隨著軌道交通速度的持續(xù)提高，車輛能耗問題日益凸顯。為有效降低能耗，輕量化設(shè)計已成為軌道交通領(lǐng)域的重要策略和趨勢。軌道車輛運(yùn)營商對新車型的要求也愈發(fā)嚴(yán)格，不僅追求更低的能耗、更快的速度、更高的運(yùn)載能力、更強(qiáng)的防護(hù)性能和更長的使用壽命，還強(qiáng)調(diào)維護(hù)的便捷性。與此同時，乘客的期望集中在舒適的乘車環(huán)境、愉悅的乘坐體驗以及車輛生產(chǎn)過程的環(huán)保性。展望未來，軌道交通裝備的發(fā)展將聚焦于輕量化、綠色環(huán)保、安全可靠和高效運(yùn)行。碳纖維復(fù)合材料因其優(yōu)異的強(qiáng)度重量比、耐腐蝕性和抗疲勞性，成為軌道交通行業(yè)的理想選擇。

盡管國內(nèi)已有碳纖維復(fù)合材料車體部件的設(shè)計與制備研究，但這些研究往往受限于傳統(tǒng)金屬車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造理念，未能充分展現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的獨特優(yōu)勢，尤其是在大型復(fù)雜承載結(jié)構(gòu)件的批量生產(chǎn)應(yīng)用方面仍有待突破。

碳纖維復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用正逐步擴(kuò)大，主要應(yīng)用于高速鐵路、地鐵和輕軌等系統(tǒng)。行業(yè)研究表明，碳纖維復(fù)合材料能夠使列車減重約30%-40%，從而提高能效和運(yùn)營效率。此外，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用已從最初的非承載結(jié)構(gòu)，如內(nèi)飾、裙板、導(dǎo)流罩等零部件，發(fā)展到如今的主承載結(jié)構(gòu)，包括頂蓋、設(shè)備艙、車體等重要部分。

2023年，中國軌道交通市場對碳纖維復(fù)合材料的需求規(guī)模約為10億美元，主要受益于高鐵網(wǎng)絡(luò)的快速擴(kuò)展和城市軌道交通建設(shè)的增加。根據(jù)中華人民共和國交通運(yùn)輸部的統(tǒng)計，2023年，中國鐵路營業(yè)總里程159,000公里，其中高鐵里程已達(dá)到45,000公里，全球占比超過60%。全年完成交通固定資產(chǎn)投資39142億元，鐵路固定資產(chǎn)投資7645億元，比上年增長7.5%。投產(chǎn)新線3637公里，其中高鐵2776公里。在2023年，中國軌道交通市場對碳纖維復(fù)合材料的需求達(dá)到了約10億美元，這一增長主要得益于高鐵網(wǎng)絡(luò)的迅猛擴(kuò)張和城市軌道交通建設(shè)的持續(xù)增加。根據(jù)中華人民共和國交通運(yùn)輸部的數(shù)據(jù)，截至2023年，中國鐵路營業(yè)總里程達(dá)到159,000公里，其中高鐵里程占據(jù)了45,000公里，全球占比超過60%。同年，中國交通固定資產(chǎn)投資達(dá)到39142億元，其中鐵路固定資產(chǎn)投資為7645億元，同比增長7.5%。新投產(chǎn)線路達(dá)3637公里，其中高鐵線路為2776公里。隨著國內(nèi)新線路的不斷投資建設(shè)，市場對輕量化、高強(qiáng)度材料的需求將持續(xù)增長，碳纖維復(fù)合材料的市場潛力由此可見一斑。

（來源：中華人民共和國交通運(yùn)輸部）

主要成型工藝

當(dāng)前軌道交通領(lǐng)域的碳纖維復(fù)合材料制造技術(shù)主要遵循了傳統(tǒng)的成型方法，包括使用熱壓罐、手工鋪設(shè)、拉擠、纏繞等技術(shù)。

• 熱壓罐技術(shù)：熱壓罐工藝是一種成熟的方法，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。它通過在封閉的罐體內(nèi)施加壓力和溫度，使樹脂固化和復(fù)合材料成型。這種方法的優(yōu)點在于能夠生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能穩(wěn)定的復(fù)合材料部件，但其設(shè)備成本高，能耗大，生產(chǎn)周期較長。

• 拉擠技術(shù)：拉擠成型技術(shù)是一種連續(xù)生產(chǎn)復(fù)合材料型材的方法，特別適用于生產(chǎn)具有恒定橫截面的長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。這種技術(shù)的優(yōu)勢在于纖維含量、原材料使用效率以及生產(chǎn)效率都較高。相較于手工鋪設(shè)，拉擠技術(shù)對環(huán)境的影響較小。但拉擠工藝生產(chǎn)的型材通常截面形狀較為簡單，對于復(fù)雜形狀的型材生產(chǎn)有一定的限制。

• 纏繞工藝：纏繞工藝是一種連續(xù)的纖維放置技術(shù)，其中連續(xù)的纖維（如碳纖維）沿著一個或多個軸線以特定的角度和層數(shù)纏繞在一個模具或芯軸上，然后通過樹脂浸漬和固化來形成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。其自動化程度高、結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活性、材料利用率高。主要用于制造軌道交通領(lǐng)域中的管道、壓力容器、罐體、傳動軸等具有圓形或類似幾何形狀的部件。

