高速動車組碳纖維復合材料應用研究

摘 要：通過對高速列車發(fā)展現(xiàn)狀和技術特點分析，結合纖維復合材料性能優(yōu)勢和產業(yè)現(xiàn)狀調研，揭示了結構與材料多元化的發(fā)展必要性，指出纖維復合材料是實現(xiàn)列車各性能平衡發(fā)展的有效途徑。詳細介紹了國內外高速動車組復合材料應用情況， 展示了中車四方股份一體化設計理念下的纖維復合材料構件應用實例，展望高速動車組復合材料發(fā)展方向，提出加快國內碳纖維復合材料在軌道交通中應用的可行性建議，以期提高國際競爭力，提升行業(yè)話語權。

引 言

世界經濟貿易往來的日漸頻繁和城鎮(zhèn)化水平的逐步提高，推動了高速鐵路產業(yè)的快速發(fā)展，世界高速鐵路達到空前規(guī)模。我國高速列車運營里程與列車保有量均占世界份額 50%以上。 目前，全國投入運營線路 54 條，總里程超過 2.05 萬公里，在線運營動車組 2 122 組（時速 350 公里 1 313 組，時速 250 公里 809 組），預計 2020 年，建成 3 萬公里，列車總量超過 3 500 組。隨著印尼、 泰國、 俄羅斯等國家高速列車項目的陸續(xù)啟動，高速列車市場進入新一輪快速發(fā)展期，巨大的市場需求為軌道交通技術的進步和新技術、新材料的推廣應用提供了良好契機。 飛速發(fā)展的中國高速列車產業(yè)應抓住機遇，推行走出去戰(zhàn)略，搶占新技術、新材料的技術制高點，不斷提升行業(yè)話語權。

隨著世界高速列車譜系的不斷完善， 用戶對個性化訂制的需求逐步成熟，并呈現(xiàn)多樣性發(fā)展趨勢。用戶在追求列車速度的同時， 開始更多地關注如何提升服務品質，如何提高列車節(jié)能性、環(huán)保性、舒適性、便利性。 而目前金屬材料制造的傳統(tǒng)結構列車在不斷提高速度的同時，加大了振動、沖擊、阻力、噪聲問題的解決難度。并且在應對諸如高原、沙漠、高溫、高寒及高海拔等復雜多變的服役環(huán)境時，現(xiàn)有材料顯得越來越力不從心。 鋁合金車體存在應力腐蝕、外表處理困難、焊接要求高、疲勞強度低的問題；不銹鋼車體存在封閉性、局部屈曲、焊接變形等問題；碳鋼車體存在易腐蝕、不利于輕量化、焊接變形大等問題。 傳統(tǒng)結構、材料應對挑戰(zhàn)的技術方案顯得不夠豐富，技術難度大，無法滿足用戶對列車綜合性能的要求。如何實現(xiàn)列車的進一步輕量化，降低軸重，平抑速度的不利因素，解決輕量化與各種性能（強度、振動、噪聲、隔熱、輻射）的矛盾，尋找列車技術性能平衡才能更好地順應發(fā)展趨勢，也是占領未來國際市場的關鍵。

在傳統(tǒng)的單組份結構材料難以滿足性能需求的情況下，結構與材料的多元化勢在必行。具有輕量化、高強度、 高耐候等優(yōu)異性能的芳綸纖維復合材料（AFRP）、玻璃纖維復合材料（GFRP）、碳纖維復合材料（CFRP）等先進材料和蜂窩夾層、泡沫夾層結構、功能層合板等復合結構在飛機、船舶等交通裝備領域的成熟工程化應用， 為解決高速列車輕量化問題提供了可行性指導。 纖維復合材料在高速列車領域的成熟運用將提高軌道車輛的綜合性能指標， 并有望系統(tǒng)解決金屬材料應用領域常見的輕量化、環(huán)境適應性等問題。世界各國圍繞如何快速推進纖維復合材料在軌道交通領域的成熟應用開展了很多研究。

