马文瑞
中车唐山机车车辆有限公司 河北省唐山市 064000
摘要：通过分析碳纤维材料特性，对比几种纤维复合材料和金属材料的参数，总结了碳纤维的优点。回顾碳纤维材料在轨道列车中的应用现状。并从技术方面，材料结构方面，成型方法和实验测试等方面研究了碳纤维材料在列车车门中的应用的可行性。
关键字：轨道车辆；车门；碳纤维材料
全球的交通运输行业迅猛发展，铁路已成为最关键的公共交通方式之一，直接对人类生活产生了积极影响。因此人们要求列车运行环境更可靠，运行效率更高，承载容量更大，运行能耗低，对环境更加友好。较重的车辆会造成对铁路轨道损坏，维护和更新成本增加，能源消耗严重。针对以上情况考虑车辆需要有轻质结构。
列车车门系统为乘客上下车的必经通道，对整车的安全性和舒适性起着重要的作用。与成熟的金属门相比，碳纤维增强聚合物在车门制造中需要解决这些关键技术：（1）碳纤维复合门的材料形式设计；（2）在综合考虑隔声和气密性的基础上，实现门结构的集成化、轻量化设计；（3）开发新的快速成型工艺；（4）需要开发满足更高防火要求的树脂；从设计的角度研究了碳纤维复合材料车门系统设计的关键技术，希望能为轨道车辆车门的轻量化设计提供参考。
1.碳纤维的特性和发展现状
1.1碳纤维复合材料的特性
1.1.1强度
材料在外载荷的作用下抵抗塑形变形和断裂的能力称为强度。根据受力种类的不同分为以下几种:抗压强度--材料承受压力的能力:抗拉强度--材料承受拉力的能力:抗弯强度--材料对致弯外力的承受能力:抗压强度--材料承受剪切力的能力。
（1）抗拉强度：罗小平等在碳纤维表面进行了化学镀镍，并采用粉末冶金热挤压的方法，将涂层碳纤维与镁基体复合。当碳纤维含量为4.0%时，镁基预制件在420MPa压力下压制，550℃烧结0.5h，480MPa热挤压制备的涂层碳纤维/镁基复合材料拉伸强度为167MPa，硬度和屈服强度分别为120MPa和125MPa。
（2）抗弯强度：龚卫平等人采用溶胶-凝胶法在碳纤维表面包覆TiO2薄膜。采用球磨和均匀热压法制备了碳纤维增强羟基磷灰石复合材料。用三点弯曲法测定了复合材料的弯曲强度。结果表明，球磨时间对碳纤维在羟基磷灰石中的长度和分布有影响，球磨时间以2.5h为宜，TiO2包覆碳纤维增强羟基磷灰石的抗折强度高于未包覆碳纤维增强羟基磷灰石。采用丙酮脱胶时，碳纤维增强羟基磷灰石涂层的弯曲强度最高。在碳纤维表面均匀涂覆TiO2薄膜有利于提高碳纤维增强羟基磷灰石复合材料的力学性能。
（3）抗压强度：项东虎等人采用直碳纤维和螺旋碳纤维增强聚四氟乙烯复合材料，发现直碳纤维增强聚四氟乙烯复合材料的硬度先升高后降低，而螺旋碳纤维增强聚四氟乙烯复合材料的硬度增加缓慢。两种纤维都能提高抗压强度，其中螺旋碳纤维的作用更为明显。
1.1.2断裂韧性
高弹性模量的碳纤维不仅可以增强材料，而且可以显著增韧材料。碳纤维增强镁合金层板比玻璃纤维增强铝合金层板具有更高的界面断裂韧性。
1.1.3耐磨性
向东虎等人选择螺旋碳纤维（CMCs）和直碳纤维（SCF）来提高聚四氟乙烯（PTFE）的综合性能。测试了纯PTFE及其复合材料的摩擦磨损性能、硬度和抗压强度，并用扫描电镜观察了磨损表面的形貌及残余磨屑和转移膜。结果表明，碳纤维的加入都能不同程度地提高PTFE复合材料的摩擦系数，高载荷下的摩擦系数略低于低载荷下的摩擦系数。另外，随着碳纤维含量的增加，耐磨性逐渐提高，磨损率降低。
1.2几种复合材料及金属材料的性能对比
碳纤维复合材料（CFRP）芳纶纤维增强复合材料（AFRP），玻璃纤维聚合物（GFRP）材料参数与碳钢不锈钢及铝合金等对比见表1。综合对比后发现碳纤维重量轻、力学性能优异、抗拉强度高、比强度高等方面优势明显，可满足列车对材料性能的要求。在高速列车应用开发过程中，综合分析技术要求、材料性能、工艺、成本等因素，车门结构可选择碳纤维增强复合复合材料。
