纤维复合材料在轨道交通车体中的发展研究*

张 海，魏 薇，钱若霖

(陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

近年来，我国轨道交通产业发展迅速，从2004年高铁技术引进和启动以来，中国轨道交通发展迅猛，以市场换技术的同时进行战略性投标，完成了对于高端制造技术的“引进、消化、吸收、再创新”的过程[1]。根据“十四五”现代综合交通运输体系发展规划，在设施网络方面，2025年铁路营业里程达16.5万公里，平均每年新增3800公里，其中高速铁路营业里程达5万公里，平均每年新增2400公里，城市轨道交通运营里程达10000公里，平均每年新增680公里。未来轨道交通发展对轨道交通车辆的需求，仍然保持在较高的水平。

车体是轨道交通中车辆中最重要的组成部件之一，是容纳乘客和司机驾驶（对于有司机室的车辆）的地方，又是安装与连接其他设备和部件的基础。轨道交通车体是车辆结构的主体，也是耗费材料最多的部分，据测算一般车体承载结构的重量约占车辆自重的20%～25%。因此，分析轨道交通车体材料选择的影响因素，研究车体材料的发展对轨道交通行业具有重要的意义。

1 影响轨道交通车体材料选择的因素

车体的结构形式、性能和技术经济指标主要取决于车体材料。因此对车体构件和内部装饰所使用的材料应当注意考虑诸多因素。

1.1 强度和刚性

车体作为轨道交通车辆的受力结构，设计时必须有足够的强度和刚性，以保证车辆的使用寿命，以及满足装置安装和使用的要求。除了车体的外部形状以外，车体材料是决定强度和刚性的决定性因素。不同的材料有不同的机械性能，金属材料具有较强的强度和刚性，早期车体基本上都应用的是金属材料，随着材料技术的不断发展，逐渐出现了机械性能更好的复合材料替代了金属材料的使用。

1.2 载荷

车体载荷可分为静载荷和动载荷，静载荷主要包括车身重量和车身的有效载重，动载荷是车辆运行过程中受到的各方面的冲击力，动载荷在不断的变化。车体重量、车体的载重以及车体的抵御冲击力的能力跟车体材料有些密切的关系。车体材料密度越小，车体重量就相对越轻；车体材料的强度和刚性越好，载重能力和抵御冲击力的能力越强。车体轻量化主要集中在车身重量的减少，得益于高强度和刚性的低密度材料发展。

1.3 耐候性

耐候性是车体使用寿命的重要指标，轨道交通车辆长期在室外运行要受到气候的考验，温度变化、风吹雨淋、阳光照射等不同程度会对车体的强度和使用性质造成比较大的影响，材料的耐候性越好，说明其使用过程中的稳定性越好，不易受到外界条件变化的影响而导致性能衰减造成较大的安全隐患。因此车体材料选择时对车体耐候性有较高的要求。

1.4 经济性

经济性主要是指资源投入和使用过程中的成本节约水平。轨道交通车辆生产制造过程，车体材料的价格和材料加工的难易程度会影响车辆的造价。为了投入较少资源产出较大利益，车体材料一般选取价格相对便宜、加工难度不大的材料。同时，车体材料也会影响后期维修保养的难易程度，进而影响投入生产运营后的维保成本，因此车体材料也要选择易于维修的材料。

1.5 舒适性

车体是容纳乘客和司机驾驶（对于有司机室的车辆）的地方，对于舒适性有较高的要求，尤其是在隔热、隔音、减震方面。车体材料的物理和化学性质不同，隔热能力、隔音效果和减震作用各有不同。为了提高车体的舒适性，在选取材料时结合物理化学性质，优先选取隔热能力强、隔音效果好、减震作用明显的材料。

2 传统轨道交通车体材料的分析

2.1 钢材料

轨道交通车辆车体材料早期使用的是普通碳素钢。碳素钢是近代工业中最早使用并且用量最大的基本材料。碳素钢的性能主要取决于含碳量，随着含碳量增加，钢的硬度和强度升高，但是可塑性、柔韧性以及可焊接性逐渐降低。碳素钢的价格低廉，适用范围广、用量大，早期多用来制作轨道交通车辆车体，但是其耐腐蚀性和耐低温的性能不足，淬透性稍差。在海洋气候性的沿海区域和高原区域，车体容易腐蚀和受损，使用寿命比较短。随着材料学的不断发展，碳素钢逐渐地被替代。

