高铁用碳纤维复合材料的意义及轻量化应用途径

摘要

碳纤维复合材料因其优异特性在高铁制造中具有重要应用潜力。在中国高铁发展中，碳纤维的应用主要体现在实现车体轻量化和增强运行安全性。具体应用案例包括车体外壳、车头罩、转向架、受电弓滑板等多个方面。然而，碳纤维复合材料在高铁中的应用尚处于初期阶段，相较于汽车领域仍有较大发展空间。未来，碳纤维复合材料在高铁中的应用将向承载构件和大型结构发展，需加强技术合作和项目研发，推动其更广泛应用。

正文

从上世纪八十年代的日本新干线，到近几年作为制造业品牌化发展的中国高铁新技术，碳纤维复合材料应用于高铁制造中的步履缓慢，即便在发达的西欧，高铁中使用碳纤维复合材料的比重也不超过20％。这是因为，在材料选择与应用过程中，必须充分考虑高速列车强度要求高，抗疲劳强度大，需要耐碰撞、耐冲击、耐风沙磨损、耐温差和湿度变化，减振隔音效果好，隔热性和防电磁辐射性能优良，振动模态匹配复杂、寿命长等各种因素。碳纤维虽然具有种种优势性能，但是面对上述问题时，在实际的应用中仍显得比较保守。

碳纤维这种性能优越的高新材料在高铁“中国速度”中起到了不容忽视的作用，其对高铁的意义主要表现在以下两个方面：

一是实现高铁车身轻量化。碳纤维重量轻，密度仅1.78克/立方厘米，和塑料差不多，但它的强度比钢材要高7倍以上，大量使用碳纤维零部件，可以减少传统钢结构在高铁车身中所占的比重。高铁整体的超轻量化，有利于减少行驶时所受到的阻力，直接降低能耗，减少二氧化碳的排放，最终实现速度的提升。

二是增加了高铁运行的安全性。高铁的运行速度越快，对车体各部位的耐久性要求也越高，例如，2010年底，“和谐号”CRH380A在京沪高速铁路先导段枣庄至蚌埠间线路上进行联调联试和综合试验时跑出了486.1公里的时速，但这种高时速对列车轴承的冲击非常大，在冲击最高速之后，列车上的所有轴承几乎都要重新更换。虽然现在国家对高铁实行降速，但是一般的高铁时速也都在200公里以上，这就需要有强耐受力的材料保障高铁的运行安全。碳纤维材料强度高达3600MPa，特别是用碳纤维制成的方向盘，机械强度和抗冲击性相比普通材料分别提高35%和20%以上。整车强度理论上也比普通材料的车身至少强上20%-30%，同时不惧酸碱盐等化学物质的腐蚀，使用寿命长。

另外，高铁需要在较短时间内跨越温差较大的地域，从冰天雪地的哈尔滨到春意融融的广州，短时间内经历较大的温差需要保持零部件的零变形，这对普通材料来说是个巨大的挑战，但是这对于碳纤维来说，则是其强项。

下面就高铁用碳纤维复合材料的轻量化应用途径，总结出以下几个方面的案例。

车体外壳

车体的作用是安装基础和承载骨架，现代动车组车体均采用整体承载的钢结构或者轻金属结构，以实现在最轻的自重下满足强度和刚度要求。采用碳纤维三明治复合材料构件铝蜂窝夹芯结构更容易实现轻量化，在复合层中嵌入不锈钢骨架来改善车体的结构刚度，经大型热压罐整体成型得到复合车体。与传统铝合金车体相比，复合材料车体外壳总质量降低40％，车体的静强度、抗疲劳强度、防火安全性、模态特性等各项性能指标均能满足设计要求。底架则需采用不锈钢，以便安装电气设备，易改性也高。碳纤维复合材料车体与不锈钢底架建采用了铆接、胶接及焊接相混合的连接形式。例如，2010年投入商业化运营的韩国TTX（Title train eXpress）摆式列车、法国的的TGV双层车体。

