武舒然，姚 皓，馬春英，張小龍

（北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100071）

1 復(fù)合材料發(fā)展概況

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上材料獨(dú)立物理相通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的新型材料。其中，連續(xù)相稱(chēng)為基體，分散相稱(chēng)為增強(qiáng)體。它能保留原組成材料的主要特色，并通過(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能，即通過(guò)材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互相補(bǔ)充并彼此聯(lián)系，從而獲得新的優(yōu)越性能。一般情況下復(fù)合材料構(gòu)件不需要復(fù)雜的機(jī)械加工設(shè)備，可以制造形狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)一體化程度高，減少零部件數(shù)，縮短安裝時(shí)間。針對(duì)不同原材料（預(yù)浸料、纖維織物、基體樹(shù)脂）有不同的工藝方法（手糊成型、真空輔助成型工藝、RTM、熱壓罐、模壓成型等）[1]。

由于復(fù)合材料具有高的比剛度和比強(qiáng)度、性能可設(shè)計(jì)性、優(yōu)異的疲勞性能、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)/功能一體化（隱身等）和易于整體成型等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，且在航空領(lǐng)域，復(fù)合材料應(yīng)用水平已經(jīng)成為飛機(jī)先進(jìn)性的一個(gè)重要標(biāo)志。

隨著目前軌道車(chē)輛智能化、綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等高質(zhì)量高要求，使得車(chē)輛上的高科技設(shè)備增加，車(chē)輛自重增加，造成很多負(fù)面影響。車(chē)輛結(jié)構(gòu)所選材料的性能與其自身重量達(dá)到最佳匹配狀態(tài)一直以來(lái)都是制約車(chē)輛最佳輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。在國(guó)內(nèi)外下一代高速列車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)研究規(guī)劃中，利用輕質(zhì)復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)將是一項(xiàng)重要課題[2]。

2 輕量化復(fù)合材料在軌道交通業(yè)的可應(yīng)用性分析

2.1 車(chē)輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

在復(fù)合材料的設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中，不單要考慮車(chē)輛性能特點(diǎn)，還應(yīng)該根據(jù)可成型工藝及成本等綜合考量，以下將列舉目前在軌道車(chē)輛上應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要是剛度設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核，其主要流程如圖1所示。其中，在材料選擇過(guò)程中，依據(jù)現(xiàn)有材料數(shù)據(jù)進(jìn)行選用，若需要采用新的結(jié)構(gòu)材料，需進(jìn)行理論研究及試驗(yàn)驗(yàn)證。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需明確設(shè)計(jì)許用值，根據(jù)初步工藝方案進(jìn)行強(qiáng)度及剛度核算，通過(guò)反復(fù)優(yōu)化確定滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)。

圖1 應(yīng)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖

2.2 輕量化材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著材料技術(shù)以及工藝技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)制造出許多先進(jìn)的輕量化材料，如鎂合金材料、碳纖維復(fù)合材料等，這些新型材料密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、抗沖擊、耐疲勞、耐腐蝕。

2.2.1 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維是含碳量高于90%的纖維狀材料，力學(xué)性能優(yōu)異，其比重不到鋼的1/4，抗拉強(qiáng)度卻是鋼的7~9倍，是目前已大量生產(chǎn)的高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和最高的比模量的纖維，同時(shí)耐高溫、耐腐蝕、絕緣隔熱性能好，良好的吸能效果也是其重要的應(yīng)用理由。在軌道交通領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料已被大量應(yīng)用于高速列車(chē)中的車(chē)體及非主承力結(jié)構(gòu)件上，如日本N700系高速列車(chē)車(chē)頂、日本efWING復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架、法國(guó)TGV高速車(chē)體[3]、韓國(guó)TTX車(chē)體、瑞士辛德勒全碳纖維車(chē)體、德國(guó)福伊特過(guò)渡車(chē)鉤等，以及我國(guó)唯一商業(yè)運(yùn)行車(chē)輛-武漢東湖光谷有軌電車(chē)全碳纖維車(chē)體（圖2）等。目前成本是限制碳纖維大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素，在產(chǎn)業(yè)中經(jīng)常將其他纖維與碳纖維混合使用，輕量化的同時(shí)控制成本。

圖2 武漢東湖碳纖維車(chē)體

根據(jù)賽奧碳纖維數(shù)據(jù)顯示，2015-2020年，全球碳纖維運(yùn)行產(chǎn)能呈逐年增長(zhǎng)狀態(tài)。2020年，全球碳纖維運(yùn)行產(chǎn)能17.17萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)10.85%，6年（2015-2020）復(fù)合增長(zhǎng)率為4.9%，但全球高端碳纖維產(chǎn)能處于被日本和美國(guó)壟斷的狀態(tài)，因此，加強(qiáng)碳纖維及其復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究，加快系列關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控，對(duì)于促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、保障國(guó)家戰(zhàn)略安全等具有重要意義。

