抓住建設城市軌道交通契機--推動復合材料產業發展
隨著我國經濟和城市建設的發展，城市人口和城市數量劇速增長，城市交通越來越受到人們關注，人們探索通過顯著改善城市交通促進經濟發展，激發城市活力和提高居民生活質量的途徑。參照國外解決都市交通的成功經驗，就是建設以大容量快速軌道交通（地下鐵道、高架輕軌、以及獨軌交通等）為主體，配以其它形式交通工具，彼此協調配合，形成一個綜合的包括地面、高架和地下的立體城市公共交通網絡。我國政府早就重視發展軌道交通緩解大城市交通問題。1985年發布的技術政策藍皮書中就提出100萬人口以上的城市到2000年時要建成城市軌道交通。國務院（1993）20號文指出“特大城市要逐步建成快速軌道交通和地鐵”。建設大容量快速軌道交通系統，形成綜合性的立體城市公共交通網絡是解決大城市交通擁擠問題的有效辦法。
上海規劃中的全市軌道交通網由11條地鐵線和10條高架軌道交通線組成，共約560公里。同時上海鐵路局、公用事業局、浦東新區、閔行區、普陀區等單位都相繼提出了要建設高架軌道交通的規劃。規劃的軌道交通建設費用預計3300億元，車輛5600輛。流量將達73萬人次，小行車間隔時間為5.5分鐘，比現有的地鐵一號線行車間隔時間縮短了將近50%。到2030年，上海的軌道交通（地鐵與高架輕軌）運量約占70%以上，而地面公共汽車交通將被壓縮到30%，軌道交通將成為上海城市交通的主體，基本上達到國際大都市的格局。
在我國特別是上海城市軌道交通建設在啟動時，借鑒國外成功經驗，正確選擇軌道交通設施用材，減少材料使用上的盲目性，確保軌道交通工程先進性、高質量、低成本目標的實施，是十分重要。也為復合材料產業的發展創造了機會。
目前有軌道交通處于起始階段，許多設施制造如車輛制造尚屬空白，有的零部件上海雖有生產，但沒有圍繞軌道交通建設組成一個產品體系。有關部門和專家已經洞察到城市軌道交通發展，必將形成一個新興產業，也為相關行業帶來巨大市場，帶動一批產業，如新材料產業、機電產業等的發展復合材料就是其中之一。
一、復合材料是城市軌道交通建設的關鍵材料之一
復合材料是由基體材料（聚合物材料、金屬、陶瓷）和增強體（纖維、晶須、顆粒）復合而成的具有優異綜合性能的新型材料，是本世紀中發展迅速的新材料之一。由于它的各種性能和功能可以根據需要進行設計，通過選擇合適的基體和增強體，合適的組成配比，排列分布，充分發揮組成材料性能的優勢，獲得單一材料――金屬、聚合物、陶瓷等材料難以達到的綜合性能，如高比強度、高比模量、耐腐蝕、隔熱、耐磨……等等，為復合材料制品提供了很大的設計自由度。復合材料已在航天、航空、交通運輸、基礎建設中發揮了巨大的作用，成為這些領域產品性能提高和升級換代的關鍵材料。表1是復合材料與鋼、聚合物材料的力學性能比較。表2是用于復合材料的纖維性能，可見復合材料比一般的鋼材、高分子材料的比強度、比模量要高出1～5倍。用復合材料做成的構件，重量輕、強度高、剛性大，是一種理想的結構件。復合材料產品制造工藝多數是近終形成型，制造出的產品，不需進行機械加工，生產效率高，制造成本低。復合材料在軌道交通中有廣泛的應用，對減輕車廂重量，降低噪、振動，提高難度安全性、舒適性，減少維修……等均有重要作用。
二、復合材料在國外應用概況及在軌道交通中應用的實例