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1.3碳纤维在轨道交通中的应用
碳纤维复合材料应用于车体和车辆内饰墙板，国外日本川崎重工的新型碳纤维复合材料折向转向架，韩国铁道研究所研制的碳纤维复合材料车体。国内的应用如前罩和裙板，重量减轻约为20%和30%相比玻璃纤维材料。
在门窗应用方面，国内外多采用玻璃纤维增强复合材料（GFRP），英国XP64星客车Mkm客车采用玻璃纤维增强复合材料门，但具有突出优点的碳纤维复合材料门系统尚未发表。
2.碳纤维材料在动车车门设计中的关键技术
2.1碳纤维结构的设计要点
首先，设计结构符合机械强度要求，并分析部件的工作载荷，载荷不会超出部件的许用范围，在碳纤维复合材料结构设计中，合理搭配纤维和树脂，以及碳纤维的铺层方向决定着复合材料的机械性能。其次，设计中还需要考虑到复合材料部件的稳定性，铺层结构是设计中的关键，将单层结构的优异性能传递到复合材料结构件上，要尽量避免单一方向的铺层。碳纤维部件与部件之间的连接，一般碳纤维复合材料有三种连接方式，机械连接、胶结连接、混合连接，因此碳纤维复合材料部件在制作过程中，提前考虑链接形式，并预埋链接补强金属板等。
2.2车门的结构设计
现有铝材列车车门结构如下：铝型材框架、芯材、内外蒙皮等。结合碳纤维成型方法进行车门设计，一体化门板较好。碳纤维复合门板的整体设计需要满足基本车门性能要求：如重量、静强度、气动载荷、隔声性能、密封性能、隔热性能等指标。研究表明碳纤维夹层结构可以改变声学和动态特性，提高材料的吸声性能，增加材料厚度可高音的吸声系数频率。
在设计中，门版可采用整体成型方式，门版连接处需要预埋补强金属铝块。在满足减重需求前提下，采用合理配置门版结构，并提高门板厚度(传统城轨车门系统门板厚度为32mm)。对于塞拉门，需要在门板上部和下部及添加额外的约束，以保证气密性以及足够的刚度。
以门板厚度43mm的实验分析。强度试验分析门扇挠度变形，4000pa个均匀气动载荷从内到外作用于整个门板，门板的最大变形为2.24mm，可以满足强度、密封等要求。
2.3车门的成型方法
碳纤维复合材料的成型方法有很多种，如手糊压层法、真空袋热压法，压模成型，细丝缠绕等方法。关键保证的零件尺寸和表面质量，按照预定的方向均匀地铺设增强纤维，减少纤维性能的退化，使基体树脂与增强纤维更好地结合。排出挥发性气体，减少空隙率，完全固化。
对于碳纤维复合材料车门，内外轮廓要求较高，属于中小型复杂产品，需要批量生产。更快的方法是使用压模成型技术，分为阳模和阴模，通常由铝或钢制成，将增强纤维、树脂填料铺设在阴模，然后关闭阳模，将两者之间的材料压在一起成型固化。压模成型生产效率极高，适用于结构复杂的批量生产，以提高制造效率和产品质量，降低成本。
2.4 碳纤维材料使用的防火树脂
CFRP在结构上由碳纤维和环氧树脂组成。可通过添加卤素阻燃剂提高防火性。但是卤素在焚化回收时会产生有毒物质。因此，无毒安全的材料制造CFRP阻燃剂十分重要。韩国KIST高级复合材料研究所Jung Yong-chae等利用单宁酸燃烧时产生炭黑阻挡外部氧气流入可提高阻燃性。因此可通过这个案例思路开发无毒防火树脂。
3.总结
本文仅从车门门板的角度探讨碳纤维增强复合材料在列车车门方面的应用，碳纤维增强复合材料可以在满足设计要求的前提下有效降低车门门板的质量，但是作为门系统还有其他部件未曾研究轻量化设计。考虑列车其他系统部件，因此研究开发新的复合材料替代车门或车辆的其他零部件，对减轻车辆的重量，降低车辆运行能耗，从而降低列车运行成本，减少温室气体排放保护环境具有重要意义。
参考文献
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