轻量化碳纤维夹芯结构复合材料在轨道交通领域的具体应用分析

郭占轩

摘 要：随着轨道交通行业的蓬勃发展，“节能、舒适”已逐渐成为轨道交通车辆的刚需，车体轻量化无疑是未来发展的必要趋势。碳纤维夹芯复合材料是一种可以通过结构设计得到较高的力学强度、耐腐蚀、减震降噪、耐疲劳的轻质新型复合材料。本文主要阐述了碳纤维夹芯复合材料的应用现状、各项性能优势、轻量化刚度等效设计原则、主要加工工艺，并展望了复合材料未来发展方向。

关键词：轨道交通;轻量化;碳纤维;夹芯结构;复合材料

0 引言

近年来，“一带一路”已成为推动中国经济增长的重要驱动力。毫无疑问，轨道交通行业不仅拉近了我国与世界各国之间的发展关系，而且推动了城市之间人才与产业的合作，加快了城镇化进程。在经历了十年的飞跃发展后，《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》把智能化、绿色化、轻量化、系列化、标准化和平台化列为轨道交通装备产业的目标。轨道交通在满足人民对美好生活的向往所具备的安全、舒适、高效以外，绿色、节能已是轨道交通发展的必然趋势。因此，为了规避传统金属材料重量大、能耗大的缺点，设计出新型的轻质材料及其对应的加工工艺显得尤为重要。

轨道交通车体轻量化可减小车体自身轴重，降低成本，主要体现在两个方面：第一，对提升列车速度有重要作用，在满足现代社会的快节奏的同时，还可以降低运行成本，降低能耗，节省能源;第二，重量减轻在一定程度上可以减少车辆对轨道的磨损，进而降低铁路的维护成本。轻量化的轨道交通车辆对轨道的冲击力减小，降低车体振动，不仅可以为乘客提供一个相对舒适的乘坐环境，还可以提高车体运行过程中的安全性和稳定性。碳纤维夹芯复合材料是一种可以通过结构设计得到较高的力学强度、耐腐蚀、减震降噪、耐疲劳的新型复合材料。

1 碳纤维夹芯结构复合材料在国内轨道交通的应用现状

目前，国内某动车项目行李舱已成熟应用碳纤维蜂窝板材料。如图1。该行李舱主要由碳纤维蜂窝板材料复合而成，其允许的最大集中载荷为850N，能承受的均匀载荷为每延米1000N，能承受纵向：3g、横向：1g、垂向：2g的冲击振动，模块化程度高、组装方便快捷、外形美观大方。

2015年底，轻质化、性能稳定的碳纤维夹芯复合结构的侧墙外板和上裙板已正式应用于国内有轨电车，如图2，具有耐候、耐蚀、耐冲击、防火、防潮、隔热、隔音、抗震性，质轻、易加工成型等众多优异特性，并且得到市场的高度认可。

2018年，中车四方股份公司研制的新一代地铁列车成功下线。该列车整车车体（如图3）采用碳纤维轻量化复合材料制成，车体减重35%，具有能耗低、轻量化、运行噪音小等特点，是新一代灵活、轻捷、绿色的地铁列车。

碳纤维夹芯复合材料已经完成了从车体内饰、零部件等非承力部件到墙板、裙板、头罩等次承力部件的成功跨越，其在车体、转向架构架等主承力部件上的应用也在进一步延伸和扩大。

2 碳纤维夹芯复合材料性能优势

碳纤维夹芯复合结构，是由碳纤维织物和树脂复合而成的碳纤维预浸料、蜂窝或泡沫夹芯通过合理的铺层角度和厚度设计，使用热压罐成型得到的一种高模量、高强度、热膨胀系数小、耐腐蚀、耐疲劳的复合材料。

