封性能，一般適應(yīng)于傳遞均布載荷或剪切載荷的非主承力結(jié)構(gòu)。如果單一的連接方式無法滿足連接要求，或者連接結(jié)構(gòu)需要有較大的安全裕度時，可以將2種連接方式結(jié)合進行混合連接。

2.5 復(fù)合材料損傷檢測技術(shù)

碳纖維復(fù)合材料組分復(fù)雜，在制造過程中工藝的不成熟或生產(chǎn)工藝規(guī)范執(zhí)行不當易導(dǎo)致材料出現(xiàn)缺陷。典型缺陷主要有分層、脫粘、空隙、夾雜、鋪層角度偏差等。碳纖維復(fù)合材料服役環(huán)境多變，在使用過程中易出現(xiàn)損傷。典型損傷有劃傷、分層、脫粘等。為了保證復(fù)合材料的使用安全，應(yīng)對結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量和健康情況進行檢測。當前的無損檢測方法主要有超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測和目視檢測6種方法[11]，各種檢測具有各自的適用領(lǐng)域。

無損檢測方法中應(yīng)用較廣的是超聲檢測。它的原理是超聲波進入待測件傳到缺陷處產(chǎn)生反射，通過對反射波進行分析可以精確地測出結(jié)構(gòu)缺陷與損傷的位置和大小。在不同缺陷顯示方法中C型顯示的缺陷檢測結(jié)果最直觀，可通過顏色區(qū)分損傷面積與深度。

2.6 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理方法

碳纖維復(fù)合材料部件在生產(chǎn)與使用階段難免出現(xiàn)缺陷或損傷，對結(jié)構(gòu)進行有效修理才能保證結(jié)構(gòu)的使用安全性。飛機結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料修理研究始于20世紀70年代[12]，發(fā)展至今已擁有成熟的結(jié)構(gòu)修理方法。

當復(fù)合材料結(jié)構(gòu)檢測到損傷后第一步是進行修理評估。修理評估就是對損傷進行一個“需不需要修，值不值得修”的判斷。如果損傷程度輕微，不會對結(jié)構(gòu)安全造成威脅，就不需要進行修理；如果結(jié)構(gòu)損傷較大，已經(jīng)成為安全隱患，那么就需要進行修理。另一方面，如果進行修理的各方面耗費已經(jīng)超過直接替換結(jié)構(gòu)件的耗費，那么結(jié)構(gòu)就不值得修理，進行新部件替換即可。

在確定結(jié)構(gòu)需進行修復(fù)后，第二步是根據(jù)結(jié)構(gòu)修理手冊選擇合適的方法展開修理工作。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理方法分為機械連接修理與膠接修理2種[12]。機械連接修理一般采用緊固件與補片對損傷結(jié)構(gòu)進行補強，通過螺栓或鉚釘實現(xiàn)補片與母板結(jié)構(gòu)的機械連接。膠接修理采用樹脂與補片進行損傷修復(fù)，比如小范圍的層合板分層損傷或蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的板芯分層損傷可以通過注入樹脂固化的方式進行注膠修理，另外在重要承力結(jié)構(gòu)處的損傷可以采用搭接補片（貼補法）或嵌入補片（挖補法）并膠接固化的方式修理。

軌道車輛碳纖維結(jié)構(gòu)應(yīng)用時間較短，商業(yè)化運營維護經(jīng)驗空缺，目前對碳纖維復(fù)合材料車輛的檢修計劃、修理評估原則、結(jié)構(gòu)修理方法的制定還需要參照航空領(lǐng)域的設(shè)計使用經(jīng)驗，后期逐步形成軌道車輛專有的結(jié)構(gòu)修理評估標準與修理方案。

3 碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛應(yīng)用展望

3.1 積木式研究

碳纖維復(fù)合材料在實際應(yīng)用中需進行大量的試驗分析才能保證結(jié)構(gòu)的可靠性。研究過程通常使用“積木式”的方法，這是一種集成度較高的分析和試驗驗證思路[13]?！胺e木式方法”的試驗過程按照試件尺寸、試驗規(guī)模、環(huán)境復(fù)雜程度呈逐級增加的順序，后一級試驗利用前一級的結(jié)果進行，可以降低技術(shù)風險與研發(fā)費用。

碳纖維復(fù)合材料車體結(jié)構(gòu)的“積木式”方法研究分三步走。第一步是車輛用復(fù)合材料的屬性研究，這一級稱為材料級試驗，模擬材料各種使用工況并測量材料參數(shù)和許用值；第二步是典型結(jié)構(gòu)件的研究，這一級稱為元件級試驗，對標準結(jié)構(gòu)試驗件如平板、加筋板、梁、夾層結(jié)構(gòu)進行試驗，獲得特定載荷工況下結(jié)構(gòu)的承載能力以及失效模式；最后一步是整體結(jié)構(gòu)的全尺寸試驗，試驗時將載荷從零加載到設(shè)計載荷乃至結(jié)構(gòu)破壞，確定設(shè)計方案的合理性。

3.2 打造生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

目前碳纖維復(fù)合材料在全球軌道交通裝備制造領(lǐng)域的應(yīng)用存在很大空缺。2019年世界各領(lǐng)域碳纖維復(fù)合材料使用需求分布如圖3所示，其中風電葉片、航空航天、體育休閑和汽車領(lǐng)域占74%[14]，軌道交通裝備制造領(lǐng)域尚未出現(xiàn)在圖中，原因是目前全球碳纖維軌道車輛尚未實現(xiàn)大規(guī)模商用，都處于研發(fā)試驗階段。

圖3 2019年世界各領(lǐng)域碳纖維復(fù)合材料需求分布

碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用涉及原材料制備（碳纖維以及各類樹脂）、中間制品制造、結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用，其戰(zhàn)略核心是碳纖維[14]。中國碳纖維發(fā)展歷史中經(jīng)歷歐美禁運與技術(shù)封鎖，直至2000年以后國內(nèi)才形成一定規(guī)模的碳纖維市場，雖然實現(xiàn)了“從無到有”，但是產(chǎn)品的品質(zhì)穩(wěn)定性與經(jīng)濟性較差。與傳統(tǒng)成熟材料不同，碳纖維復(fù)合材料與應(yīng)用企業(yè)存在著共同發(fā)展互相成就的關(guān)系，這是國際上新技術(shù)創(chuàng)新的基本規(guī)律。目前國內(nèi)軌道交通發(fā)展規(guī)模龐大，如果國內(nèi)軌道交通車輛大幅應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，國內(nèi)碳纖維企業(yè)因此會有充足的環(huán)境去成長和發(fā)展，屆時不止軌道交通裝備制造領(lǐng)域，航空航天、風電、體育休閑等領(lǐng)域也會同時受益。