纖維復合材料在軌道交通中的應用概況

江洪 張曉丹 劉義鶴

纖維復合材料具有高比強度與剛度、隔熱、耐疲勞、阻燃、耐腐蝕、可設計性強等優(yōu)點，應用于軌道交通是其未來的發(fā)展趨勢之一，而且隨著技術的發(fā)展在軌道交通方面的用量將持續(xù)上升。從20世紀60年代起，英國、日本、德國將纖維復合材料應用于列車的結構與非結構件上。例如車頭前端采用芳綸纖維增強環(huán)氧樹脂及玻璃鋼等。西歐制造鐵道車輛用的復合材料及樹脂材料占比如表1所示。

一、碳釬維材料

碳纖維是由有機纖維如粘膠纖維、聚丙烯腈纖維或瀝青基纖維在保護氣氛下熱處理碳化成為含碳量90%～100%的纖維。碳纖維復合材料根據(jù)基體的不同可以分為以下幾類：碳/碳（C/C）復合材料、碳纖維增強樹脂基復合材料、碳纖維增強金屬基復合材料（CFRM）、碳纖維增強橡膠復合材料、碳纖維增強陶瓷復合材料等。

碳纖維復合材料的比模量與比強度是目前常用材料中最高的，其密度僅為1.5～2g/cm3，為鋼的1/4，鋁合金的1/2。相比玻璃鋼材料，碳纖維復合材料的應用能使質量降低1/5以上，并且在強度、剛度及煙毒性方面都有著顯著優(yōu)勢。國內碳纖維材料雖然相較歐美起步較晚，但發(fā)展迅速。目前碳纖維增強復合材料在軌道交通領域的使用主要還是在一些零部件，如車體外殼、車頭罩、部分高速列車受電弓導流罩、城軌車輛司機室頭罩、導流罩及司機臺、裙板等。

1.車體外殼

2000年，法國國營鐵路公司采用碳纖維增強復合材料（CFRP）材料研發(fā)出雙層高速列車（TGV）掛車，以及韓國鐵道科學研究院于2010年著手研制的運營速度為180km/h的傾斜擺式列車，車體均采用碳纖維三明治復合材料構件鋁蜂窩夾芯結構，在復合層中嵌入不銹鋼骨架以改善車體的結構剛度，經大型熱壓罐整體成型得到復合車體。通過此工藝，車體總質量降低了40%，各項性能指標均完全達到設計要求，列車成功投入商業(yè)化運營。

2.車頭罩

2011年底，中車青島四方股份有限公司500km/h高速試驗車碳纖維復合材料車頭罩，采用真空導入工藝用單面模具制成。CFRP和芳綸纖維增強光纜加強芯（KFRP）鋪層設計，中間是泡沫夾芯，整體分為上下2個罩體，上下罩體間以凹槽的形式相扣，溝槽的縫隙用橡膠填充，上下連接部位仍使用碳纖維復合材料。

3.轉向架

傳統(tǒng)的轉向架多采用優(yōu)質碳素鋼、低合金低碳高強度鋼、耐候鋼等制造，用層壓方式將碳纖維復合材料疊層結構制成構件的側梁，采用纏繞成型的方式將碳纖維復合材料制成橫梁，這樣的轉向架整體比普通鋼制構架能減輕30%。例如，韓國鐵路研究院2011年設計的CFRP地鐵轉向架、德國HLD-L和HLD-300型轉向架等。

4.設備艙

箱型梁結構的彎梁與工字梁結構的橫梁是設備艙的主承載結構件。彎梁的斷面為矩形，采用CFRP預浸料交叉鋪覆設計、采用袋壓成型工藝制造，這樣的工藝得到的樣品成品率較高，制造成本可控。橫梁可以采用真空導入的碳纖維復合材料成型方式，與其他金屬件的組裝方式主要為膠接和鉚接；裙板和底板都是次承載結構件，碳纖維復合材料的成型方式可以選用模壓工藝，采用弧形芳綸蜂窩夾芯結構；端板也可以選用模壓成型工藝，采用帶加強筋的平面機構，內部使用單向布鋪層，提高端板橫縱向性能。無錫威盛新材料科技有限公司在和中車青島四方股份有限公司等高鐵企業(yè)合作后，成功研發(fā)出低煙霧低毒的阻燃碳纖維復合材料，已經通過英國BS6853軌道車輛材料防火測試標準，為國內首家。此外，該公司生產的碳纖維工字形主承載力結構件已于2015年成功應用于高鐵車輛中。日本1999年將CFRP復合材料應用鐵道綜合技術研究所與東日本客運鐵道公司聯(lián)合研制的CFRP高速列車車頂與E4司機室，每節(jié)車廂質量降低了300～500kg，占比達30%，并且在噪聲、車體震動以及形變方面都獲得大幅改善。在柏林軌道交通展上，日本川崎重工展出的CFRP構架邊梁，相比傳統(tǒng)材料的金屬梁，質量降低了40%，并且結構得到了簡化。