耐候钢即耐大气腐蚀钢，其由普通钢加入少量铜、镍等元素，其耐大气腐蚀性能以及涂装性能优于普通碳素钢，耐候性为普碳钢的2～8倍，具有较强的塑性。但是其密度较大，制造出来的车体重量大，导致轨道交通车辆自重大，不利于车辆提高运行速度，同时，也造成了轨道交通牵引能耗的增加。尽管耐候钢耐腐蚀性较碳素钢有较大提升，但由于作为钢材料本身易氧化的特性，仍然不能满足轨道交通车辆运行的复杂环境。

不锈钢即不锈耐酸刚，是一种添加合金元素而耐腐蚀的钢，其最显著的特征就是高含量的铬，铬金属的含量至少为10.5%。当不锈钢暴露在空气中，铬元素会迅速氧化，可提升其耐腐蚀性。不锈钢还具有较高强度，冷加工性能好，但不能热处理强化，不能采用电弧焊，只能使用点焊工艺，其气密性比较差，不适用于高速行驶的轨道交通车辆。

钢材料不管有多少种类，其都离不开铁元素，而铁元素本身密度比较大，耐腐蚀性比较差，加工工艺以及材料处理手段的更新迭代，都不能从根本上解决其密度大和易腐蚀的特性。

2.2 铝合金

铝合金是以以铝为基本材料添加一定量其他合金化元素的合金，密度较小，约为2.7g/cm3，而不锈钢的密度是7.64～8 g/cm3，约为铝合金的3倍，具有较高强度，抗拉强度为110～650 MPa，接近高强度钢（270～700 MPa）；抗腐蚀性较强，在与空气接触时表面能够形成一层致密的三氧化二铝保护膜，在氧化膜的保护下能够防止腐蚀。同时，铝合金易于加工、制造和维护。随着金属加工工艺的发展和应用，挤压工艺、压铸工艺等不断涌现，以及铝焊接技术的不断提高，制造铝合金轨道车车身的密封性也比钢制车体提升了很多[2]。

铝合金呈现的重量轻、强度高、耐腐蚀性好、成型性好和成本相对较低等相对平衡的性能（如表1所示），十分适合用于工业生产的材料。铝合金最早主要应用于航空工业，直到20世纪80年代，随着轨道交通运行速度的提升，开始用于制造轨道交通车辆。到目前为止，已大规模应用于时速200km/h以上的轨道交通车辆车体，如中国CRH高速动车、德国ICE系列高速动车、日本新干线、法国双层TGV高速动车等。铝合金作为轨道交通车体材料正在快速发展和广泛应用。在过去十多年的时间，铝合金制车身逐渐替代了钢材料车身，轨道车辆向着更轻型和更节能迈进。

表1 不同轨道交通车体材料特性对比Table 1 Comparison of characteristics of different rail transit body materials

但是铝合金本质上还是金属，金属在现代加工工艺和铸造工艺的基础上，可以扬长避短，尽最大可能发挥金属的优势，但综合性能受制于金属材料本身的物理特性，在密度、强度、耐腐蚀性、加工等方面很难有质的飞跃，必须寻找其替代品，脱离金属本身的特性。在此背景下，纤维复合材料应运而生。

3 纤维复合材料的发展分析

3.1 纤维复合材料的介绍

纤维复合材料是由增强纤维材料，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等，与基体材料经过缠绕、模压、拉挤等成型工艺而形成的复合材料[1]。与传统金属钢、铝合金等材料相比，纤维复合材料可以根据设计需求，进行个性化订制。通过不同基体和增强材料的选择，不同比例的调配及采用不同的成型工艺，可以得到综合性能不同的的新材料，比如良好的耐腐蚀、耐磨、隔音、隔热、减振降噪、强度高等性能，而传统的单一材料受制于本身材料的各种物理特性，即使通过添加不同金属调配，也很难有质的变化。表2列出了不同材料的密度和抗拉强度数据。