车头罩

采用真空导入工艺用单面模具制成，采用CFRP和KFRP铺层设计，中间是泡沫夹芯，整体分为上下两个罩体，上下罩体间以凹槽的形式相扣，沟槽的缝隙用橡胶填充，上下连接部位仍使用碳纤维复合材料。用碳纤维复合材料制成的车头罩抗冲击性能和力学性能突出，能耐住1kg铝弹的660km/h高速撞击和350kN的静载荷，阻燃性能达到DIN5510标准S4级。成功案例有中车青岛四方股份2011年生产的500km/h高速试验车。

转向架

转向架的构架是高铁上特别重要的高强度部件, 是能相对车体回转的一种装置，起支承车体、转向和制动的作用，并保证机车车辆在轨道上安全平稳地运行。作为关系到整个车辆安全性的主承载件，转向架的性能必须满足安全、运行舒适以及耐磨损、易检修等多种要求。传统的转向架多采用优质碳素钢、低合金低碳高强度钢、耐候钢等制造，用层压方式将碳纤维复合材料叠层结构制成构件的侧梁，采用缠绕成型的方式将碳纤维复合材料制成横梁，这样的转向架整体比普通钢制构架能减轻30％。例如，韩国铁路研究院2011年设计的CFRP地铁转向架、德国HLD-L和HLD-300型转向架等。

受电弓滑板

受电弓滑板是机车供电系统重要集电元件，通常有碳滑板、金属滑板、浸金属碳滑板和粉末冶金滑板，国际上多采用碳滑板，如德国ICE和法国TGV。浸金属碳滑板既有碳材料的自润滑性，又兼具金属材料集电、强度和抗冲击力高的特点?但是碳纤维-金属复合材料滑板与之相比，优势则更加明显，碳纤维-金属复合材料滑板在集电、润滑、抗撞击性能方面都超过现有的金属滑板、碳滑板、浸金属碳滑板和粉末冶金滑板，其应用前景十分广阔。

车辆内装及设备

这部分包括车厢装饰板、厕所、盟洗室、座椅、水箱、车前头盖板、双层客车两端车顶板等部位。一般以铝合金和高分子材料为主，如装饰板采用铝合金上叠合一层阻燃性的纤维增强塑料，除了阻燃性之外，厕所、盟洗室、座椅及水箱还要考虑到卫生和耐腐蚀性，在这一块，碳纤维复合材料的应用难度主要体现在造价方面，如果能大范围使用，轻量化的效果还是很明显的，技术难度也不是很高。

过渡车钩

用碳纤维增强复合材料做成的车钩结构紧凑，比钢铁过渡车钩减重50％。例如，德国福伊特（Voith）研制的用于故障列车牵引操作使用的便携式过渡车钩。

刹车片

用碳纤维制成的刹车片制动曲线平稳，可接受更多的制动摩擦热冲击，制动噪音低。耐磨性好，磨损率低于钢纤维刹车片，耐腐蚀性强，延长了刹车片的寿命。例如，德国Knoor Bremse公司的高速列车碳纤维复合材料盘型制动器、日本新干线、法国TGV高速列车制动。

设备舱

属于箱型梁结构的弯梁是设备舱的主承载结构件，断面为矩形、采用CFRP预浸料交叉铺覆设计，采用袋压成型工艺制造，得到的样品成品率较高，制造成本可控；工字梁结构的横梁，同样是设备舱的主承载结构件，可以采用真空导入的碳纤维复合材料成型方式，与其他金属件的组装方式主要为胶接和铆接；裙板和底板都是次承载结构件，碳纤维复合材料的成型方式可以选用模压工艺，采用弧形芳纶蜂窝夹芯结构；端板也可以选用模压成型工艺，采用带加强筋的平面机构，内部使用单向布铺层，提高端板横纵向性能。

从目前国际国内的应用情况看，高铁用碳纤维复合材料的轻量化应用途径主要表现为以下趋势：从车体内饰、车内设备等非承载结构零件向车体、构架等承载构件延伸和扩展；从裙板、导流罩等零部件向顶盖、司机室、整车车体等大型结构发展。虽然从整体上看，碳纤维复合材料用量和比例正大幅提高，但是和汽车领域相比，碳纤维复合材料在高铁中的应用才算刚刚起步，在技术合作、项目研发等方面亟需更多步伐坚定、目标明确的实际行动。

来源：先进碳纤维