柳春迎
哈尔滨玻璃钢研究院有限公司,黑龙江 哈尔滨 150028
摘要：随着轨道交通车辆装备技术突飞猛进的发展，轻量化、节能环保已成为轨道交通车辆发展的趋势。这对车辆车体、转向架、内装等提出更高的要求和目标。一般减重设计可通过三个维度实现：结构优化设计、采用先进制造工艺和新型轻量化材料。因此，开发一种满足轻量化需求、机械性能优越、适合批量化生产的材料尤为重要。文章对碳纤维复合材料在轨道交通车辆上具体应用进行了研究，以供参考。
关键词：碳纤维复合材料；轨道车辆；应用研究
1碳纤维复合材料在轨道交通车辆的应用优势
碳纤维复合材料在众多轻量化材料中具有较高的比强度、比刚性，轻量化效果明显，在航空航天、军工产品中应用广泛。比不锈钢轻50%，比铝合金轻30%。碳纤维复合材料由纤维和树脂共同决定，两者相互配合、取长补短、发挥各自优势。增强材料的力学性能（承担70-90%载荷），材料的硬度、热稳定性、强度等性能由碳纤维来分担。复合材料其他性能，如电学性能由碳纤维来承担；树脂是粘结纤维的作用，树脂熔融之后把纤维粘合在一起，并将载荷传给纤维，提供一定的刚性。提高材料冲击强度，增强复合材料韧性。保护纤维不受化学侵蚀、机械破坏，影响材料破坏模式。与其他材料相比，碳纤维具有如下特性：比强度、比模量高；密度小，强度高；抗疲劳特性好；抗震性能好；可设计性强；高温性能好；成型性好。碳纤维复合材料的特性说明了它在轨道车辆中具有重要的应用优势。
2碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用
2.1在车辆前端车罩上进行使用
传统的机车前端车罩是由玻璃钢树脂制成的，其平均厚度在8mm左右，碳纤维复合材料是由碳纤维预浸料和环氧树脂制作的，层板的厚度仅为2mm，为了增强材料的保温和隔噪性能，在内部会附加一层2mm的泡沫，其强度比传统的材料更高，但是其质量仅为传统材料的2/3，对于降低机车运行的耗能，可以发挥一定的作用。由于机车需要常年进行运行，因此对车辆的使用寿命往往较高，在通常的情况下，其应该连续使用30年以上，对材料的耐气候性和耐腐蚀性提出了较高的要求。碳纤维复合材料正好具备较强的耐腐蚀性能，其化学成分十分稳定，在酸碱的环境中，在保持优良性能的同时，依然可以连续工作非常时间。此外，由于碳纤维材料的硬度和轻度很高，机车在高速运行的过程中，高速的气流不会对材料本体造成什么影响。
2.2碳纤维复合材料在车体上的应用
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当中，传统的车顶是由大截面的冷弯型钢制成的，这样才能满足车辆对车顶刚度的要求。在车辆的顶部空间中，往往会布置较多的设备，如空调、大型蓄电池等，如果其刚度不足，不仅会产生振动，还容易出现结构性损伤，对行车安全造成非常大的影响。车辆设计环节。可以利用多个相同截面的碳纤维工字型材料制成纵向梁进行承载，为了有效提高各个截面连接处的强度，可以在截面连接处布置一些横向纤维。车顶的性能和传统材料车顶的性能可以基本保持一致，但其刚度却比传统材料制成车顶的刚度高很多，让车顶在行驶过程中的稳定性变得更强，其重量是传统车顶的一半左右，可以有效减轻整体机车的重量，降低机车运行的能耗。此外，由于碳纤维复合材料具有耐腐蚀性能较好的优点，其可以在长时间的雨淋下，依然保持原有的材料性能，有效提高了车辆使用的可靠性。
2.3轨道车辆隔音上的应用
在过去轨道车辆的隔音降噪方面，主要采用的是岩棉和玻璃丝绵，其重量往往较大，材料的环保性也不是很好，不具有重新回收利用的价值。