纖維復合材料性能與產業(yè)現(xiàn)狀分析

為纖維復合材料與金屬材料的性能對比分析。 由表 1 可以看出纖維復合材料擁有比金屬材料更小的密度，在輕量化方面優(yōu)勢明顯， 力學性能優(yōu)異，拉伸強度和比強度高，完全可以滿足列車對材料性能的要求。 在高速列車應用研制過程中，綜合分析技術要求、材料性能、工藝、成本等因素，主承載結構優(yōu)先選用碳纖維復合材料，次結構可采用玻璃纖維復合材料等材料， 局部抗沖擊部位可考慮選用芳綸纖維復合材料。

碳纖維復合材料構件的研制與大規(guī)模采用首先要確保原材料有穩(wěn)定的性能和產能。 表 2 為國內外碳纖維等復合材料的產業(yè)現(xiàn)狀分析?？傮w來說，國外原材料及相關產品技術成熟，產能比較穩(wěn)定，產業(yè)布局充分，成本較高。 國內正處于發(fā)展期，部分材料水平接近國外，但部件產業(yè)鏈尚不完善，規(guī)模效益尚未顯現(xiàn)。在纖維復合材料結構件的試制階段，應推行國內外合作求對各型號產品進行擇并舉， 根據具體列車使用需優(yōu)選擇，積累經驗，學習先進技術，實現(xiàn)國產化產業(yè)鏈。

國外軌道交通裝備碳纖維復合材料應用現(xiàn)狀

國外纖維復合材料已在航空、船舶、汽車、體育用品等領域實現(xiàn)成熟運用，技術基礎雄厚，在材料設計結構、制造工藝、服役性能及維護等多方面積累的豐富經驗，為CFRP在高速列車領域的應用提供借鑒。國外軌道交通類企業(yè)和研究機構在前期基礎上，針對列車用的碳纖維復合材料開展了系統(tǒng)研究， 目前已實現(xiàn)眾多技術突破，積累了豐富的工程化應用經驗，應用范圍從內飾、車內設備、司機室外罩等非承載部件和次承載部件，擴大到車體、轉向架等主承載結構。

2.1 日本 CFRP 應用情況

日本在CFRP車體研制方面進行了循序漸進的探索，取得了顯著的成績。圖1為日本典型復合材料車體實例。 1999年研制的E4司機室采用CFRP復合材料，實現(xiàn)減重30%，并有效改善了變形問題，降低了噪聲和震動；2005 年在 N700 系列車上采用 CFRP 制造了車頂，減重500kg，降低重心，提高了氣密強度。

日本典型復合材料車體實例

日本在復合材料轉向架的研發(fā)方面優(yōu)勢明顯。 1989 年日本鐵路試制成功 CFRP 轉向架構架， 該構架側梁為 CFRP 層壓材料疊層結構， 板厚 16.4mm，橫梁采用纏繞成型，構架自重0.3 t，比普通鋼制構架減輕 70%，設計高時速 160 公里。 2014 年，川崎重工新研發(fā)的 efWING轉向架將剛性焊接構架改為采用碳纖維側梁的柔性構架。主承載部件側梁形似弓形彈簧，取消傳統(tǒng)二系彈簧，比傳統(tǒng)金屬側梁減重約 40% 。

日本 efWING 轉向架

2.2 韓國 CFRP 應用情況

韓國鐵路行業(yè)在纖維復合材料的應用方面也取得顯著成績。 2010 年投入商業(yè)化運營的韓國 TTX （TitleTrain eXpress） 擺式列車是碳纖維復合材料車體成功的案例，采用 4 動 2 拖 6 節(jié)編組，設計速度 200km/h，運營速度180 km/h。 TTX 列車是在法國阿爾斯通公司向韓國轉讓第二代TGV-A 高速列車成套技術后，由韓國鐵道研究院（KRRI）于 2001 年開始研制。 研究初期采用的方案為車頂、側墻及端墻采用復合材料層合板制備，底架采用中空擠壓鋁合金型材制備， 并且兩部分通過彈性膠黏劑和螺接的方式連接起來構成整體車體結構

韓國CFRP 車體研究方案

復合材料層合板是 T300/AD6005graphite/環(huán)氧樹脂， 底架選用 6006A-T6中空擠壓鋁合金型材，其屈服極限為 207 MPa。 研制初期車體性能可以達到標準要求，但隨時間推移， 車體服役穩(wěn)定性差， 底架變形逐漸增大；老化加速、彎曲剛度超標；層合板表面纖維網格移位。

