碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用
摘要：碳纤维复合材料是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量新型纤维材料。

本文重点分析了碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用。

关键词：碳纤维复合材料；轨道车辆；应用
随着纳米技术的发展，碳纤维作为一种新材料被发现，随后碳纤维复合材料在军事和工业领域得到了广泛应用，由于该材料具有强度高、重量轻、抗变形、耐腐蚀等优点，以及易于曲面成型的特点，该材料先在军事领域应用于战斗机尾翼、无人机螺旋叶片等重要部位。

随着供应市场的扩大和成本的降低，碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用逐渐增多。

一、碳纤维复合材料优势
1、密度小。

碳纤维复合材料密度一般低于2g/cm3，低于一般金属材料的密度。

采用碳纤维复合材料制造车辆零部件，能有效减轻车体重量，降低能耗。

2、良好的抗疲劳性能。

碳纤维复合材料是一种连续的纤维网络结构，裂纹不易在材料中扩散，提高了列车的安全性能。

碳纤维复合材料还具有抗冲击性及高阻尼特性，可降低振动和车体噪声。

3、耐腐蚀性好。

大多数纤维增强复合材料产品具有良好的耐腐蚀性，能很好地解决金属等材料在室外恶劣环境中的腐蚀问题，从而延长车辆使用寿命，降低维修成本。

4、热稳定性。

碳纤维复合材料热膨胀系数小，稳定性好；导热系数小，仅为钢的1/100～1/200，是一种优良的隔热材料。

二、碳纤维复合材料在轨道车辆应用现状
我国对碳纤维复合材料车辆研究起步较晚，但仍取得了一些成果。

2018年9月，中车长春轨道客车有限公司研发的碳纤维复合材料轻轨“光谷量子号”首次
亮相长春轨道交通展览会。

目前，它已在武汉轻轨线上运营，这也是国际首列商
业运营的全碳纤维车体列车。

同年，中车集团发布了由碳纤维复合材料制成的地
铁列车CETROVO，车体、转向架、司机室、设备舱大量采用碳纤维复合材料，使
司机室和设备舱重量减轻30%以上，整车重量减轻13%。

2020年6月，中车青岛
四方机车车辆有限公司研制的600km/h磁悬浮列车成功试跑，大量的碳纤维复合
材料被用于车体主结构、悬浮架、车辆内饰等零部件。

除在整车级别应用研究外，现有车型还通过改造设计取代了新的碳纤维材料
结构。

例如，复兴号的设备舱正在试验碳纤维复合材料的新结构和新工艺；京雄
高铁列车司机室也在进行碳纤维一体化设计。

三、碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用
1、在车辆前端车罩上的应用。

传统的机车前端车罩由玻璃钢树脂制成，平
均厚度约为8mm，碳纤维复合材料由碳纤维预浸料及环氧树脂制成，层板厚度仅
为2mm，为提高材料的保温与隔音性能，将在材料内部附加2mm的泡沫，其强度
高于传统材料，但其质量仅为传统材料的2/3，对降低机车运行能耗有一定作用。

由于机车需常年运行，所以车辆的使用寿命往往较高。

在正常情况下，应连续使
用30年以上，这对材料的耐气候性及耐腐蚀性提出了更高要求。

碳纤维复合材
料具有很强的耐腐蚀性，其化学成分稳定，在酸碱环境中，仍能连续工作很长时间，并保持优良性能。

另外，由于碳纤维材料硬度、轻度高，在机车高速运行时，高速气流不会对料体产生影响。

2、在车体上的应用。

目前，碳纤维复合材料在车体上的应用主要集中在车
辆的上部结构，传统车顶由大截面冷弯型钢制成，以满足车顶刚度要求。

在车辆
顶部空间，经常布置许多设备，如空调和大型蓄电池等，若其刚度不够，不仅会
产生振动，而且容易发生结构性损伤，对行车安全有很大影响。

另外，车顶材料
对耐腐蚀性也有很高要求，车顶经常与雨水接触，雨水通常具有高度腐蚀性，一
旦材料耐腐蚀性差，极易导致材料结构穿孔，这不仅会影响车辆密闭性，还会导
致雨水漏入车厢。