5.其他零部件

德國Voith公司研發(fā)出的碳纖維增強復合材料過渡車鉤，總質量僅為23kg，相比鋼鐵車鉤質量降低了50%。其結構簡單緊湊，一個工人即可進行安裝。碳纖維剎車片制動噪音低；制動曲線平穩(wěn)，可接受更多的制動摩擦熱沖擊；耐磨性好，磨損率低于鋼纖維剎車片；耐腐蝕性強。例如，日本新干線、法國的TGV高速列車制動及德國Knoor Brems公司的高速列車碳纖維復合材料盤型制動器。

二、玻璃纖維復合材料

新型玻璃鋼材料比傳統(tǒng)金屬材料密度更低，是鋼材的1/4～1/5，鋁合金材料的2/3。其機械強度與剛度均高于傳統(tǒng)金屬材料，并且具有良好的阻燃、隔音性能，得以在軌道交通應用中普及，并迅速發(fā)展。表2列舉了現(xiàn)階段軌道交通列車中傳統(tǒng)金屬材料與玻璃鋼材料在室溫下的性能對比。

司機室頭罩一般采用整體式非飽和聚酯玻璃鋼材料的泡沫夾芯結構，與車體采用膠結方式連接。制作工藝為手糊。國內地鐵車輛頭罩厚度34mm，中間泡沫芯材料厚度25mm，2側采用玻璃纖維增強復合材料，厚度4.5mm，由玻璃纖維表面氈、短切氈、方格布作為增強材料。玻璃鋼面板增強材料有預浸料、纖維布、纖維氈等多種形式，由多層復合制出，力學性質隨纖維鋪放角度呈現(xiàn)各向異性。

國內地鐵客室座椅椅面通常采用不飽和聚酯或酚醛樹脂。對比酚醛樹脂玻璃鋼和不飽和聚酯玻璃鋼，可知酚醛樹脂玻璃鋼力學性能優(yōu)于聚酯玻璃鋼。

接觸軌牽引網系統(tǒng)是傳統(tǒng)的供電牽引模式，中國北京、武漢、臺灣和新加坡等國家和地區(qū)也采用了該模式。玻璃鋼接觸軌防護罩也已經成熟，中材科技膜材料公司研制的城市軌道交通用玻璃鋼接觸軌防護罩產品性能滿足沖擊強度≥700J/m，彎曲強度≥350MPa，電擊穿強度≥5.5kV/mm，并具備良好的耐燃性。國內地鐵還廣泛應用玻璃鋼材料被制作門立柱罩、司機操縱臺、客室側墻板、受流器等零部件。

瑞士辛德勒公司采用絲纏繞技術制造出玻璃纖維增強塑料整體客車車廂。其專門設計的纏繞機全長25m，有效纏繞長度15m，最大直徑3.8m。材料制備速度快，制造僅用了8天時間，相比鋼鐵材料，使客車總質量降低了10%。意大利ETR500型高速列車，采用了Kevlar芳香族聚酰胺纖維/環(huán)氧樹脂制成的新型復合材料。對于長時間穿越隧道的列車，司機室則要求用阻燃性酚醛樹脂制造。38LeShttle列車穿越英吉利海峽隧道，其司機室重240kg，是最大的手糊型酚醛樹脂制品代表。

三、芳綸纖維復合材料

芳綸復合材料具有阻燃、強度高、耐高溫、絕艷等級高、耐潮耐腐蝕、物理化學性質穩(wěn)定等性質。在高速列車的電機、變壓器、列車車體、零部件等都獲得廣泛應用。

1.芳綸紙

芳綸紙極限氧指數(shù)>28，阻燃性非常好，不會燃燒，不釋放毒氣；耐熱性好，縮小變壓器冷卻空間，從而減小變壓器尺寸；耐潮，延長電氣設備使用壽命。目前我國的煙臺民士達特種紙業(yè)股份有限公司、上海圣歐集團有限公司等公司都推出了成熟產品，但高端產品仍然被美國杜邦公司壟斷。

