輕量化碳纖維夾芯結構復合材料在軌道交通領域研究進展

衛 海

(西安鐵路職業技術學院，陜西 西安 710026)

軌道交通行業的迅速發展拉近世界了各國與我國之間的關系。我國各城市內部發展也迎來了全新的發展，城鎮化發展的速度也加快了腳步。在歷經數十年的發展后，已將輕量化、智能、綠色、低碳、系列、平臺與標準列為軌道交通行業未來發展目標。軌道交通在未來發展期間，在滿足舒適性、高效率的同時，還應將低碳環保作為未來發展的主要目標?；诖耍瑸榱耸箓鹘y軌道交通耗能大、質量大的缺點完美規避，研究并開發全新的新型輕質材料以及加工工藝是當下最核心的問題。軌道交通車輛在全面升級為輕量化后，車體全部的質量得到有效降低，軸重也會因車體質量下降而下降，軌道交通車輛的時速得到大幅度上升；在滿足當下快時代社會發展的需求外，成本還得到了有效降低。此外，車體整身質量在得到降低的同時對軌道的損耗也會降低，軌道的維護成本也會得到有效降低。降低對軌道磨損的同時，車體振動也會得到降低，這樣一來就可以為乘客提供更為舒適的環境，車輛在行駛過程中的穩定性與安全性也得到了提升。

1 碳纖維夾芯結構復合材料應用現狀

如今我國將碳纖維復合材料應用在軌道交通車輛中的現象已經十分普遍。如圖1所示，我國軌道交通車輛中的客艙，其在制備過程中所使用的材料80%為碳纖維復合材料，可承受載荷為850 N，所承受的平均載荷為每延米1 000 N，承受縱向為3、橫向為1、垂直為2的沖擊；且組裝完成后期車身整體外形優雅，辨識度較高。

圖1 碳纖維復合材料在車輛中的應用

近幾年，綜合性能穩定的輕量化碳纖維夾芯結構復合材料在國內軌道交通車輛中的應用范圍還在不斷擴大，如圖2所示。此材料的安全性系數極高，它的耐腐蝕、抗震、防火、防水、隔音、隔熱等性能都十分突出，并且在市場中的應用范圍極廣，得到了高度認可。

圖2 碳纖維夾芯結構復合材料在國內電車中的應用

2018年9月18日下午，在德國舉行的柏林國際軌道交通技術展上，中車四方股份公司正式發布碳纖維復合材料地鐵車輛“CETROVO”，此列車從車頭到車尾全部采用輕量化碳纖維夾芯結構復合材料制備而成，與傳統的鋁合金列車相比，整車減重35%，具有環保節能,運行噪音小等特點，是全新一代列車車體;示意圖如圖3所示。

圖3 全新一代地鐵列車車體

如今的列車整體從內到外的每個部件以及墻板、頭罩、裙板等均可以采用碳纖維夾芯復合材料來制作，目前轉向結構以及車體上的承力部件也正在進一步的研發中。

2 碳纖維夾芯復合材料性能優勢

碳纖維夾芯結構復合材料總體由3部分組成，最外層由蒙皮制成，使用高模量與高強度的材料制成，如碳纖維織物等。中間部分所使用的材料通常為芯材，它的主要作用就是確保整體結構的截面慣性距離充足。其次為列車的膠接層，此層主要是將蒙皮與芯材連接在一起，利用熱壓罐將其成型，該復合材料具有高強度、高比模量、抗疲勞性、抗震降噪性以及耐腐性等突出特點。

2.1 高比模量

以樹脂、碳纖維織物為基礎，將2種不同的材料先進行融合，然后進行制備工作，所制備出的材料為碳纖維夾芯復合材料。以這兩種材料為基礎所制備出的碳纖維夾芯復合材料的綜合性能都要優于傳統鋁合金。因為軌道交通的全部設計均需要符合設計指標，因此在使用碳纖維夾芯復合材料制備時還需經過強度等效設計原則，來按照最佳鋪層的厚度、順序、角度以及形狀來設計，確保碳纖維復合材料始終滿足我國軌道交通領域高力學與高強度的設計指標。此外，采用此材料還可以使車身質量得以下降，輕量化目標也得以實現。

2.2 耐疲勞性

碳纖維夾芯結構復合材料靜態拉伸強度中僅抗疲勞性占到了78%左右；而傳統的鋁合金材質靜態拉伸強度中的耐疲勞強度僅僅只占48%左右。因此，利用碳纖維夾芯結構復合材料所制備出的零件使用壽命更高，其穩定性與安全性較高。

2.3 抗震降噪性能

碳纖維夾芯結構復合材料的內部泡沫密度較小，所含有的小縫隙偏多，其中小縫隙可實時儲存空氣；但是對于固相介質材料來說，氣象介質所傳播的速度就會大大降低，這代表碳纖維夾芯結構復合材料的隔音效果十分良好。

