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表1 西歐鐵道車輛用纖維復(fù)合材料占比

一、碳釬維材料

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

碳纖維復(fù)合材料的比模量與比強(qiáng)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(fù)合材料的應(yīng)用能使質(zhì)量降低1/5以上，并且在強(qiáng)度、剛度及煙毒性方面都有著顯著優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)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(qiáng)復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)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(dǎo)流罩、城軌車輛司機(jī)室頭罩、導(dǎo)流罩及司機(jī)臺(tái)、裙板等。

1.車體外殼

2000年，法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路公司采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）材料研發(fā)出雙層高速列車（TGV）掛車，以及韓國(guó)鐵道科學(xué)研究院于2010年著手研制的運(yùn)營(yíng)速度為180km/h的傾斜擺式列車，車體均采用碳纖維三明治復(fù)合材料構(gòu)件鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，在復(fù)合層中嵌入不銹鋼骨架以改善車體的結(jié)構(gòu)剛度，經(jīng)大型熱壓罐整體成型得到復(fù)合車體。通過(guò)此工藝，車體總質(zhì)量降低了40%，各項(xiàng)性能指標(biāo)均完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，列車成功投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。

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(yàn)車碳纖維復(fù)合材料車頭罩，采用真空導(dǎo)入工藝用單面模具制成。CFRP和芳綸纖維增強(qiáng)光纜加強(qiáng)芯（KFRP）鋪層設(shè)計(jì)，中間是泡沫夾芯，整體分為上下2個(gè)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(fù)合材料。

3.轉(zhuǎn)向架

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向架多采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼、低合金低碳高強(qiáng)度鋼、耐候鋼等制造，用層壓方式將碳纖維復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)制成構(gòu)件的側(cè)梁，采用纏繞成型的方式將碳纖維復(fù)合材料制成橫梁，這樣的轉(zhuǎn)向架整體比普通鋼制構(gòu)架能減輕30%。例如，韓國(guó)鐵路研究院2011年設(shè)計(jì)的CFRP地鐵轉(zhuǎn)向架、德國(guó)HLD-L和HLD-300型轉(zhuǎn)向架等。

4.設(shè)備艙

箱型梁結(jié)構(gòu)的彎梁與工字梁結(jié)構(gòu)的橫梁是設(shè)備艙的主承載結(jié)構(gòu)件。彎梁的斷面為矩形，采用CFRP預(yù)浸料交叉鋪覆設(shè)計(jì)、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(dǎo)入的碳纖維復(fù)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(jié)構(gòu)件，碳纖維復(fù)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(jié)構(gòu)；端板也可以選用模壓成型工藝，采用帶加強(qiáng)筋的平面機(jī)構(gòu)，內(nèi)部使用單向布鋪層，提高端板橫縱向性能。無(wú)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(fù)合材料，已經(jīng)通過(guò)英國(guó)BS6853軌道車輛材料防火測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，為國(guó)內(nèi)首家。此外，該公司生產(chǎn)的碳纖維工字形主承載力結(jié)構(gòu)件已于2015年成功應(yīng)用于高鐵車輛中。日本1999年將CFRP復(fù)合材料應(yīng)用鐵道綜合技術(shù)研究所與東日本客運(yùn)鐵道公司聯(lián)合研制的CFRP高速列車車頂與E4司機(jī)室，每節(jié)車廂質(zhì)量降低了300～500kg，占比達(dá)30%，并且在噪聲、車體震動(dòng)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(gòu)架邊梁，相比傳統(tǒng)材料的金屬梁，質(zhì)量降低了40%，并且結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化。

5.其他零部件

德國(guó)Voith公司研發(fā)出的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料過(guò)渡車鉤，總質(zhì)量相比鋼鐵車鉤質(zhì)量降低了50%，僅為23kg。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，一個(gè)工人即可進(jìn)行安裝。碳纖維剎車片制動(dòng)噪音低；制動(dòng)曲線平穩(wěn)，可接受更多的制動(dòng)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(qiáng)。例如，日本新干線、法國(guó)的TGV高速列車制動(dòng)及德國(guó)Knoor Brems公司的高速列車碳纖維復(fù)合材料盤型制動(dòng)器。

二、玻璃纖維復(fù)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，是鋁合金材料的2/3。其機(jī)械強(qiáng)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。玻璃鋼材料在軌道交通應(yīng)用中得到普及，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質(zhì)對(duì)比。

表2 國(guó)內(nèi)軌道交通列車常用材料室溫性質(zhì)

司機(jī)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(jié)構(gòu)，與車體采用膠結(jié)方式連接。制作工藝為手糊。國(guó)內(nèi)地鐵車輛頭罩厚度34mm，中間泡沫芯材料厚度25mm，2側(cè)采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)材料。玻璃鋼面板增強(qiáng)材料有預(yù)浸料、纖維布、纖維氈等多種形式，由多層復(fù)合制出，力學(xué)性質(zhì)隨纖維鋪放角度呈現(xiàn)各向異性。

國(guó)內(nèi)地鐵客室座椅椅面通常采用不飽和聚酯或酚醛樹脂。對(duì)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(xué)性能優(yōu)于聚酯玻璃鋼。