近些年國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，某些地區(qū)積極發(fā)展碳纖維產(chǎn)業(yè)，如吉林市作為全國(guó)碳纖維主要生產(chǎn)區(qū)域已形成碳纖維原絲及碳化生產(chǎn)企業(yè)集群，成為中國(guó)最主要的碳纖維生產(chǎn)基地之一，吉林經(jīng)開(kāi)區(qū)是吉林市碳纖維產(chǎn)業(yè)園區(qū)，這里聚集著一批碳纖維企業(yè)，“中國(guó)碳谷”在這里已初步形成。國(guó)家科技部一直高度重視國(guó)產(chǎn)碳纖維及其復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化研究與應(yīng)用示范。據(jù)悉正在推動(dòng)組建碳纖維及其復(fù)合材料國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新中心。有望通過(guò)政府引導(dǎo)，凝聚碳纖維及復(fù)合材料企業(yè)、高校和科研院所，集中突破全產(chǎn)業(yè)鏈共性技術(shù)，突破涉及國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)安全的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，有望降低制造成本。我國(guó)從“化纖大國(guó)”到“化纖強(qiáng)國(guó)”還有很長(zhǎng)的路要走。

2.2.2 鎂合金復(fù)合材料

鎂合金是以鎂為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。其特點(diǎn)是：密度?。?.8 g/cm3左右），強(qiáng)度高，彈性模量大，散熱好，消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，耐有機(jī)物和堿的腐蝕性能好。由于高速列車(chē)的輕量化、舒適度要求，鎂合金應(yīng)用廣泛。除此之外，其抗震性能較好，在德國(guó)ICE、法國(guó)TGV、日本新干線N700系類(lèi)高速列車(chē)以及國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的磁懸浮列車(chē)中均有廣泛應(yīng)用，包含鎂合金座椅，甚至是空調(diào)通風(fēng)口格柵、小桌板、扶手和行李架邊框等[4]，相較于鋁合金結(jié)構(gòu)甚至減重20%。與鋁合金相比，鎂合金成本相當(dāng)，但重量降低、列車(chē)運(yùn)行時(shí)能耗降低，總體降低了列車(chē)運(yùn)行成本。鎂合金零部件的承重能力需求越來(lái)越大，已經(jīng)開(kāi)始制造主要承重部件。

作為先進(jìn)基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要門(mén)類(lèi)，我國(guó)鎂合金材料產(chǎn)業(yè)自響應(yīng)落實(shí)“十三五”系列戰(zhàn)略措施以來(lái)，自主研發(fā)了10余種鎂合金材料并成功應(yīng)用于航空、航天、國(guó)防軍工、汽車(chē)等領(lǐng)域，大幅降低了鎂合金產(chǎn)品的成本，提升了產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[5]。作為一種新型金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂合金的廣泛應(yīng)用也暴露出很多問(wèn)題，如鎂合金本體為六方晶格結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)加工后易造成性能偏差；化學(xué)性質(zhì)活潑容易造成氧化腐蝕；焊接性較差，不能采用常規(guī)方式進(jìn)行，必須采用攪拌摩擦焊等新型焊接方式、高溫下性能急劇下降等。隨著開(kāi)發(fā)和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，其材料消費(fèi)市場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，也將成為高速列車(chē)關(guān)鍵的輕量化材料。

我國(guó)鎂資源豐富，已經(jīng)探明的儲(chǔ)量世界第一。近年全球鎂合金需求量穩(wěn)步增長(zhǎng)，2021年需求量預(yù)計(jì)增長(zhǎng)至124萬(wàn)t左右。我國(guó)高性能鎂合金材料產(chǎn)業(yè)起步晚、底子薄，在應(yīng)用上整體仍處于產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈的中低端，加工生產(chǎn)技術(shù)還不完善，工藝技術(shù)與國(guó)外差異較大，同時(shí)在冶煉環(huán)保水平等方面存在短板。我國(guó)鎂合金材料產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能規(guī)模龐大，其技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用任重道遠(yuǎn)。

2.2.3 三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)

三明治結(jié)構(gòu)（夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)）是由高強(qiáng)度薄面板與低密度芯材組成（圖3），由于其比剛度大的突出優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工程制造，是軌道交通領(lǐng)域輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵材料。表面面板通常采用金屬（鋁）、復(fù)合材料層板等，夾芯結(jié)構(gòu)可以是泡沫塑料、鋁蜂窩、芳綸蜂窩等。