在八十年代前，復合材料主要用于航天、航空、先進武器系統等軍事領域，近十年來隨著國際形勢的變化、材料制備技術日趨成熟，生產規模迅速擴大，高性能增強纖維價格明顯下降，復合材料在交通、建筑、環保、體育用品等方面的應用已占復合材料用量的90%以上。目前復合材料及制品的產量約為600萬噸，每年仍以10%的速度在增長。以美國為例，1996年美國復合材料制品產量為146萬噸，其中在汽車|客車等交通領域用量為45萬噸，占31%。房屋建筑基礎設施30萬噸，占20%，耐腐蝕化工及環保設備20萬噸，占12%，電氣、電子設備14萬噸，船舶15萬噸，航天、航空1.4萬噸僅占1%。
復合材料已在軌道交通中廣泛應用。隨著軌道車輛綜合性能的提高，其使用材料也逐漸發生了變化。法國國營鐵路公司（SNCF）對于未來的TGV高速列車，考慮到迫切需要進一步減輕車體重量，認為只能采用復合材料的雙層TGV掛車，并進行線路運行試驗，對其耐火性、抗沖擊強度等進行運行測試。在此前他們對稱作為T1的輛樣車上進行了次計算模型考核試驗，證實了復合材料車體的制造工藝是有效的，同時也證實了復合材料車體在振動性能、透聲性能和絕熱性能方面的優點，提高了車體的舒適性。他們得出的結論，復合材料不可避免終將取代鋁合金。
在客車生產中有成效的是Schindler Waggon公司，該公司應用玻纖或碳纖維纏繞制成輕型的承載結構車體。1995年次裝于SIG活動側傾式轉向架上的3輛試驗車體在瑞士聯邦鐵路線上進行運行試驗，運行速度達到140km/h，結果令人滿意。這種車體的特點是使用纖維、樹脂和硬泡沫芯的復合材料，車體外殼內包含電纜和空氣管路，省去了內襯裝飾，只需在模具上涂上所要求的面層。它比鋁制或鋼制車體的強度大，用碳纖維復材預計可比鋁制車的重量減少25%。軌道車輛車體結構可以使用復合材料，其技術已達到實用化程度。復合材料車體結構具有重量輕、舒適度好、安全性高、成本低等優良特性，可以取代鋁合金結構進行實用化生產。
在車廂內飾件方面，日本新干線的高速客車中，采用GFRP（玻璃纖維增強塑料）復合材料制作車窗內飾、洗漱間、廁所、小便池、水箱、集便箱、車前頭蓋板；雙層客車兩端頂、兼作空調風道的天花板，餐車空調蓋板的天花板等部位亦被采用。為了減少受電弓周圍的空氣動力噪聲，而在車頂上安裝的受電弓內亦采用GFRP材料制造。在軌道交通的站臺、軌線設施中還需用大量絕緣、耐腐蝕的復合材料型材構件、制品。國外復合材料在軌道交通中的應用，我們按車輛體、軌線設施和車廂內飾件三部分分別綜述如下：
1、車輛車體
FRP復合材料在軌道交通的一些次結構上的應用在國內、國外已有多年歷史。但在車輛車體結構上的應用，目前只有國外有應用實例。
車輛車體結構的重量在整車中所占的比例較大，通常在15～30%左右。因此，提高車輛速度要解決車輛輕量化，就必須優先考慮車體結構的輕量化。過去人們習慣把鋁合金作為車體輕量化的選材料，由于車輛輕量化的要求越來越高，于是人們把目光注視到復合材料上來。
車體結構是保證安全、快速運送旅客所需空間的重要部件，必須達到以下性能和條件：
足夠的強度、高剛性；輕量化；不燃性；容易維修或不需維修；制造費用低；氣密性高。
用FRP復合材料制造軌道的車體，能達到上述條件要求。其優點概括如下：
