基于高速列车轻量化的碳纤维复合材料应用研究

高静 姜晓梦

摘要：近年来，高速列车结构轻量化已成为发展趋势。碳纤维及其复合材料因在减重和节能方面的优异特性，逐渐应用于轨道交通领域。本文阐述了碳纤维复材在技术与应用方面的现状，从高速列车轻量化发展的角度，分析了碳纤维复材的政策支持与市场前景，论述了我国对碳纤维材料的重视以及在碳纤维复材技术方面的技术突破与试验成果，阐明了发展过程中面临的挑战。

关键词：高速列车轻量化  碳纤维复合材料  技术分析  机遇与挑战

一、研究背景

碳纤维复合材料是以碳纤维为核心增强体材料与树脂、金属、陶瓷、高分子聚合物等基体材料经成型工艺制成的复合材料，相比金属材料，具有密度小、强度高、模量大、耐疲劳、耐腐蚀等多种显著的性能优势。碳纤维及其复材广泛应用于国防工业以及高性能民用领域，是一种应用前景广阔的战略性新材料。

随着中国轨道交通对安全、高速、高效、绿色、智能的追求，以及时速600公里高速磁浮、时速400公里及以上动车组、双层动车组、卧铺动车组、快速货运动车组等新产品的研制，高速列车对结构材料的轻量化、高强度、高模量等性能要求不断提升。由于碳纤维复合材料具有强度高、韧性高、重量轻等特性，可以满足高速列车对材料的指标要求，所以轨道交通用碳纤维复合材料的需求近年来不断增长。

二、技术分析

1.结构设计

在碳纤维复合材料研发全过程中，结构设计技术是核心。结构设计是指根据产品性能需求，进行合理的材料选型、结构设计、仿真分析，通过迭代优化，确定最佳的结构方案和成型工艺方案。

2.成型工艺

在碳纖维复合材料产品制造过程中，成型工艺技术是关键环节。成型工艺涉及生产效率、质量控制、成本控制等多方面因素。目前的成型工艺按自动化水平的高低，可以分为包括手糊成型、喷射成型、模压成型、热压罐成型、真空导入等自动化水平相对较低的成型工艺，以及缠绕成型、拉挤成型、树脂传递模塑成型（RTM）、高压RTM、三维编织、自动铺丝/带、热塑模压等自动化水平相对较高的成型工艺。

3.国内外技术现状

我国碳纤维研究制造最早始于20世纪60年代，在“十一五”之前，产业化关键技术一直未能突破，基本局限在实验室，加上发达国家对我国碳纤维实行技术和产品双重封锁，使我国碳纤维事业一直处于受制于人的状态。经过20年的有序发展，我国初步形成了从实验室研制到产业化的研发生产平台，形成了仿形编织、变径变厚变密度等复杂形状编织、湿法针刺工艺，建立了高强碳纤维应用评价、复合材料制备与应用体系，并培育了一批骨干企业。但整体而言，我国碳纤维复合材料的设计、制造、标准体系尚处于起步阶段，与国外相比，高性能碳纤维及复合材料在提高产品质量、生产效率、产品设计与应用技术，控制技术与成本方面落后很多。

三、应用研究

碳纤维复合材料可应用于高速磁浮、高速动车组、城轨地铁、城际车辆、货车、机车等轨道交通装备领域的大部分主要、次要承载结构及车内部件等非承载结构，减重节能效果显著。世界主要轨道交通装备企业积极开展了碳纤维复合材料应用研究与试验验证工作。

1.国外主要研制成果

韩国现代TTX列车应用了碳纤维复合材料车顶、侧墙以及端墙，满足静强度、疲劳、模态特性、防火性能等设计要求，线路运营表现良好日本川崎重工碳纤维转向架efWING在美国交通技术中心进行了4500km的线路运行试验，满足安全性要求且性能稳定。2016年，4台该转向架试用于近郊型直流电车上，已投入运营，有效降低轮重减载率，提高车辆稳定性与乘坐舒适性。英国Intercity125最早采用碳纤维整体成型驾驶室端盖，抗击能力优良。德国Voith研制的碳纤维过渡车钩，结构紧凑，减重效果显著，单人就可携带进行安装。

2.国内主要研制成果

2018年初，中车长客研制出世界首辆全碳纤维复合材料材质的地铁车体，较同类地铁金属车体减重约35%。2019年6月中车四方股份研制的下一代地铁，车体、司机室、构架及设备舱等承载部件采用碳纤维复材，相比标准配置A型车，实现整车减重13%，节能15%，是轨道机车大规模应用碳纤维复合材料的典范。2020中车四方股份研制的时速600公里高速磁悬浮列车完成悬浮架横梁、磁铁U形箱、裙板、导流罩、司机室头罩的碳纤维复材结构研制并装车，减重均达30%以上。

四、应用前景

1.拥有政策支持

自21世纪以来，碳纤维得到国家高度重视，碳纤维等新材料产业被列为国家战略产业，政府陆续出台一系列政策支持碳纤维复合材料产业发展。2021年，国务院《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出“要加强碳纤维等高性能纤维及其复合材料的研发应用”，为未来碳纤维行业的技术进步提供了良好的政策环境。碳纤维及其复合材料被列为“科技创新2030重点新材料研发及应用”重大项目实施任务方向之一。科技部正推动碳纤维及其复合材料国家技术创新中心建设，支撑碳纤维及其复合材料企业实现技术、工艺装备和产品创新。多项政策支持为碳纤维复材产业发展提供了良好的契机。

2.市场需求量大

当前中国已经成为世界上最大的城市轨道交通市场，按照“十四五”期间中国轨交新造市场需求量，考虑一定比率复合材料应用替代，预计轨道交通碳纤维复合材料需求量可达到3-5万吨/年，市场规模大，应用前景广阔。

五、机遇与挑战并存

碳纤维复合材料在轨道交通领域推广应用过程中，也面临诸多问题，主要表现在：缺乏适用于轨道交通装备领域的专用材料技术体系;复合材料的积木式验证体系与数据库尚不完善，实验室测试验证能力有待提升;低成本高效率成型技术与自动化无损检测技术有待深入研究;轨道交通装备复合材料标准基本空白;缺乏既掌握轨道交通装备设计又掌握复材技术的专业人才;复合材料的回收和有效再利用问题仍未得到有效解决。在碳纤维复材发展与应用的重要机遇期，针对上述问题，应积极思考、深入研究，推动碳纤维复合材料在轨交领域的应用和技术突破，促进我国高速轨道交通事业的发展。

参考文献：

[1]高奇，新形势下我国碳纤维产业发展探讨，2019，42（5）：58

[2]常树民，申永勇，石得春，城市轨道交通车辆轻量化设计研究，2020，No.1