后期改進方案車體制造采用復合設計理念， 車體外殼采用碳纖維三明治復合材料構建鋁蜂窩夾芯結構來實現(xiàn)輕量化，3.5 mm外板+40 mm鋁合金蜂窩+ 1.5mm 內板夾芯結構，面板為CF1263 碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料。 并在復合層中嵌入不銹鋼骨架來改善車體的結構剛度（見圖 3），經大型熱壓罐整體成型得到復合車體。與傳統(tǒng)鋁合金車體相比，復合材料車體外殼總質量分別降低40%。 車體的靜強度、疲勞強度、防火安全性、模態(tài)特性等各項性能指標完全滿足設計要求。底架采用不銹鋼便于安裝電氣設備，易改性高。碳纖維復合材料車體與不銹鋼底架則采用了鉚接、膠接及焊接相混合的連接形式。

轉向架研制方面，韓國鐵路研究院在 2011 年研制了 CFRP 地鐵轉向架（如圖 4 所示），較鋼制構架減重 30%左右（約 635 kg），目前仍在各種測試試驗階段，尚無實現(xiàn)商業(yè)運用。

韓國鐵研CFRP地鐵轉向架

2.3 歐洲復合材料應用情況

歐洲復合材料技術基礎雄厚，在軌道車輛上應用廣泛，積累了豐富的經驗，從非承載的內飾件到頭罩吸能元件、 過渡車鉤、 受電弓等零部件到司機室、車體、轉向架等大型部件均有不同程度的嘗試。

所示為歐洲典型產品。 英國 Intercity125是采用FRP 整體成型的駕駛室端蓋機車之一，芯材為聚氨酯泡沫，外蒙皮整體成型，內蒙皮三件拼合，整個司機室較傳統(tǒng)鋼結構減重 30%～35%，同時抗擊能力優(yōu)良，耐 0.9kg 鋼塊 300km/h 的沖擊。意大利 ETR500 型高速列車上，內部結構邊墻、天花板和行李艙采用高比剛度復合材料夾層板（兩層 Tedlar 聚氟乙烯塑料薄層中夾有 Nomex蜂窩芯材），頭部采用Kevlar 纖維和環(huán)氧樹脂模壓成型，剛性和抗沖擊性良好，列車時速 300 公里。 法維萊受電弓采用芳綸纖維復合材料，減重 30%～40%，空氣動力學性能良好。德國福伊特公司（Voith） 研制的 Galea 車前碰撞吸能元件， 總質量約 90 kg，滿足防火、噪聲、隔熱等要求，已用于200 km/h 以上的城際列車。此外，Voith 研制的應用于故障列車牽引操作的碳纖維增強復合材料過渡車鉤，結構極其緊湊，總質量僅23 kg，比鋼鐵過渡車鉤減重達 50%，單人就可攜帶進行安裝。

非承載件車型

歐洲的車體復合材料結構多樣， 制造工藝異彩紛呈。圖 6 為歐洲各類復合材料車體照片。龐巴迪研制的旅客捷運系統(tǒng)車體，由6 個玻璃鋼模塊組成，底架采用不銹鋼，通過膠粘和螺栓連接形成整體承載結構，總長 12 m，運行速度 80km/h，載客量100 人。 瑞士辛德勒公司應用玻纖和碳纖維繞成的車體， 車輛減重 10%，運行時速 140 公里。磁懸浮列車采用鋁板夾泡沫芯的三明治結構，可以承受350 kN 的壓縮、280 kN 的拉伸載荷。 瑞典斯德哥爾摩地鐵列車，側墻、地板和頂蓋均為不銹鋼三明治夾 PMI 泡沫芯結構，端梁嵌入在三明治結構中。側墻的總厚度減少 120 mm，增加了室內空間。

歐洲各類復合材料車體

高速列車領域以法國TGV 雙層車體（如圖 7 所示）為代表，實現(xiàn) CFRP 車體結構的重大突破。 CFRP 雙層車體標準模塊，5m/節(jié)，采用蜂窩夾層復合材料和真空袋壓固化成形，較鋁制車減重>25%，通過線路運行驗證了 CFRP在強度、沖擊、防火、降噪、隔熱等性能方面的優(yōu)點和工業(yè)可行性。