（1）輕質高強、復合材料的密度在1.4～2.2g/cm3，它的密度僅是鋼的1/4～1/5，而強度不減??；比強度為鋁合金的2倍，是鋼的4倍，符合軌道車輛輕量化的要求。
（2）工藝簡單，成本低，可一次成型。生產設備投資費用約為鋁合金的1/30～1/40。
（3）可設計性。為車體結構的優化設計提供了廣闊自由度。
（4）耐腐蝕，使用壽命長。它具有的耐酸、耐堿、耐大氣腐蝕性，使用壽命超過不銹鋼材料。
（5）導熱系數低，只有金屬的1/100～1/1000，是一種優良的絕熱材料。它的膨脹系數小，在有溫度差下工作時所產生的熱應力比金屬小得多。此外，通過合理的選擇和改性，能容易地達到軌道車輛的防火性能要求。
（6）有抗磁、絕緣、隔音等多種性能。
FRP復合材料在國外城市軌道交通車輛中應用實例：
（1）瑞士Schindler車輛公司在漢諾威博覽會上展示了采用纏繞技術制造的泡沫夾芯三明治結構FRP整體鐵路車輛車體。該車體成型使用一臺專門設計的重35噸、長25米的纏繞機和一個重16噸、直徑3.8米的矩形模芯，電纜管和空調管在成型時敷設在泡沫層中，窗口待脫膜后切出。與鋁制車體相比，這種采用FRP整體纏繞成型的車體，可減輕車體20～25%的重量。另外用鋼或鋁制作車體，在焊接地板、車頂和側墻時需大量的手工作業，只有很少的部位可以使用焊接機器人。用本工藝可實現生產高度自動化，構件數量大大減少，使車輛制造減少計劃、設計和后勤費用，并縮短生產時間，車輛車體重量的降低，也降低了機車能源消耗和輪、軌的磨損。目前該公司對車體按標準進行一系列試驗，包括耐火實驗、車體的三點彎曲實驗和整段車體的結構承載能力實驗等，結果令人滿意。目前該公司計劃將這種車輛打入歐洲輕軌交通市場。
（2）德國Adtranz公司開發了一種命名為Regio Shuttle的FRP和金屬混合結構的客車車體。該車體采用鋼型材做車身構架（采用鋼材是因為鋼材比鋁合金容易焊接）。用酚醛FRP三明治夾芯板做車體板，車體板采用特殊的彈性粘合劑固定在鋼結構框架上。這種新設計的車體結構充分發揮了這兩種材料的長處，使這種新車體具有下列特點：
――車體的重量比傳統的車體減輕35%；
――FRP的隔音特性和車體板與鋼結構框架的彈性粘結，使車廂內非常安靜；
――車身板修理替換方便；
――由于是框架結構，可隨意安排車上座椅；
――安裝方便、快速，可減少制造、生產費用。
該公司至少獲得80輛這種新結構客車的訂單。
（3）公司為減輕軌道機車重量，解決金屬材料整體成型復雜三維結構的困難及費用高的問題，在一些軌道機車上使用FRP整體成型的駕駛室端蓋。這種駕駛端蓋采用FRP夾芯三明治復合材料，結構具有很好的抗沖擊和支持能力。
（4）英國的Intercity125是早采用FRP整體成型的駕駛室端蓋的機車之一，其芯材料使用聚胺酯泡沫，外蒙皮整體成型，內蒙皮分三件拼合，電線和各種導管固定在泡沫芯材中。采用這種方法制造的駕駛室比傳統鋼結構駕駛室重量輕30～35%，同時這種FRP整體成型的駕駛室端蓋具有很好的抗沖擊能力，能承有客觀存在重0.9kg的立方體鋼塊以350m/h的速度沖擊。
（5）意大利ETR500高速列車的車頭前突部分采用的是芳綸纖維增強環氧樹脂的FRP復合材料，用這種材料模型成型的符合空氣動力學線型要求的車頭具有優異的抗沖擊能力，當列車以300m/h速度行駛時有很好的尺寸穩定性。