可采用多个截面相同的碳纤维工字形材料制成的纵向梁进行承载，为了有效提高各截面连接处强度，可在截面连接处布置一些横向纤维。

车顶
性能与传统材料车顶可基本一致，但其刚度远高于传统材料车顶，使车顶在行驶
过程中更加稳定，其重量约为传统车顶重量的一半，可有效减轻整个机车的重量，降低机车运行能耗。

为了测试车顶刚度，进行了挂负载试验，结果表明，在车顶
4t负载作用下，车顶挠度仅为2mm左右，表明材料完全满足刚度要求。

此外，由
于碳纤维复合材料具有良好的耐腐蚀性，在长时间雨淋中仍能保持原有材料性能，有效提高车辆使用可靠性。

3、隔音上的应用。

过去，岩棉及玻璃丝棉主要用于轨道车辆的隔音降噪，
它们的重量往往很大，材料的环保性不是很好，不具备回收利用价值。

在对车辆
性能、节能环保要求不断提高的背景下，越来越多的轨道车辆选择使用碳纤维丝
棉作为车辆隔音降噪的替代品，在相同的隔声降噪水平下，其重量仅为玻璃丝棉
的2/3左右。

此外，该材料在耐高温方面也有很大优势，能在车辆防火方面发挥
很大作用。

4、在轨道车辆各室的应用。

随着碳纤维复合材料价格的不断下跌，它已被
应用于客室墙板及乘客座椅。

传统的客室墙板由4mm玻璃钢板制成，为了有效提
高墙板刚度，墙板的龙骨一般采用铝合金加固材料，这大幅增加了墙板重量，在
一些高速列车上已显得非常不合适。

碳纤维墙板由3mm厚的碳纤维复合板制成，
由于其强度能满足使用要求，可避免使用铝合金加强龙骨，结构简单，制造工艺
大幅简化，整体墙板质量显著降低，表面比传统墙板光滑美观，为客户提供更好
的乘车体验。

在传统的乘客座椅中，整体结构通常由塑料制成，并使用大量的钢
制零件来提高座椅的强度，不仅重量大，而且座椅刚性差，严重影响乘坐稳定性，容易损坏。

碳纤维复合材料在乘客座椅中的应用主要是作为座椅的机构部分，其
平均厚度仅为3mm，重量仅为传统座椅结构的一半左右，但其强度高于传统座椅
结构，并能保证乘客乘坐的稳定性。

5、在车内受力件上的应用。

在轨道车辆的内部空间中，会有许多受力件，
如门窗把手、写字板支架、门把手、滑动门导轨等。

过去，这些受力件大多由金
属制成，质量往往很大，并在使用过程中，会慢慢发生腐蚀，从而影响其使用寿
命主美观。

碳纤维复合材料可代替传统的金属材料制成各种类型的受力件，它们
的内部可是中空，这样这些受力件的重量将在更大程度上减轻，并且由于其强度
高于金属，因此不会影响这些受力件的使用性能。

由于其较强的耐腐蚀性，在长
期使用后能保持良好的外观，并有效提高这些受力件的使用寿命及美观性。

许多碳纤维合成材料制作完成后，其表面会形成独特的花纹，具有很强的美观性，这种材料可替代乘坐室内某些部位的装饰材料，既能达到美观功能，又能降低整车质量。

随着碳纤维合成材料制造技术的进步，它已应用于机械零件制造领域，虽然其韧性不如钢材，但其强度及耐磨性优于钢材，可用于某些受力稳定处，既能满足使用性能要求，又能减轻整体重量。

该技术可应用于车辆机械部件的制造，既能保证使用性能，又能降低机械整体质量，从而有效提高机车承载能力。

四、展望
随着轨道车辆轻量化和低碳环保要求的提高，碳纤维复合材料将越来越多地应用于轨道交通车辆。

然而，碳纤维复合材料在我国轨道车辆上的应用还处于起步阶段。

鉴于我国碳纤维的发展，可从以下方面进行研究：①开展碳纤维复合材料的基本性能研究，充分发挥材料优势，解决应用局限性。

②在材料选择方面，考虑复合材料的混杂使用方式，如玻璃纤维和碳纤维等在设计中的混合使用，以充分发挥材料性能和价格优势，综合考虑减重及降本。

③结构优化和一体化设计思想，包括结合成型工艺综合考虑设计方案。

④加强产学研结合，充分发挥各自优势，尽快形成具有自主知识产权的产品。

参考文献：
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