在对车辆性能要求和节能环保性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绵作为车辆隔音降噪的替换产生，在同样的隔音降噪水平上，其重量仅为玻璃丝绵的2/3左右。此外，该材料在耐高温的性能上也有较大的优势，这对车辆的防火能够发挥出很大的作用。
2.4碳纤维复合材料在轨道车辆各室的使用
随着碳纤维复合材料价格的不断下探，其在客室墙板和乘客座椅上已经开始有所应用。传统的客室墙板是采用4mm的玻璃钢板制作而成的，为了有效增强墙板的刚度，一般会对墙板的龙骨采用铝合金加强材料，这大大增加了墙板的重量，在一些高速列车上已经显得非常不合适。碳纤维墙板是采用3mm厚度的碳纤维复合板制成的，由于其强度可以满足使用的要求，这样可以避免对铝合金加强龙骨的使用，其结构更为简单，制造工艺也得到了大大的简化，整体的墙板质量得到了大大减少，其表面光滑和美观程度比传统的墙板更好，给客户以更好的乘坐体验。在传统的乘客座椅中，其整体结构往往是由塑料制成的，还要使用大量的钢制部件，来提高座椅的强度，不仅重量较大，且座椅的刚性较差，极大影响了乘坐的稳定性，还容易出现损坏的现象。碳纤维复合材料在乘客座椅上的应用，主要是作为座椅的机构部分，其平均厚度仅有3mm，重量只有传统座椅结构的一半左右，但其强度比传统座椅结构强度更高，乘客乘坐的稳定性也可以得到保证。
2.5在车内受力件上的使用
在轨道车辆的内部空间中，会包含很多的受力件，如门窗把手、写字板支架、门把手、推拉门导轨等。这些受力件在过去大部分是由金属做成的，其质量往往较大，且在使用的过程中，会慢慢产生腐蚀的现象，影响它们的使用寿命和美观。可以利用碳纤维复合材料来代替传统的金属材料，来制成各种样式的受力件，它们的内部可以是中空的，这样这些受力件的重量就会更大程度地减少，且由于其强度比金属还高，这并不影响这些受力件的使用性能。由于其耐腐蚀性更强，可以在长时间的使用后，还可以保持较为良好的外观，有效提高这些受力件的使用寿命和美观性。很多碳纤维合成材料在制作完成后，其表面会形成其特有的花纹，具有较强的美观性，可以将乘坐室内一些位置的装饰材料换成该材料，既可以达到美观的作用，又可以降低整车的质量。
3碳纤维复合材料成型工艺
碳纤维复合材料的成型工艺上，热压罐成型、OOA真空袋压成型、拉挤成型、三维编织成型、缠绕成型、模压成型、RTM成型、HP-RTM成型、自动铺放技术等为几种常规典型成型工艺。碳纤维增强复合材料车体可采用目前技术成熟、低成本的预浸料/袋压成型等工艺技术，若是模块化结构，还可将模块在热压罐中进行成型。内饰件对内外面轮廓要求较高，属于中小型复杂制品，要求批量化生产，因此模压成型较适宜。具有生产效率高、制品尺寸准确、适用于批量生产、结构复杂的一次成型等特点。近些年来，国内外涌现出了很多新型成型制备工艺，例如自动纤维铺放成型、超声波快速固结成型、激光固结成型、电子束固结成型、真空辅助成型以及3D打印成型等工艺技术，这些新型成型工艺具有十分广阔的应用前景。
结语
综上所述，碳纤维复合材料在轨道车辆内饰板轻量化设计中的应用属于新材料的应用范畴，在设计时注意：选择满足强度、刚度要求的碳纤维复合材料形式；选择高性价比的成型工艺方法，提高生产效率。碳纤维复合材料以其优异的综合性能优势，可解决轨道车辆面临的诸多技术问题，经长期科学探索，必将克服各种困难，实现更多的工程化应用。
参考文献
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