（6）英國的38Le Shuttle是穿越英吉利海底隧道的電動列車，為滿足英國嚴格的海底隧道行駛列車所用的阻燃規范，該車采用阻燃性能優異的酚醛FRP復合材料做駕駛室端蓋，制品的成型重量約240kg。該制品模型時的尺寸差控制在±2mm，在工藝上克服了酚醛FRP復合材料成型時易變形的問題。
（7）德國Talbot公司將考慮今后的新概念列車Talent上使用拉擠成型的FRP復合材料側壁板取代原型車上已使用的鋁合金擠出型材。主要原因是：
1)空氣中腐蝕介質并在鋁型材的空腹中濃縮，使客車的側壁板易腐蝕。使用耐腐蝕性能優異的FRP復合材料可徹底解決側壁板腐蝕問題。
2)鋁合金擠出型材側壁板沒有好的粘結安裝方案，只能焊接，產生的焊縫影響車廂表面美觀。FRP復合材料側壁板具有多種粘接安裝解決方案，使安裝非常方便；
3)鋁合金擠出型材側壁板焊接時會產生收縮變形。FRP復合材料側壁板粘接安裝不存在此問題；
4)采用FRP復合材料粘接安裝側壁板可使車廂更為寧靜。
另外，采用拉擠復合材料而不用模塑成型復合材料，是因為拉擠型材可提供更復雜、更精確的截面積尺寸和更快的批量生產速度。
2 、軌線設施
（1）電纜槽、電纜架
英吉利海峽隧道中使用FRP復合材料電纜槽，總長度450公里，總重量超過2200噸。其技術要求、非常嚴格，要求耐蝕、防火、高強、絕緣，且外形較復雜，終選擇了FRP復合材料拉擠型材，取得了滿意的繩索果（拉擠成型工藝）。
城市軌道交通的環境條件比海峽隧道相對要好一些，對電纜槽的某些技術要求可能低一些；國內的生產設備和工藝已有一定的基礎，惟原材料選擇余地較小需要做些研究工作，或者開始時使用部分進口材料，使用國產電纜槽是完全可行的。
下圖為國外常用的架空電纜架和第三軌護套，國內也可以生產。
（2）走道格柵、護欄格柵
走道格柵、護欄格柵采用復合材料拉擠型材具有外形美觀、耐腐蝕、免維修等優點，雖然價格略高于普通碳鋼格柵，但低于不銹鋼格柵，是一種常見的復合材料制品，在國外應用普遍，國內可以生產。
（3）其他設施
復合材料與軌道交通有關的產品種類很多，如各種電器箱、防噪板、防眩板、燈罩、燈柱、電話亭、售貨亭、復合枕木等。
電器箱、防爆燈罩、普通燈罩多數采用SMC模壓工藝制作，國內已有較多應用，有取代鐵皮材料的趨勢。
FRP復合材料電話亭等車站設施國外已很普遍，一般用手工或半機械化生產。國內有的地方也出現了一些類似產品基本上是仿制品。國內制造技術上問題不大，但要有好的總體設計。
與PC板比較復合材料防噪板具有許多優點，歐洲TG公司的FRP復合材料防噪板產品，具有輕質、高強、防噪、隔音、耐蝕、絕緣、隔熱、透波、安裝容易、無需維護等優點。目前國內尚未有同類產品。這方面的發展宜引進國外技術，或者國內組織聯合研制。
3 、車輛車廂內飾件
車廂內飾件的制造要求是造型復雜和采用高比剛度的板材，其主要應用部位及部分國外車輛應用情況如下：
（1）車門 國外客車車門主要采用FRP復合材料制作。這種車門具有重量輕、強度高、使用可靠、制造方便等優點。英國XP64型客車、MKIII型客車均安裝了聚酯FRP復合材料門。法國的Mistra客車采用FRP復合材料夾層模制整體車門。前蘇聯26m長的輕型客車車門為三層夾層結構，中間填充泡沫塑料，內外殼為FRP復合材料。丹平等鐵路IR，新型電動車的車門為雙扇車門，用FRP復合材料、峰窩夾層材料及鋁框組成。