法國 TGV 雙層客車

歐洲對轉向架的壓制同樣采用材料-結構一體化設計，但僅限于研究測試階段，尚未投入大規(guī)模商業(yè)化應用。 圖 8 為歐洲試驗的轉向架產品照片。 德國 20 世紀 80 年代中期開發(fā)的 HLD-E 型轉向架是世界上臺復合材料構架（FVW 構架）的轉向架，時速 200 公里，并通過了靜態(tài)模擬試驗和耐久性試驗。隨后又相繼開發(fā)了HLD-L 型和 HLD-300 型轉向架。 2012 年，雷丁大學成功研制了 GFRP 轉向架，其構架結構為上、下兩構架型式，各包括兩根側梁和一根橫梁，各構架分別采用整體成型。

歐洲試制的復合材料轉向架

國內軌道交通裝備碳纖維復合材料應用現(xiàn)狀

國內纖維增強復合材料在軌道交通領域的應用研究起步較晚，但發(fā)展迅速，目前已完成了次承載件和零部件的研制與應用（如圖 9 所示），諸如高速列車司機室頭罩、裙板、受電弓導流罩、內飾板，低地板車的側墻和頂板，城軌車輛司機室頭罩、司機臺，城際動車組裙板等。 2011 年底在中車青島四方股份落成的 500km/h 高速試驗車上采用了碳纖維復合材料車頭罩。其抗沖擊性能和力學性能優(yōu)良，能耐住 1 kg 鋁彈的 660 km/h 高速撞擊和 350 kN的靜載荷，阻燃性能 S4 級（DIN 5510-2）。 其內飾板采用玻纖+紙蜂窩結構，減重 30%， 導流罩利用中空織物整體成型， 減重約50%。此外，四方股份與恒神共同研制的城際動車組用碳纖維設備艙裙板已于 2013 年底裝車試運行中。相比鋁合金減重≥30%，抗沖擊性能優(yōu)異（UIC-651，未擊穿），阻燃性能達到 S3，SR2，ST2 級（DIN5510-2），車體油漆劃格達到1級水平。

國內纖維復合材料應用實例

總體來說，國內從材料、工藝、結構設計、標準及驗證各環(huán)節(jié)進行了大量研究，積累了豐富的經驗，為推動纖維復合材料全方位工程化應用、提高國際競爭力奠定了堅實的基礎。

中國標準動車組設備艙實施實例

中車四方股份研制的標準動車組CFRP設備艙，采用模塊化設計結構，既可單件組裝拆卸，也可模塊整體裝卸。 CFRP在設備艙中的應用，重要的是其結構的整體化。結構整體化既是一種設計思路，也是一種制造思路，為了在工程上實現(xiàn)整體結構，應在產品研發(fā)過程中強化材料-設計-制造一體化的思想，分階段引入積木式設計流程，形成高速列車復合材料結構設計方法。在復合材料運用的積木式設計流程中，充分考慮高速列車強度要求高，疲勞強度大，耐碰撞，耐沖擊，耐風沙磨損，耐大溫差、大濕度變化，減振隔音效果高，隔熱性好，電磁輻射性能優(yōu)良，振動模態(tài)匹配復雜，壽命長等各種因素。將頂層指標分解到相應零部件，納入積木式各階段，建立高鐵產品特有的控制要素和目標域值，分流解決。

設備艙中主要采用CFRP的結構件為彎梁、 橫梁、裙板、底板和端板，如圖10所示。

CFRP 各構件

首先針對各結構件的結構及服役狀況，對其結構、鋪層設計及成型工藝進行具有針對性的設計和開發(fā)，再進行仿真及試驗驗證，以保證滿足裝車運行條件

彎梁：設備艙的主承載結構件，屬于箱型梁結構，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，得到的樣品成品率較高，制造成本降低。

