轉載-高鐵用碳纖維複合材料的輕量化應用案列

從上世紀八十年代的日本新幹線，到近幾年作為製造業品牌化發展的中國高鐵新技術，碳纖維複合材料應用於高鐵製造中的步履緩慢，即便在發達的西歐，高鐵中使用碳纖維複合材料的比重也不超過20％。這是因為，在材料選擇與應用過程中，必須充分考慮高速列車強度要求高，抗疲勞強度大，需要耐碰撞、耐衝擊、耐風沙磨損、耐溫差和濕度變化，減振隔音效果好，隔熱性和防電磁輻射性能優良，振動模態匹配複雜、壽命長等各種因素。碳纖維雖然具有種種優勢性能，但是面對上述問題時，在實際的應用中仍顯得比較保守。本文就高鐵用碳纖維複合材料的輕量化應用途徑，總結出以下幾個方面的案例：

車體外殼

車體的作用是安裝基礎和承載骨架，現代動車組車體均採用整體承載的鋼結構或者輕金屬結構，以實現在最輕的自重下滿足強度和剛度要求。採用碳纖維三明治複合材料構件鋁蜂窩夾芯結構更容易實現輕量化，在複合層中嵌入不鏽鋼骨架來改善車體的結構剛度，經大型熱壓罐整體成型得到複合車體。與傳統鋁合金車體相比，複合材料車體外殼總質量降低40％，車體的靜強度、抗疲勞強度、防火安全性、模態特性等各項性能指標均能滿足設計要求。底架則需採用不鏽鋼，以便安裝電氣設備，易改性也高。碳纖維複合材料車體與不鏽鋼底架建採用了鉚接、膠接及焊接相混合的連接形式。例如，2010 年投入商業化運營的韓國TTX（Title train eXpress）擺式列車、法國的的TGV 雙層車體。

車頭罩

採用真空導入工藝用單面模具製成，採用CFRP 和KFRP 鋪層設計，中間是泡沫夾芯，整體分為上下兩個罩體，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複合材料。用碳纖維複合材料製成的車頭罩抗衝擊性能和力學性能突出，能耐住1kg 鋁彈的660km/h 高速撞擊和350kN的靜載荷，阻燃性能達到DIN5510 標準S4 級。成功案例有中車青島四方2011年生產的500km/h 高速試驗車。

轉向架

轉向架的構架是高鐵上特別重要的高強度部件, 是能相對車體迴轉的一種裝置，起支承車體、轉向和制動的作用，並保證機車車輛在軌道上安全平穩地運行。作為關係到整個車輛安全性的主承載件，轉向架的性能必須滿足安全?運行舒適以及耐磨損?易檢修等多種要求?傳統的轉向架多採用優質碳素鋼、低合金低碳高強度鋼、耐候鋼等製造，用層壓方式將碳纖維複合材料疊層結構製成構件的側梁，採用纏繞成型的方式將碳纖維複合材料製成橫樑，這樣的轉向架整體比普通鋼製構架能減輕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。

受電弓滑板

受電弓滑板是機車供電系統重要集電元件，通常有碳滑板、金屬滑板、浸金屬碳滑板和粉末冶金滑板，國際上多採用碳滑板，如德國ICE 和法國TGV。浸金屬碳滑板既有碳材料的自潤滑性，又兼具金屬材料集電、強度和抗衝擊力高的特點?但是碳纖維-金屬複合材料滑板與之相比，優勢則更加明顯，碳纖維-金屬複合材料滑板在集電、潤滑、抗撞擊性能方面都超過現有的金屬滑板、碳滑板、浸金屬碳滑板和粉末冶金滑板，其應用前景十分廣闊?

車內裝及設備

這部分包括車廂裝飾板、廁所、盟洗室、座椅、水箱、車前頭蓋板、雙層客車兩端車頂板等部位。一般以鋁合金和高分子材料為主，如裝飾板採用鋁合金上疊合一層阻燃性的纖維增強塑料，除了阻燃性之外，廁所?盟洗室?座椅及水箱還要考慮到衛生和耐腐蝕性，在這一塊，碳纖維複合材料的應用難度主要體現在造價方面，如果能大範圍使用，輕量化的效果還是很明顯的，技術難度也不是很高。

過渡車鉤

用碳纖維增強複合材料做成的車鉤結構緊湊，比鋼鐵過渡車鉤減重50％。例如，德國福伊特（Voith）研製的用於故障列車牽引操作使用的攜帶型過渡車鉤。

剎車片

用碳纖維製成的剎車片制動曲線平穩，可接受更多的制動摩擦熱衝擊，制動噪音低。耐磨性好，磨損率低於鋼纖維剎車片，耐腐蝕性強，延長了剎車片的壽命。例如，德國Knoor Bremse 公司的高速列車碳纖維複合材料盤型制動器、日本新幹線、法國TGV 高速列車制動。

設備艙

屬於箱型梁結構的彎梁是設備艙的主承載結構件，斷面為矩形、採用CFRP預浸料交叉鋪覆設計，採用袋壓成型工藝製造，得到的樣品成品率較高，製造成本可控；工字梁結構的端部橫樑，同樣是設備艙的主承載結構件，可以採用袋壓模壓一體成型方式，與其他金屬件的組裝方式主要為膠接或鉚接；裙板和底板都是次承載結構件，碳纖維複合材料的成型方式可以選用模壓工藝，採用弧形芳綸蜂窩夾芯結構；端板也可以選用模壓成型工藝，採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。例如上海晉飛在2015年成功開發標動輕量化碳纖維設備，部件包含：碳纖維裙板、碳纖維底板、碳纖維端部橫樑、碳纖維彎梁等，並且通過抗衝擊強度、振動衝擊(IEC61373-2010)、防火(DIN5510-2：2009)、抗疲勞等各項性能指標測試；

結語：碳纖維複合材料既可以應用於列車內飾、 受電弓和設備艙等非承載、次承載部件，又可以應用於車體、轉向架這類主承載部件。 如果實現全面採用CFRP等複合材料的中長期規劃發展， 以每年 3000 列機車計算，車體對 CFRP 的需求量為 156240 t/年，轉向架構架需求 40320 t/年，內飾用量為 40725t/年，整車共計276832 t/年。除此之外，考慮城軌、地鐵的應用情況，CFRP 等複合材料的用量將增加一倍以上，即使保持多樣性選擇，僅部分車輛使用，需求量依然驚人。如此巨大的需求規模將促進新產業的發展，提高高速列車的技術水平。

當前中國正處在軌道交通建設的繁榮時期，已經成為世界上最大的城市軌道交通市場。 這是一個嶄新的、大有可為的應用領域，應抓住這一契機，建立產、學、研、用一體化研究平台，深入研究具有自主知識產權的複合材料製造技術及其批量化產品，進一步推動 CFRP在軌道車輛領域的大規模應用，特別是在大型、複雜、通用的承載結構件上應用，促進我國高速軌道交通事業的發展。

本文章只代表筆者個人觀點，如有問題，歡迎評論指正

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！