（2）車窗 法國制造的歐洲標準客車Y型車的內窗框用FRP復合材料制造。英國客車車窗裝飾外包層采用阻燃的聚脂樹脂和E玻璃纖維。日本京浜800型快車上先使用FRP復合材料整體成型的內框。日本681系電動車客室內是使用FRP復合材料多的車輛，其中就包括內窗框。
（3）座椅 國外FRP復合材料座椅較為普遍。如英國XP64型客車、MKIII型客車、法國“珊瑚號”、日本部分富車和30系地鐵車、前蘇聯二等客車等均用FRP復合材料制造座椅。
（4）客車墻板、頂板、地板 國外客車墻板一般采用FRP復合材料和泡沫塑料夾層結構。如德國漢堡高速鐵路上的客車墻板，捷克、瑞士、荷蘭等國也用FRP復合材料做客車內墻板。
英國有的客車上內頂板采用白色FRP復合材料。日本特快電動車上的內頂采用的是FRP復合材料大型部件。法國新型Mistra客車上采用FRP復合材料頂板。瑞士標準客車、奧地利BM02系列空調車側走廊頂板也都采用FRP復合材料制造。
采用FRP復合材料制造客車地板因成本高，國外只有少數采用。如英國的XP64型客車采用FRP復合材料制作地板。
（5）廁所、盥洗間、集便箱 是極易腐蝕部件，適于采用FRP復合材料制造。國外客車的廁所、盥洗間地板及集便箱大都采用FRP復合材料。德國新研制的客車衛生間大量使用FRP復合材料，其墻板、地板、便器及便器蓋均采用FRP復合材料。美國、英國、日本、荷蘭等國使用FRP復合材料整體衛生間。衛生間的頂板、墻板、地板均采用FRP復合材料制造，粘結連接為一整體。整體衛生間能可靠地保護相連接的金屬構件，使之不會產生腐蝕破壞。集便箱采用FRP復合材料制造可提高使用壽命。日本新干線車輛的集便箱由FRP復合材料制造，其結構為在FRP復合材料制橢圓形外殼周圍，用加熱方法粘接聚氯乙烯泡沫塑料，并在上面再手糊一層FRP復合材料的夾層結構。
（6）臥鋪、茶桌、行李架 日本12系14型臥車的上鋪和中鋪采用FRP復合材料制作。581系電動車的臥鋪框架也是FRP復合材料。法國的大西洋TGV-A裝用的可折疊式茶桌采用FRP復合材料制造，重量只有鋁茶桌的1/2。德國Apm123型空調客車和高速運輸的客車及一、二等混編列車都是采用FRP復合材料層壓板制造。
（7）空調風道及其他部件 德國城間運輸用的新型二等空調開敞式客車都是采用FRP復合材料層壓板制成。
另外國外客車還用FRP復合材料制造其他的小部件，如法國國際聯運用的二等客車毛巾架和垃圾箱、德國開敞式客車的窗簾框及槽等。
根據上海500km的軌線發展規劃，如果其中50%建立噪音屏障，平均每公里面軌線采用FRP復合材料40噸，總共約3420噸。上面提到的FRP復合材料部件總用量約為10000余噸。如果再考慮軌線站臺設施的FRP復合材料使用，用量將會更大。
從總體上講，軌道交通中的車輛車體、軌線設施和車廂內飾件的復合材料用量很大，為復合材料產業的發展提供了廣闊的空間。
三、結束語
上海研究開發、生產復合材料構件已有40年的歷史，在研究開發技術力量，復合材料制品生產技術設備，原材料生產等方面均有優勢，具備發展復合材料產業的良好基礎。針對城市軌道交通發展的總體要求和具體目標，以軌道交通建設項目為龍頭，采取相應的為軌道交通提供構件材料和零部件的確保措施，在為軌道交通工程的服務進程中，促進產業發展.