橫梁：設備艙的主承載結構件，為工字梁結構，選用T300 級 CFRP，主要組裝方式為膠接和鉚接；采用真空導入技術成型。

裙板：設備艙的次承載結構件，采用弧形芳綸蜂窩夾芯結構，內側以玻璃纖維布為主，外層對抗礫石沖擊性能要求較高，選用芳綸纖維布，提高其耐沖擊性；選用模壓成型工藝。

底板：設備艙次承載結構件，采用平面芳綸蜂窩夾芯結構，對抗礫石沖擊性能要求較高，與裙板相似，因此底板的鋪層和成型工藝與裙板相同。

端板：設備艙次承載結構件，采用帶加強筋的平面結構，內部使用單向布鋪層，提高端板橫縱向性能；選用模壓成型工藝。

CFRP各構件試制完成后，對其進行仿真分析及材料和結構試驗驗證。仿真試驗包括固結強度分析、疲勞強度分析、模態(tài)分析等，材料試驗則包括基本力學性能試驗、疲勞性能試驗、抗沖擊試驗、防火性能試驗等，結構試驗包括骨架、端板、裙板等模塊的靜強度試驗、疲勞強度試驗、振動沖擊試驗等。

材料試驗中，對單層板、層合板及夾芯板進行力學性能試驗驗證，其中包括的拉伸強度、層間剪切、平拉強度等，詳見圖 12。 在不同溫度、環(huán)境下驗證樣品 4 000 余件，各項力學性能滿足設計要求。

材料力學性能試驗

選用 CFRP 底板進行抗沖擊試驗，時速 250 公里垂直沖擊樣品，沖擊后樣品如圖 13 所示。 沖擊過后底板樣品未擊穿，與鋁合金樣品的抗沖擊性能相當，滿足裝車運營要求。

底板抗沖擊性能試驗照片

對 CFRP 樣品進行防火試驗， 圖 14 為燃燒前后樣品的表面宏觀形貌，樣品在燃燒前后并無彎曲、變形、燒損等異常出現(xiàn)，滿足標準動車組對材料防火性能的要求。

防火試驗燃燒前后樣品形貌照片

按照積木式測試方法， 材料性能滿足條件的情況下對結構件進行驗證試驗， 首先對骨架進行靜強度試驗，靜載荷從 7.1 kN開始遞增加載，直至破壞。骨架承受載荷為 28 kN，安全系數(shù) 3.94。 其次對底板進行疲勞強度試驗， 疲勞載荷為±2 500 Pa 氣動載荷，1 000 萬次后樣品未發(fā)生疲勞失效。 按照 IEC61373 中 1 類 A 級進行振動沖擊試驗，試驗過后各部件無損壞、無裂縫、無松脫、無明顯變形。 結構件的整體力學性能滿足裝車運用條件。

中車四方股份首次在高速列車中進行 CFRP 大型結構件應用，相對于鋁合金結構，CFRP 的采用使設備艙減重 35%，可承受振動、地面效應及風沙沖擊和高溫、高濕、風雪侵蝕，各項指標滿足時速350 公里運營要求。 本列車已于 2015 年 6 月出廠，目前已進入大西線進行350 公里試驗考核和長期跟蹤，狀態(tài)良好。

結束語

碳纖維復合材料既可以應用于列車內飾、 受電弓和設備艙等非承載、次承載部件，又可以應用于車體、轉向架這類主承載部件。 如果實現(xiàn)全面采用CFRP 等復合材料的中長期規(guī)劃發(fā)展， 以每年 3 000 列機車計算，車體對 CFRP 的需求量為 156240 t/年，轉向架構架需求 40 320 t/年，內飾用量為 40 725t/年，整車共計276 832 t/年。

除此之外，考慮城軌、地鐵的應用情況，CFRP 等復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(guī)模將促進新產業(yè)的發(fā)展，提高高速列車的技術水平。面對挑戰(zhàn)，尚需做好以下準備：

1） 加大國家對高鐵 CFRP 復合材料應用方面的政策支持力度， 推動國家對高鐵CFRP 復合材料應用方面的項目支持；

2） 建立、完善高鐵CFRP復合材料應用相關的設計、制造、檢驗及驗收規(guī)范；

3） 鼓勵國內廠家和研究機構進行高鐵CFRP復合材料應用的戰(zhàn)略思考，積極參與產業(yè)鏈建設。

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、用一體化研究平臺，深入研究具有自主知識產權的復合材料制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(guī)模應用，特別是在大型、復雜、通用的承載結構件上應用，促進我國高速軌道交通事業(yè)的發(fā)展。