圖3 三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖

目前最常用的夾芯材料是鋁蜂窩（常用于車(chē)輛的車(chē)體、司機(jī)室、端墻、地板等結(jié)構(gòu)中）、芳綸蜂窩（常用于車(chē)輛的導(dǎo)流罩、間壁柜體、內(nèi)飾等非承力結(jié)構(gòu)中）和泡沫新材（PET主要應(yīng)用于軌道交通、汽車(chē)、游艇等領(lǐng)域，性能與PMI泡沫芯材接近，力學(xué)性能略差，價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，因此在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用較多，主要作為門(mén)板、地板及頂板芯材），能夠在保證部件要求情況下，最大限度實(shí)現(xiàn)輕量化[6-7]。與鋁和復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)相比，夾芯結(jié)構(gòu)可以在最小重量下獲得較高的彎曲剛度，大多數(shù)蜂巢結(jié)構(gòu)是各向異性。增加夾芯厚度會(huì)大大增加蜂窩結(jié)構(gòu)的剛度，而重量的增加是最小的。許多部件為了達(dá)到最大限度輕量化，面板厚度做得非常薄，有時(shí)小于0.5 mm，但相關(guān)測(cè)試表明，這些面板結(jié)構(gòu)并不具備良好的抗沖擊性能，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮部件運(yùn)用環(huán)境。

2.2.4 預(yù)浸料

預(yù)浸料是將定向排列的纖維束或織物浸涂樹(shù)脂基體，并通過(guò)一定的處理后貯存?zhèn)溆玫闹虚g材料。制備預(yù)浸料的目的在于控制復(fù)合材料結(jié)構(gòu)厚度并滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)定的樹(shù)脂/纖維分布。通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)浸料的厚度、纖維取向及鋪放順序而實(shí)現(xiàn)功能的差異性設(shè)計(jì)。由于預(yù)浸料可在高溫高壓下固化成型，從而得到高強(qiáng)質(zhì)輕的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，且由于其質(zhì)量的相對(duì)可控性，目前在現(xiàn)有軌道交通車(chē)輛構(gòu)件制造中，預(yù)浸料制品應(yīng)用廣泛。常用到的工藝方法為真空袋-高溫固化工藝（圖4）、熱壓罐工藝（圖5）、模壓工藝、卷管工藝、纏繞工藝等。

圖4 預(yù)浸料產(chǎn)品真空袋-高溫固化成型工藝

圖5 預(yù)浸料產(chǎn)品熱壓罐成型工藝

預(yù)浸料厚度均勻，樹(shù)脂含量穩(wěn)定一般在35%左右，最有利于實(shí)現(xiàn)固化；經(jīng)過(guò)烘干房固化，縮短傳統(tǒng)的產(chǎn)品固化時(shí)間；預(yù)浸料保存環(huán)境相對(duì)要求較高，一般要求低溫貯存，目前也有少部分可常溫保存的預(yù)浸料。2021年7月，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)NEDO宣布已開(kāi)發(fā)出一種可快速固化的碳纖維增強(qiáng)預(yù)浸料片材，可在30 s內(nèi)固化，是目前全球該類(lèi)固化工藝用時(shí)最短的，并可在室溫下儲(chǔ)存。

目前最常用的是碳纖維預(yù)浸料和玻璃纖維預(yù)浸料。碳纖維預(yù)浸料屬于新型高性能復(fù)合材料，是提高碳纖維附加價(jià)值的有效手段。在目前軌道交通領(lǐng)域，使用玻纖預(yù)浸料或者玻碳混合預(yù)浸料是一種趨勢(shì)。

2.2.5 其他新型復(fù)合材料

植物纖維和礦物纖維（竹纖維、亞麻纖維、玄武巖纖維等）最大優(yōu)勢(shì)為可降解，更加環(huán)保，但其強(qiáng)度低，復(fù)合材料界面結(jié)合相較較差，且制備工藝不成熟，無(wú)法批量。以玄武巖纖維舉例，玄武巖纖維是一種無(wú)機(jī)纖維，由天然玄武巖礦石（成分波動(dòng)大）經(jīng)過(guò)高溫熔融拉制而成，不僅強(qiáng)度高，而且還具有電絕緣、耐腐蝕、耐高溫等多種優(yōu)異性能，是我國(guó)現(xiàn)階段重點(diǎn)發(fā)展的四大纖維（玄武巖纖維、超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維、碳纖維）之一。但由于其礦物纖維較硬的特點(diǎn)，鋪覆性較差。在我國(guó)，車(chē)用玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料現(xiàn)階段還處于小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)和示范應(yīng)用階段，在車(chē)輛內(nèi)飾和外飾件等領(lǐng)域均有研究應(yīng)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著材料研制及工藝技術(shù)的發(fā)展，大量新型復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。碳纖維復(fù)合材料、鎂合金復(fù)合材料、預(yù)浸料復(fù)合材料和三明治復(fù)合夾芯結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，具有很大的應(yīng)用市場(chǎng)，相關(guān)地區(qū)也在此趨勢(shì)下形成產(chǎn)業(yè)鏈布局。而玄武巖纖維、超高分子量聚乙烯纖維等新型纖維材料的基礎(chǔ)研究尚在進(jìn)行，需要作進(jìn)一步探索。