接觸軌牽引網(wǎng)系統(tǒng)是傳統(tǒng)的供電牽引模式，中國(guó)北京、武漢、臺(tái)灣和新加坡等國(guó)家和地區(qū)也采用了該模式。玻璃鋼接觸軌防護(hù)罩也已經(jīng)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(hù)罩產(chǎn)品性能滿足沖擊強(qiáng)度≥700J/m，彎曲強(qiáng)度≥350MPa，電擊穿強(qiáng)度≥5.5kV/mm，并具備良好的耐燃性。國(guó)內(nèi)地鐵還廣泛應(yīng)用玻璃鋼材料被制作門立柱罩、司機(jī)操縱臺(tái)、客室側(cè)墻板、受流器等零部件。

瑞士辛德勒公司采用絲纏繞技術(shù)制造出玻璃纖維增強(qiáng)塑料整體客車車廂。其專門設(shè)計(jì)的纏繞機(jī)全場(chǎng)25m，有效纏繞長(zhǎng)度15m，最大直徑3.8m。材料制備速度快，制造僅用了8天時(shí)間，相比鋼鐵材料，使客車總質(zhì)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(fù)合材料。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間穿越隧道的列車，司機(jī)室則要求用阻燃性酚醛樹脂制造。38 LeShttle列車穿越英吉利海峽隧道，其司機(jī)室重240kg，是最大的手糊型酚醛樹脂制品代表。

三、芳綸纖維復(fù)合材料

芳綸復(fù)合材料具有阻燃、強(qiáng)度高、耐高溫、絕艷等級(jí)高、耐潮耐腐蝕、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等性質(zhì)。在高速列車的電機(jī)、變壓器、列車車體、零部件等都獲得廣泛應(yīng)用。

1.芳綸紙

芳綸紙極限氧指數(shù)>28，阻燃性非常好，不會(huì)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(zhǎng)電氣設(shè)備使用壽命。目前我國(guó)的煙臺(tái)民士達(dá)特種紙業(yè)股份有限公司、上海圣歐集團(tuán)有限公司等公司都推出了成熟產(chǎn)品，但高端產(chǎn)品仍然被美國(guó)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(gòu)成形成耐高溫絕緣系統(tǒng)，此種絕緣系統(tǒng)已經(jīng)在路旁式配電變壓器和鐵路系統(tǒng)牽引配套設(shè)備中得到應(yīng)用。美國(guó)Acela Express高速列車應(yīng)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(jiǎn)化了維修工作量，增加了使用的安全性。

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(jí)降低，從而減小電氣設(shè)備的運(yùn)營(yíng)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(guó)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(yùn)營(yíng)成本得到大幅降低。

（2）列車電機(jī)

隨著我國(guó)鐵路電器化以及地鐵的快速發(fā)展，電機(jī)電壓等級(jí)、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(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備中，芳綸紙廣泛被用作槽絕緣襯底、楔塊頂、中部撐條，導(dǎo)線包紙、相絕緣、整流子V形環(huán)、極片等。天津華之陽(yáng)特種線纜有限公司的新型封閉式電機(jī)引接線，結(jié)構(gòu)包含金屬導(dǎo)體、外編織層、內(nèi)編織層和繞包層。其外編織層全部使用芳綸復(fù)合材料，滿足封閉式電機(jī)在高溫高壓的制冷劑及潤(rùn)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(jīng)過(guò)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(guó)BART地鐵、意大利的ETR-500和德國(guó)Thyseen磁懸浮列車均大量采用這種結(jié)構(gòu)。

一般列車內(nèi)部配件，如車窗內(nèi)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(zhì)量輕、易于加工的優(yōu)勢(shì)，逐漸在列車內(nèi)部設(shè)備及輔助件上獲得應(yīng)用。

以SM3動(dòng)車組為原型，意大利已經(jīng)掌握了CRH5動(dòng)車組技術(shù)，為將Nomex蜂窩夾層材料技術(shù)應(yīng)用到列車內(nèi)部裝飾材料鋪路。CRH5型動(dòng)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(yīng)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(qiáng)酚醛樹脂預(yù)浸料制成的夾芯結(jié)構(gòu)面板，并用12.5mm厚的芳綸纖維蜂窩復(fù)合材料作為芯材，采用真空袋壓和熱壓罐成型技術(shù)制造出了復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)車頂，相比原來(lái)質(zhì)量減少了約50%。美國(guó)佛羅里達(dá)迪士尼樂(lè)園有軌車在利用復(fù)合材料進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與制造后，載客量獲得增加。這種復(fù)合材料由碳纖維材料、蜂窩結(jié)構(gòu)、玻璃纖維材料以及環(huán)氧酚醛樹脂組成，自重降低40%以上，成本比鋁材減小了9%。

四、結(jié)語(yǔ)

纖維復(fù)合材料從小的裝飾件到全復(fù)合材料的高速列車的應(yīng)用，表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)及其在軌道交通領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。我國(guó)的纖維復(fù)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(shè)備和配套件的基礎(chǔ)上，還要深入開展材料基礎(chǔ)技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化工作，以更好促進(jìn)我國(guó)高速軌道交通事業(yè)的發(fā)展。借助并抓住當(dāng)前軌道交通繁榮期的契機(jī)，我國(guó)纖維復(fù)合材料必將取得突破。

文/江洪   張曉丹   劉義鶴

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