（1）列車變壓器

芳綸紙、紙板可以與R-temp、Midel、硅樹脂等一起構成形成耐高溫絕緣系統(tǒng)，此種絕緣系統(tǒng)已經在路旁式配電變壓器和鐵路系統(tǒng)牽引配套設備中得到應用。美國Acela Express高速列車應用了Nomex絕緣系統(tǒng)變壓器，和常規(guī)變壓器相比體積減少了約20%，并且簡化了維修工作量，增加了使用的安全性。

在牽引變壓器的制造中，采用芳綸絕緣紙代替部分普通絕緣紙，能將變壓器容量等級降低，從而減小電氣設備的運營成本。

此外，在變壓器線圈高溫部分采用紙板和芳綸紙形成混合絕緣，其他部分采用纖維素絕緣紙。我國成都鐵路供電系統(tǒng)利用13.5MV的混合絕緣整流變壓器替代了之前10MV的常規(guī)變壓器，使得運營成本得到大幅降低。

（2）列車電機

隨著我國鐵路電器化以及地鐵的快速發(fā)展，電機電壓等級、功率、容量、性能逐步提高，間位芳綸絕緣紙的需求也隨著大幅增加。在電動機、發(fā)電機等設備中，芳綸紙廣泛被用作槽絕緣襯底、楔塊頂、中部撐條，導線包紙、相絕緣、整流子V形環(huán)、極片等。天津華之陽特種線纜有限公司的新型封閉式電機引接線，結構包含金屬導體、外編織層、內編織層和繞包層。其外編織層全部使用芳綸復合材料，滿足封閉式電機在高溫高壓的制冷劑及潤滑油環(huán)境中使用的要求。

2.芳綸蜂窩夾層材料

芳綸蜂窩夾層材料是利用芳綸紙經過切紙、涂膠、熱壓、拉伸、疊合、浸膠、定型、切片等工藝制造的材料。將碳纖維面板、玻璃纖維面板、鋁板等貼合在芳綸蜂窩表面，可制成芳綸蜂窩夾層材料。美國BART地鐵、意大利的ETR-500和德國Thyseen磁懸浮列車均大量采用這種結構。

一般列車內部配件，如車窗內飾板、小便池、水箱、車前頭改板等通常由玻璃纖維和阻燃聚酯樹脂制造。而芳綸憑借質量輕、易于加工的優(yōu)勢，逐漸在列車內部設備及輔助件上獲得應用。

以SM3動車組為原型，意大利已經掌握了CRH5動車組技術，為將Nomex蜂窩夾層材料技術應用到列車內部裝飾材料鋪路。CRH5型動車的客室墻壁、頂板、車窗等部件都使用的Nomex蜂窩夾層材料。

芳綸蜂窩材料在高速列車的主承載件也獲得大量應用。意大利ETR500列車車頂采用碳纖維材料與玻璃纖維織物增強酚醛樹脂預浸料制成的夾芯結構面板，并用12.5mm厚的芳綸纖維蜂窩復合材料作為芯材，采用真空袋壓和熱壓罐成型技術制造出了復合材料夾芯結構車頂，相比原來質量減少了約50%。美國佛羅里達迪士尼樂園有軌車在利用復合材料進行重新設計與制造后，載客量獲得增加。這種復合材料由碳纖維材料、蜂窩結構、玻璃纖維材料以及環(huán)氧酚醛樹脂組成，自重降低40%以上，成本比鋁材減少了9%。

四、結語

纖維復合材料從小的裝飾件到全復合材料的高速列車的應用，表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢及其在軌道交通領域的廣泛應用前景。我國的纖維復合材料在為研發(fā)高速軌道車輛、提供衛(wèi)生間、車門等車體設備和配套件的基礎上，還要深入開展材料基礎技術的研發(fā)與產業(yè)化工作，以更好促進我國高速軌道交通事業(yè)的發(fā)展。借助并抓住當前軌道交通繁榮期的契機，我國纖維復合材料必將取得突破。