表2 不同材料的密度和抗拉强度Table 2 Density and tensile strength of different materials

3.2 纤维复合材料的特点

纤维复合材料在轨道交通车体材料应用，有以下四个特点。一是良好的力学性能，由表2看出，其抗拉强度普遍比传统金属材料高一个数量级。二是符合轨道车辆轻量化的发展需求，密度较小，纤维复合车身的重量较轻，在不降低安全性的情况下，复合材料是最有效的方案。三是相对成本较小，尽管材料研发和生产初期成本较高，但轨道交通不仅仅包含生产制造还包括长周期的运营。一方面使用轻量化的车体材料可以降低车辆的能量消耗，降低运营成本；另一方面复合材料具有较强的抗疲劳性能、耐腐蚀性和抗拉强度等性能优于传统金属材料，因此后期车辆保修和检修的周期可以得到延长，运营维护成本可以大大降低，从整个轨道交通车辆的全生命周期来衡量，复合材料可以有效降低成本。四是具有较强的可设计性，通过复合材料基体、增强体的选择和改变材料的成型工艺等措施能够满足各种设计需求。五是具有良好的可靠性和安全性，复合材料具有较强抗疲劳性能和缺口敏感度，在剧烈震动的工况下，强度不会出现剧烈下降，即使材料结构件出现缺口，在振动和冲击下，不会导致缺口因长期的变载荷而蔓延损伤，而是材料中的应力会向邻近层转移。这也是复合材料的零件使用寿命优于传统金属材料的重要原因之一[3]。

3.3 纤维复合材料的应用

纤维复合材料主要有碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料[4]、芳纶纤维复合材料等几种应用。目前，轨道交通车体材料主要是碳纤维的应用，国际上碳纤维复合材料研究起步比较早，日本的新干线N700系列在制造车体的分车体蒙皮和客车窗框使用了碳纤维，法国采用碳纤维和玻璃纤维等复合材料生产了双层TGV挂车，德国西门子在新开发的列车车体侧部使用了碳纤维，韩国TTX摆式列车车体采用碳纤维复合材料制作[5]。国内发展方面，2018年1月，中车长春轨道客车股份有限公司在轨道交通领域研制出具有完全自主知识产权的世界首辆全碳纤维复合材料地铁车体，车身重量较金属车身减重了35%[6]。截至目前，纤维复合材料在轨道车辆的应用尚处于起步研究阶段，在成本、工艺、设计、材料等诸多条件的限制下，未来其发展和应用还有很长的路要走[7]。

4 轨道交通车体材料的发展趋势

轨道交通车体的选材是关系轨道交通运营的“安全、可靠、快速、轻量、经济、适用”的重大因素之一。因此，未来车体材料和加工工艺会不断变革和发展，具有可设计性的纤维复合材料会逐渐被大规模地推广和应用。

4.1 轻量化

轨道交通是一个复杂的系统，在高速移动的过程中，与接触网、轨道、空气发生复杂的耦合关系。车体轻量化不仅可以减少牵引动力的损耗，而且可以减少车辆转向架和轨道线路的磨耗，延长车辆的使用寿命，带来较大经济效益。传统金属材料密度降低，同时也会影响车体结构刚度、强度、气密强度等车辆性能，并不能完美解决轻量化的问题。纤维复合材料可以在降低材料密度的同时，保持材料较高的强度。未来，车体除了在结构和工艺方面不断变革，纤维复合材料是解决车体轻量化的最有效途径。

4.2 舒适性

轨道交通除了货运车辆以外，客运轨道交通都是为人服务。随着各种出行方式的快速发展，运输需求量方面已经可以得到充分满足，人们越来越多关注运输途中的舒适性问题。轨道交通运输途中的噪音和振动是影响乘车体验的关键性因素。随着纤维复合材料的发展，可以通过工业设计赋予材料“减震隔噪”的特性有效解决这一问题，进而提高轨道交通的舒适性。

4.3 安全性

安全是轨道交通运输的生命线，而车辆安全最关键的就是车体保护，车体材料是影响保护的关键因素。纤维复合材料通过设计不仅可以增强车体强度，同时可以吸收撞击的冲击力，在剧烈撞击过程时，通过车体缓冲保护可以减少人员伤亡和财产损失。

4.4 环保化

截至2021年末，国内铁路客车7.8万辆，铁路货车96.6万辆，城市轨道交通车辆5.73万辆[8]，轨道交通车辆生产制造随着城市轨道交通、市郊铁路和高速铁路不断发展，以及轨道交通车辆的更新和迭代数量也在不断攀升，未来轨道交通车辆仍然有较大增长空间。纤维复合材料车体自重低，能量损耗少，在生产加工中，对环境污染小，车体材料结实耐用，使用寿命长，回收和利用的成本低，符合绿色低碳的可持续发展理念[9]。

5 结语

轨道交通车体材料发展经历了从钢材料到铝合金、纤维复合材料的持续演变，逐渐呈现多元化发展趋势。轻量化、提高舒适性和安全性、环保化的轨道材料是轨道交通车辆发展不变的旋律，未来将会有各种各样的纤维复合材料应于轨道交通车体制造中，替代单一的传统金属，为轨道交通发展注入新的活力。