2.4 耐腐蝕性能

采用單體分子聚合而成的高分子樹脂作為復合材料的基體材料，能夠使得碳纖維夾芯復合材料具備較好的化學穩定性、耐濕熱性能以及耐酸堿性能，應用碳纖維夾層復合材料的部分維修成本也會不斷下降，使用壽命長且實用性更強。

3 輕量化等效設計原則

3.1 設計原則

在對輕量化碳纖維夾芯結構復合材料設計期間，應將替換傳統鋁合金作為第一原則。碳纖維夾芯復合材料與鋁合金相比，如若兩種剛度都在不降的情況下，確保鋪層結構的設計符合軌道交通領域設計原則是十分關鍵的問題，可通過詳細分析材料數據，最終獲取剛度、強度和車體質量最為合適的結構。本文以鋁合金材料作為相較對象來進行統一分析，如表1所示。

表1 材料性能參數

3.2 力學分析

剛度等效：傳統鋁合金結構受力參數在分析期間，只是簡單的將變形作為首要考慮的重要因素，通過選取最為科學的合度等效來替換材料，使碳纖維夾芯材料與傳統鋁合金的結構簡化；而復合材料只需要考慮剛度問題，以此為基礎逐漸推算，可將結構參數推出。

已知剛度等效原理：

≤

(1)

式中：為材料的剛度。

=·

(2)

式中：為材料的截面慣性矩；為材料的彈性模型。

(3)

式中：板材的厚度為；板材的截面寬度為。

(4)

式中：等效后的減重率為；鋁合金與碳纖維復合材料整體質量分別為、。

根據表1可算出2種材料的剛度參數，碳纖維復合材料為61 GPa，假設鋁合金材料厚度為12 mm，截面寬度為100 mm，則：

=·=71×100×12/12=1 022 400 N/mm

(5)

=·=61×[100-(100-2)×(-2)]12

(6)

等效處理后的碳纖維復合材料厚度為;外層蒙皮厚度為,假設為15 m。

經對比計算可得，碳纖維復合材料的總厚度為17 mm; 用外層蒙皮厚度為14 mm的PVC泡沫填充來代替，減重率達到了80%，所得剛度約為1 144 421N/mm。這代表≥，表明碳纖維復合材料完全符合車輛的剛度要求。

4 碳纖維夾芯復合材料的加工工藝

4.1 共固化

碳纖維夾芯復合材料在制備過程中鋪層模具的順序被稱為共固化，主要按照蒙皮、膠膜、夾芯材料、膠膜、蒙皮來進行鋪層，鋪層完成以后在將模具放置專用的工具上,然后設置符合標準的穩定來使其凝固成型，再進行脫模修型，最終獲得完整的碳纖維夾芯復合材料。此加工工藝工序少、生產周期較短，而且產品外形也有保障，復合材料一體化的特點得以展現。

4.2 二次固化

二次固化可將復合材料的強度提升至更高，在復合材料共固成型后，可將夾芯材料與蒙皮進行二次粘接固化，最后脫模成型。在共固化成型后，防止出現夾芯材料抗壓能力小的現象，從而使蒙皮在壓力更高的環境下進行二次固化，保證剛性符合標準。

5 車體成型技術及工藝選擇

碳纖維夾芯復合材料制備期間最核心的部分便是車體成型；而車體較大的CFRP列車，可通過模塊化與成型的方式來利用粘接等工藝使模塊裝配相連接。此外，車體模塊化的加工過程可以簡化操作，使制作過程中含有的風險降低，但是需要注意模塊過多的情況下，所需要的各種零件也會增加，裝備期間需要連接的數量也會不斷增加。如若車體在制造過程中需要劃分不同模塊來制作，在使用裝配連接于一體時，車體結構通常會因為剛度不強而導致車體晃動，這可能會導致車體裝配連接不穩定，同時也是剛度最弱的部分。

除此之外，增強骨架和三明治結構也是制備過程中最為常見的工藝。骨架工藝通常使用的材料可為碳纖維復合材料，也可為鋁合金材料；骨架與骨架之間的連接均采用三明治夾芯結構，構成的車體呈骨架強、蒙皮弱。采用這種結構最突出的優勢就是車體的剛度可得到保障，而且骨架的一體化也得到有效增強。此外，骨架與骨架之間使用三明治夾芯結構，車輛整體重量在降低的同時，抗震降噪與耐熱等方面的性能也十分突出，均可滿足當代軌道交通車輛的需求。

6 結語

軌道交通領域輕量化碳纖維夾芯復合材料的應用并不是輕而易舉的，從后期的維護到運營所需成本的利益都要進行合理的分析評估，方能執行?，F有的碳纖維夾芯結構復合材料在使用成本方面仍有提升的空間。采用預浸料的方式來減少廢料的處理或者使用成本較低的碳纖維材料使自動化制造能力提升等都是有效降低碳纖維夾芯復合材料制作成本的方法。綜上所示，輕量化碳纖維夾芯復合材料在軌道交通領域應用過程中應對各部件設計性能統一分析，只有這樣才能制備出低成本、高性能碳纖維夾芯結構復合材料產品。