碳纤维复合材料在轨道交通中的应用情况分析
江苏博实科技：碳纤维复合材料密度仅为1.5-2g/cm3，是钢的1/4，铝合金的1/2。与同样是复合材料的玻璃纤维材料相比，碳纤维复合材料的应用能使原设备质量降低1/5以上，并且在强度、刚度及烟毒性方面都有着显著优势。国内关于碳纤维复合材料的研究虽然起步较晚，但是发展迅速，在JG、国民等多个领域都有应用。目前碳纤维增强复合材料在轨道交通领域的使用主要还是在一些零部件，如车体外壳、车头罩、轻轨车辆司机室头罩、导流罩及司机台、裙板等。
国内外关于碳纤维复合材料在轨道交通车辆上面成功应用的案例有很多，博实碳纤维带大家看看都有哪些？
1.车体外壳
2000年，法国国营铁路公司研发出双层高速列车(TGV)挂车、2010年韩国铁道科学研究院着手研制的的倾斜摆式列车，运营速度达180km/h，两种列车车体均采用碳纤维铝蜂窝夹芯材质，在复合层中嵌人不锈钢骨架用来提高车体的结构刚度，最后经过大型热压罐整体成型得到碳纤维复合材料车体。通过此工艺，车体总质量降低了40%，各项性能指标均完全达到设计要求，并已正式投入运营。
2.车头罩
于2011年底，中车青岛四方股份有限公司研制出500km/h高速试验车碳纤维复合材料车头罩，该车头罩采用的是单面模具、真空导入工艺制成。表面采用CFRP和芳纶纤维增强光缆加强芯(KFRP)铺层设计，中间是泡沫夹芯，整体分为上下2个罩体，上下罩体间以凹槽的形式相扣，沟槽的缝隙用橡胶填充，上下连接部位仍采用碳纤维复合材料。
3.转向架
传统的转向架多采用优质碳素钢、低合金低碳高强度钢、耐候钢等材料制造，不仅质量大，而且会出现动力载荷冲击增大，加速接触面磨损的现象。碳纤维复合材料密度小，可采用层压方式将碳纤维复合材料叠层结构制成构件的侧梁、利用缠绕成型的方式将碳纤维复合材料制成横梁，这样转向架整体比传统钢制构架能减轻30%。例如，韩国铁路研究院2011年设计的CFRP地铁转向架、德国HLD-L和HLD-300型转向架等。
4.设备舱
日本1999年将CFRP复合材料应用铁道综合技术研究所与东日本客运铁道公司联合研制的CFRP高速列车车顶与E4司机室，每节车厢质量减少了300-500kg，占比达30%，并且在噪声、车体震动以及形变方面都获得大幅改善。在柏林轨道交通展上，日本川崎重工展出的CFRP构架边梁，相比传统材料的金属梁，质量降低了40%，并且结构得到了简化。
箱型梁结构的弯梁与工字梁结构的横梁是设备舱的主承载结构件。弯梁的断面为矩形，采用CFRP预浸料交叉铺覆设计、采用袋压成型工艺制造，这样的工艺得到的样品成品率较高，制造成本可控。横梁可以采用真空导人的碳纤维复合材料成型方式，与其他金属件的组装方式主要为胶接和铆接；裙板和底板都是次承载结构件。碳纤维复合材料的成型方式可以选用模压工艺，采用弧形芳纶蜂窝夹芯结构；端板也可以选用模压成型工艺，采用带加强筋的平面机构，内部使用单向布铺层，提高端板横纵向性能。
5.其他零部件
德国Voith公司研发出的碳纤维增强复合材料过渡车钩，总质量仅为23kg，相比钢铁车钩质量降低了50%。其结构简单紧凑，能够实现一人安装。碳纤维刹车片制动噪音低；制动曲线平稳，可接受更多的制动摩擦热冲击；耐磨性好，磨损率与钢纤维刹车片相比较低，耐腐蚀性强。例如德国KnoorBrems公司的高速列车碳纤维复合材料盘型制动器。
碳纤维复合材料在轨道交通领域表现出巨大的优势和良好的应用前景，小到装饰件，大到全碳纤维复合材料高速列车的应用。目前碳纤维复合材料不仅要将注意力落在研发高速轨道车辆、提供卫生间、车门等车体设备和配套件的基础上，还要深入开展材料基础技术的研发与产业化工作，从而能更好的促进我国高速轨道交通事业的发展。
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