2.1 高比模量、比强度

碳纤维夹芯复合材料是以碳纤维织物为增强体、树脂为基体制备而成的复合材料，碳纤维复合材料具有高于常用铝合金材料的比强度、比模量。为满足轨道交通高力学强度的设计指标，需要以刚度等效及强度等效设计原则，通过最佳几何形状设计、最佳铺层角度设计、铺层厚度设计及铺层顺序设计，确保复合结构的强度及刚度，与此同时，可有效减轻车体的重量，实现轻量化目标。

2.2 耐疲劳性能

碳纤维夹芯复合材料的抗疲劳强度占其自身静态拉伸强度的80%左右，而一般金属材料的耐疲劳强度占其自身静态拉伸强度的50%左右，所以由碳纤维夹芯复合材料制成的零部件寿命提高，并且具有较高的安全性和稳定性。

2.3 抗振降噪性能

碳纤维夹芯复合材料内部的蜂窝夹芯结构或泡沫夹芯结构密度较小、含有大量的密闭蜂窝孔格及小尺寸间隙，其可保存大量的空气，相对于固相介质，气相介质传播能量的速度很慢，隔音效果好，故碳纤维夹芯复合材料具有优异的减震降噪性能。

2.4 耐腐蚀性能

碳纤维夹芯复合材料的基体树脂是由单体分子聚合而成的高分子聚合物，所以化学性质稳定，具有良好的耐酸碱、耐湿热性能，故由碳纤维夹芯复合材料制成的车辆零部件的维修成本降低、寿命提高，实用性增强。

3 轻量化等效设计原则

3.1 设计原则

在进行复合材料结构设计时，遵循的原则是：用碳纤维泡沫夹芯复合材料替换原有的金属材料。与金属材料相比较，在刚度不减小的前提下，设计复合材料铺层结构，通过数据比对，得到减重率和刚度都为最佳值的复合材料结构。这里以铝合金材料为例进行分析，材料性能参数详见表1。

3.2 力学分析

刚度等效：参照铝合金材料结构的受力分析，考虑只研究变形，采用刚度等效的方式进行材料替换，简化铝合金结构与碳纤维复合材料结构，碳纤维夹芯复合材料仅考虑外层碳纤维管的结构的刚度，推导初始复合材料结构参数。

经对比计算，得到：复合材料的总厚度H为17mm时，蒙皮内部用厚度为14mm的PVC的泡沫填充，减重率较高，为79.5%，其刚度为1144421。即：ACFRP≥AAl，说明复合材料结构满足刚度要求。

4 碳纤维夹芯复合材料的加工工艺

4.1 共固化

共固化指的是按照碳纤维下蒙皮、胶膜、夹芯材料、胶膜、上蒙皮的顺序依次铺贴在成型模具上，再将以上铺贴好的模具及产品置于设定好的温度、压力环境下固化成型，之后再脱模、修型得到最终产品。此方法加工工序少、生产周期短、可以保证产品外形，体现出复合材料可设计性及一体化的特点。

4.2 二次固化

二次固化指的是先将碳纤维预浸料蒙皮在一定的温度和压力条件下固化成型，再将夹芯材料与固化后的蒙皮进行粘接、固化，最后脱模、修型。首次成型时，可以避免夹芯材料抗压能力小的问题，从而将蒙皮在较高的压力环境下成型，确保蒙皮的刚性达标。

5 碳纤维夹芯复合材料的发展方向

5.1 建立结构设计仿真平台

根据车辆的性能要求，进行原材料選取及可行性分析，利用仿真平台对复合材料进行结构设计、工艺试制，最后得到满足各项性能要求的复合材料加工方案。

5.2 建立智能化复合材料加工体系

因复合材料的成型工艺属于特殊过程，故应着力打造智能化复合材料加工体系，消除因人员、设备、材料、工艺方法、环境的改变对产品的性能产生影响，提高产品质量及生产效率。

参考文献

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[2]侯帅昌，张相宁，霍鑫龙，米莉艳.轨道交通车辆复合材料轻量化技术与应用分析[J].机车车辆工艺，2020，（06）：10-13.

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[4]何九红.浅析节能视角下高速列车轻量化新材料应用[J].铁路节能环保与安全卫生，2020，10（05）：33-35.