碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用

碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用

摘要：碳纤维复合材料是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量新型纤维材料。本文重点分析了碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用。

关键词：碳纤维复合材料；轨道车辆；应用

随着纳米技术的发展，碳纤维作为一种新材料被发现，随后碳纤维复合材料在军事和工业领域得到了广泛应用，由于该材料具有强度高、重量轻、抗变形、耐腐蚀等优点，以及易于曲面成型的特点，该材料先在军事领域应用于战斗机尾翼、无人机螺旋叶片等重要部位。随着供应市场的扩大和成本的降低，碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用逐渐增多。

一、碳纤维复合材料优势

1、密度小。碳纤维复合材料密度一般低于2g/cm3，低于一般金属材料的密度。采用碳纤维复合材料制造车辆零部件，能有效减轻车体重量，降低能耗。

2、良好的抗疲劳性能。碳纤维复合材料是一种连续的纤维网络结构，裂纹不易在材料中扩散，提高了列车的安全性能。碳纤维复合材料还具有抗冲击性及高阻尼特性，可降低振动和车体噪声。

3、耐腐蚀性好。大多数纤维增强复合材料产品具有良好的耐腐蚀性，能很好地解决金属等材料在室外恶劣环境中的腐蚀问题，从而延长车辆使用寿命，降低维修成本。

4、热稳定性。碳纤维复合材料热膨胀系数小，稳定性好；导热系数小，仅为钢的1/100～1/200，是一种优良的隔热材料。

二、碳纤维复合材料在轨道车辆应用现状

我国对碳纤维复合材料车辆研究起步较晚，但仍取得了一些成果。2018年9月，中车长春轨道客车有限公司研发的碳纤维复合材料轻轨“光谷量子号”首次

亮相长春轨道交通展览会。目前，它已在武汉轻轨线上运营，这也是国际首列商

业运营的全碳纤维车体列车。同年，中车集团发布了由碳纤维复合材料制成的地

铁列车CETROVO，车体、转向架、司机室、设备舱大量采用碳纤维复合材料，使

司机室和设备舱重量减轻30%以上，整车重量减轻13%。2020年6月，中车青岛

四方机车车辆有限公司研制的600km/h磁悬浮列车成功试跑，大量的碳纤维复合

材料被用于车体主结构、悬浮架、车辆内饰等零部件。

除在整车级别应用研究外，现有车型还通过改造设计取代了新的碳纤维材料

结构。例如，复兴号的设备舱正在试验碳纤维复合材料的新结构和新工艺；京雄

高铁列车司机室也在进行碳纤维一体化设计。

三、碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用

1、在车辆前端车罩上的应用。传统的机车前端车罩由玻璃钢树脂制成，平

均厚度约为8mm，碳纤维复合材料由碳纤维预浸料及环氧树脂制成，层板厚度仅

为2mm，为提高材料的保温与隔音性能，将在材料内部附加2mm的泡沫，其强度

高于传统材料，但其质量仅为传统材料的2/3，对降低机车运行能耗有一定作用。由于机车需常年运行，所以车辆的使用寿命往往较高。在正常情况下，应连续使

用30年以上，这对材料的耐气候性及耐腐蚀性提出了更高要求。碳纤维复合材

料具有很强的耐腐蚀性，其化学成分稳定，在酸碱环境中，仍能连续工作很长时间，并保持优良性能。另外，由于碳纤维材料硬度、轻度高，在机车高速运行时，高速气流不会对料体产生影响。

2、在车体上的应用。目前，碳纤维复合材料在车体上的应用主要集中在车

辆的上部结构，传统车顶由大截面冷弯型钢制成，以满足车顶刚度要求。在车辆

顶部空间，经常布置许多设备，如空调和大型蓄电池等，若其刚度不够，不仅会

产生振动，而且容易发生结构性损伤，对行车安全有很大影响。另外，车顶材料

对耐腐蚀性也有很高要求，车顶经常与雨水接触，雨水通常具有高度腐蚀性，一

旦材料耐腐蚀性差，极易导致材料结构穿孔，这不仅会影响车辆密闭性，还会导

致雨水漏入车厢。可采用多个截面相同的碳纤维工字形材料制成的纵向梁进行承载，为了有效提高各截面连接处强度，可在截面连接处布置一些横向纤维。车顶

性能与传统材料车顶可基本一致，但其刚度远高于传统材料车顶，使车顶在行驶

过程中更加稳定，其重量约为传统车顶重量的一半，可有效减轻整个机车的重量，降低机车运行能耗。为了测试车顶刚度，进行了挂负载试验，结果表明，在车顶

4t负载作用下，车顶挠度仅为2mm左右，表明材料完全满足刚度要求。此外，由

于碳纤维复合材料具有良好的耐腐蚀性，在长时间雨淋中仍能保持原有材料性能，有效提高车辆使用可靠性。

3、隔音上的应用。过去，岩棉及玻璃丝棉主要用于轨道车辆的隔音降噪，

它们的重量往往很大，材料的环保性不是很好，不具备回收利用价值。在对车辆

性能、节能环保要求不断提高的背景下，越来越多的轨道车辆选择使用碳纤维丝

棉作为车辆隔音降噪的替代品，在相同的隔声降噪水平下，其重量仅为玻璃丝棉

的2/3左右。此外，该材料在耐高温方面也有很大优势，能在车辆防火方面发挥

很大作用。

4、在轨道车辆各室的应用。随着碳纤维复合材料价格的不断下跌，它已被

应用于客室墙板及乘客座椅。传统的客室墙板由4mm玻璃钢板制成，为了有效提

高墙板刚度，墙板的龙骨一般采用铝合金加固材料，这大幅增加了墙板重量，在

一些高速列车上已显得非常不合适。碳纤维墙板由3mm厚的碳纤维复合板制成，

由于其强度能满足使用要求，可避免使用铝合金加强龙骨，结构简单，制造工艺

大幅简化，整体墙板质量显著降低，表面比传统墙板光滑美观，为客户提供更好

的乘车体验。在传统的乘客座椅中，整体结构通常由塑料制成，并使用大量的钢

制零件来提高座椅的强度，不仅重量大，而且座椅刚性差，严重影响乘坐稳定性，容易损坏。碳纤维复合材料在乘客座椅中的应用主要是作为座椅的机构部分，其

平均厚度仅为3mm，重量仅为传统座椅结构的一半左右，但其强度高于传统座椅

结构，并能保证乘客乘坐的稳定性。

5、在车内受力件上的应用。在轨道车辆的内部空间中，会有许多受力件，

如门窗把手、写字板支架、门把手、滑动门导轨等。过去，这些受力件大多由金

属制成，质量往往很大，并在使用过程中，会慢慢发生腐蚀，从而影响其使用寿

命主美观。碳纤维复合材料可代替传统的金属材料制成各种类型的受力件，它们

的内部可是中空，这样这些受力件的重量将在更大程度上减轻，并且由于其强度

高于金属，因此不会影响这些受力件的使用性能。由于其较强的耐腐蚀性，在长