高鐵用碳纖維復合材料的輕量化應用途徑

　　從上世紀八十年代的日本新干線，到近幾年作為制造業品牌化發展的高鐵新技術，碳纖維復合材料應用于高鐵制造中的步履緩慢，即便在發達的西歐，高鐵中使用碳纖維復合材料的比重也不超過20％。這是因為，在材料選擇與應用過程中，必須充分考慮高速列車強度要求高，抗疲勞強度大，需要耐碰撞、耐沖擊、耐風沙磨損、耐溫差和濕度變化，減振隔音效果好，隔熱性和防電磁輻射性能優良，振動模態匹配復雜、壽命長等各種因素。碳纖維雖然具有種種優勢性能，但是面對上述問題時，在實際的應用中仍顯得比較保守。本文就高鐵用碳纖維復合材料的輕量化應用途徑，總結出以下幾個方面的案例。

      

　　車體外殼
　　車體的作用是安裝基礎和承載骨架，現代動車組車體均采用整體承載的鋼結構或者輕金屬結構，以實現在輕的自重下滿足強度和剛度要求。采用碳纖維三明治復合材料構件鋁蜂窩夾芯結構更容易實現輕量化，在復合層中嵌入不銹鋼骨架來改善車體的結構剛度，經大型熱壓罐整體成型得到復合車體。與傳統鋁合金車體相比，復合材料車體外殼總質量降低40％，車體的靜強度、抗疲勞強度、防火安全性、模態特性等各項性能指標均能滿足設計要求。底架則需采用不銹鋼，以便安裝電氣設備，易改性也高。碳纖維復合材料車體與不銹鋼底架建采用了鉚接、膠接及焊接相混合的連接形式。例如，2010年投入商業化運營的韓國TTX（Title train eXpress）擺式列車、法國的的TGV雙層車體。

      

　　車頭罩
　　采用真空導入工藝用單面模具制成，采用CFRP和KFRP鋪層設計，中間是泡沫夾芯，整體分為上下兩個罩體，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合材料。用碳纖維復合材料制成的車頭罩抗沖擊性能和力學性能突出，能耐住1kg鋁彈的660km/h高速撞擊和350kN的靜載荷，阻燃性能達到DIN5510標準S4級。成功案例有中車青島四方股份2011年生產的500km/h高速試驗車。

      

　　轉向架
　　轉向架的構架是高鐵上特別重要的高強度部件, 是能相對車體回轉的一種裝置，起支承車體、轉向和制動的作用，并保證機車車輛在軌道上安全平穩地運行。作為關系到整個車輛安全性的主承載件，轉向架的性能必須滿足安全?運行舒適以及耐磨損?易檢修等多種要求?傳統的轉向架多采用優質碳素鋼、低合金低碳高強度鋼、耐候鋼等制造，用層壓方式將碳纖維復合材料疊層結構制成構件的側梁，采用纏繞成型的方式將碳纖維復合材料制成橫梁，這樣的轉向架整體比普通鋼制構架能減輕30％。例如，韓國鐵路研究院2011年設計的CFRP地鐵轉向架、德國HLD-L和HLD-300型轉向架等。
　　受電弓滑板

      

　　受電弓滑板是機車供電系統重要集電元件，通常有碳滑板、金屬滑板、浸金屬碳滑板和粉末冶金滑板，國際上多采用碳滑板，如德國ICE和法國TGV。浸金屬碳滑板既有碳材料的自潤滑性，又兼具金屬材料集電、強度和抗沖擊力高的特點?但是碳纖維-金屬復合材料滑板與之相比，優勢則更加明顯，碳纖維-金屬復合材料滑板在集電、潤滑、抗撞擊性能方面都超過現有的金屬滑板、碳滑板、浸金屬碳滑板和粉末冶金滑板，其應用前景十分廣闊?
　　車輛內裝及設備

      

　　這部分包括車廂裝飾板、廁所、盟洗室、座椅、水箱、車前頭蓋板、雙層客車兩端車頂板等部位。一般以鋁合金和高分子材料為主，如裝飾板采用鋁合金上疊合一層阻燃性的纖維增強塑料，除了阻燃性之外，廁所?盟洗室?座椅及水箱還要考慮到衛生和耐腐蝕性，在這一塊，碳纖維復合材料的應用難度主要體現在造價方面，如果能大范圍使用，輕量化的效果還是很明顯的，技術難度也不是很高。
　　過渡車鉤
　　用碳纖維增強復合材料做成的車鉤結構緊湊，比鋼鐵過渡車鉤減重50％。例如，德國福伊特（Voith）研制的用于故障列車牽引操作使用的便攜式過渡車鉤。
　　剎車片

      

　　用碳纖維制成的剎車片制動曲線平穩，可接受更多的制動摩擦熱沖擊，制動噪音低。耐磨性好，磨損率低于鋼纖維剎車片，耐腐蝕性強，延長了剎車片的壽命。例如，德國Knoor Bremse公司的高速列車碳纖維復合材料盤型制動器、日本新干線、法國TGV高速列車制動。
　　設備艙

      

　　屬于箱型梁結構的彎梁是設備艙的主承載結構件，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，制造成本可控；工字梁結構的橫梁，同樣是設備艙的主承載結構件，可以采用真空導入的碳纖維復合材料成型方式，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構件，碳纖維復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構；端板也可以選用模壓成型工藝，采用帶加強筋的平面機構，內部使用單向布鋪層，提高端板橫縱向性能。例如威盛新材生產的碳纖維高鐵側壁板通過樹脂改性成型后可滿足高鐵韌性、防火、阻燃等要求，并通過英國BS6853及歐盟EN45545軌道車輛材料防火測試標準。此外，該公司生產的碳纖維工字形主承載力結構件已于2015年成功應用于高鐵車輛中。

      

　　從目前國際國內的應用情況看，高鐵用碳纖維復合材料的輕量化應用途徑主要表現為以下趨勢：從車體內飾、車內設備等非承載結構零件向車體、構架等承載構件延伸和擴展；從裙板、導流罩等零部件向頂蓋、司機室、整車車體等大型結構發展。雖然從整體上看，碳纖維復合材料用量和比例正大幅提高，但是和汽車、航空等領域相比，碳纖維復合材料在高鐵中的應用才算剛剛起步，在技術合作、項目研發等方面亟需更多步伐堅定、目標明確的實際行動。
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