• 真空壓袋工藝：真空壓袋工藝是一種復(fù)合材料固化技術(shù)，通過在預(yù)浸漬的纖維層上覆蓋一層柔性薄膜，并抽取薄膜下的空氣形成真空，然后在一定溫度和壓力下固化樹脂。該工藝有均勻的壓力分布和低孔隙率。相較于熱壓罐工藝，其設(shè)備要求簡單，成本較低。適用于制造平面或簡單曲面結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料部件，如車廂地板、頂板、側(cè)墻等。

• 手工鋪設(shè)：手工鋪設(shè)是一種傳統(tǒng)的復(fù)合材料制造方法，適用于小批量或定制化生產(chǎn)。但由于其勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、質(zhì)量難以控制等問題，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。此外，手工鋪設(shè)過程中使用的粘合劑和樹脂可能對環(huán)境造成污染。

• OOA（Out-of-Autoclave）方法：OOA技術(shù)是為了克服傳統(tǒng)熱壓罐工藝的局限性而開發(fā)的。它不需要使用大型熱壓罐，可以在較低的溫度和壓力下固化樹脂，從而降低成本和提高生產(chǎn)效率。然而，OOA在制造高纖維含量的零件時，可能會遇到樹脂固化不完全、纖維分布不均等問題，限制了其在某些高性能要求場合的應(yīng)用。

在軌道交通領(lǐng)域，這幾種工藝可以相互補(bǔ)充，纏繞工藝適用于制造復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)件，而真空壓袋工藝則適合生產(chǎn)大面積的平面或曲面部件。熱壓罐工藝則因其能夠提供均勻的壓力和溫度，適用于生產(chǎn)精度要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合材料部件，確保了材料的高性能和可靠性。拉擠工藝則因其高效的生產(chǎn)能力和成本效益，適合大規(guī)模生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、形狀規(guī)則的型材和管材。通過多種工藝的結(jié)合，可以充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢，制造出既輕量化又具有高性能的碳纖維復(fù)合材料部件，滿足軌道交通車輛對高性能復(fù)合材料的需求。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些工藝也在不斷完善，推動軌道交通領(lǐng)域向更高效、更環(huán)保的方向發(fā)展。

應(yīng)用案例

• 2024年6月，中車四方攜手青島地鐵共同打造的全球首款商業(yè)運(yùn)營碳纖維地鐵——"CETROVO 1.0 碳星快軌" 在青島亮相。這款新型列車相比常規(guī)地鐵減輕了11%的重量，確保了在30年的使用周期中不會出現(xiàn)疲勞和腐蝕等問題，大幅減少了維護(hù)需求，并顯著降低了整個生命周期的成本。

• 2024年9月，中車齊車、國家能源集團(tuán)鐵路裝備公司及北京低碳清潔能源研究院共同研發(fā)的全球首批碳纖維復(fù)合材料輕量化重載鐵路貨車正式投產(chǎn)，這一里程碑事件顯示我國在重載鐵路裝備新材料制造及研發(fā)方面實現(xiàn)了重要進(jìn)展，對于推動我國重載鐵路運(yùn)輸向綠色低碳方向發(fā)展，具有深遠(yuǎn)的影響力和示范效應(yīng)。

這款貨車是首次將新型材料用于重載鐵路貨車主體承載結(jié)構(gòu)的制造。該復(fù)合材料的比強(qiáng) 度和比模量分別是傳統(tǒng)鋁合金的3至5倍和1.5至1.8倍，極大地滿足了重載貨車輕量 化及大型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)需求，展現(xiàn)了更輕、更節(jié)能、更高強(qiáng)度、更強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性的技術(shù) 特點。采用這種新型高性能材料的鐵路貨車車體，其自重比同類鋁合金車體減輕了超過 20%，自重系數(shù)僅為0.22，達(dá)到了國內(nèi)同軸重鐵路貨車的頂尖水平，實現(xiàn)了車輛自重 的減輕、載重能力的提升和容積的增大，這對提高鐵路運(yùn)輸效率具有極其重要的意義。

碳纖維復(fù)合材料在軌道交通中的應(yīng)用主要集中在車輛生產(chǎn)、精密制造等方面，特別是在高速列車的車體、動力學(xué)前端、制動裝置等關(guān)鍵部件上的應(yīng)用。例如，碳纖維復(fù)合材料制造的軌道列車動力學(xué)前端能夠承受很大的正負(fù)壓，滿足列車運(yùn)行中對強(qiáng)度和剛度的要求。此外，碳纖維復(fù)合材料的車體不僅減輕了重量，還提高了乘車的舒適度和絕熱防火性能。

在經(jīng)濟(jì)效益方面，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用有助于提高軌道交通工具的性能，降低能耗，減少維護(hù)成本，從而具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。然而，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能利用率仍有很大的提升空間。根據(jù)中車青島四方的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，目前我國碳纖維理論產(chǎn)能已超過30000噸，運(yùn)行產(chǎn)能約26500噸，但實際產(chǎn)量僅約12000噸，產(chǎn)能利用率不到50%。此外，碳纖維復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用還面臨一些挑戰(zhàn)，如關(guān)鍵輔料和裝備設(shè)施的供給問題，以及碳纖維復(fù)合材料設(shè)計—評價—驗證能力不足等。為了推動碳纖維復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，需要進(jìn)一步加大科研力度，提升技術(shù)水平，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的協(xié)同，以及完善相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系和應(yīng)用數(shù)據(jù)庫。