纖維增強復合材料在高速列車的應用及展望
摘 要：FRP(纖維增強復合材料)近年來在高速列車得到廣泛的應用，并作為一種新型高性能內飾及結構材料在替代輕金屬方面表現出巨大的優勢，國內外有關研究和生產單位開展了大量的研究和實踐應用。本文主要涉及FRP材料的物理性能，分析了其優點與不足，并介紹了 FRP對車輛內飾、外部導流罩、走行部以及減震降噪方面的應用與發展。后指出了未來纖維增強復合材料在軌道交通工具應用的發展前景。
1. 前言
隨著我國高速列車及其軌道交通的迅猛發展，我國國產動車組制造技術取得的長足的進展，同時伴隨著國內四縱四橫客運高鐵的逐步開通，動車組保有量逐步增加，截止2014年年底動車組保有量達到2000余輛。大量動車組的開通運營使在高速列車生產制造技術及運營管理儲備了明顯的優勢，在此基礎上，鐵路總公司提出了完全自主知識產權，按照統型技術條件的生產制造的標準動車組，該標準動車組已經在鐵道科學研究院環形鐵道試驗線及大西客運專線進行一系列的測試試驗，試驗完成后，將完全按照該技術條件生產制造特色標準動車組，該標準動車組對車輛的輕量化、防火、防毒防煙、舒適性及低噪音提出了更加嚴格的要求，這為纖維增強復合材料的應用提出了一個嶄新的空間。隨著復合材料技術的進步及成本的降低，復合材料在高速動車組的應用范圍正逐步從內部非承重結構件向走行部及結構件擴展，在未來高速軌道交通裝備中所占的比例將越來越高。
2. 復合材料在高速列車的應用要求
在當前高速動車組裝備制造正在建立完整產業生產鏈，從走行部到供電部以及列控系統基本建立了完產化的產業鏈條，有力的推動了裝備制造業的發展。這位國內纖維纖維增強復合材料產業進入高速軌道裝備制造提供了良好的契機。標準動車組的下線，標志著高速列車產業邁向了一個新的步伐，與現有動車組相比，標準動車組在整車輕量化、防火防毒以及舒適低噪音上進行了大量創新，大量阻尼復合材料及結構復合材料在標準動車組上開始了新的應用。
高速列車復合材料在高速列車的應用先應該滿足低毒、低煙、防火的要求，這是對所有高速列車方法復合材料的要求，其次作為承載結構件的復合材料必須具備高的承載能力及疲勞性能，這樣才能保證在高速運轉過程中列車的安全。
2.1纖維增強復合材料說明
纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymer，簡稱FRP) 是由纖維材料與基體材料按一定比例混合并經過一定工藝復合形成的高性能新型材料。近年來，FRP以其高強、輕質、耐腐蝕等優點，開始在裝備制造領域得到應用。目前工程結構中常用的FRP主要為碳纖維 carbon fiber)、玻璃纖維(glass fiber)和芳綸纖維(aramid fiber)增強的樹脂基體，分別簡稱為GFRP、CFRP和AFRP。
2.2 纖維增強復合材料的特點
(1)纖維增強復合與傳統金屬及輕合金材料相比在車輛輕量化具備明顯的優勢，具有質輕性能高的優點，主要性能對比見表1。從表中可以看出大部分復合材料的比強度和比模量比大部分軌道交通用輕合金材料高出約1.5倍，同時其密度大約是輕合金的0.5倍，因此從這個意義上講，復合材料在替代輕合金上具有較大的潛力和優勢。
表1 復合材料和輕合金及金屬材料力學性能對比
(2) 可設計性強度，纖維增強復合材料顯著特點是高比強度和高比剛度，，性能可以在一個很寬的范圍內變化，可以通過使用不同的纖維材料、纖維含量和鋪陳方向及樹脂基體設計出各種強度指標、彈性模量以及阻燃性能要求的產品，同時纖維增強復合材料的成型工藝適合于不同的結構和形狀的產品，在保證復雜部件成型的同時，性能保持不變，形狀可靈活設計。
(3) 高的安全性及疲勞性，軌道交通用復合材料一個明顯的特點是具備良好的可控的安全性及疲勞性，由于列車在高速運轉過程中疲勞周期較短，循環次數較多，容易造成承載部件疲勞損壞，良好的可控及預測疲勞性能對列車的行駛安全具有重要的意義。目前常用的軌道交通金屬材料，為了防止疲勞及預測疲勞裂紋的產生投入了大量的探傷及預防措施，來防止金屬材料達到疲勞極限或者疲勞裂紋失穩擴展，造成零件失效。與金屬材料相比，纖維增強復合材料由于纖維的力傳導性，在疲勞缺口產生時，部分應力可以通過纖維傳遞到低維界面，減輕對缺口的沖擊，缺口敏感度降低，即使出現缺口，復合材料也不立即失效，具備良好的疲勞性能同時可以實現提前監測。
(4) 高的耐腐蝕性，纖維增強復合材料可以在各種酸堿及潮濕環境中長期使用，這與目前軌道交通用金屬材料相比具有明顯的優勢。為防止軌道交通金屬材料的在各種酸堿環境中由于腐蝕失效，投入了大量的人力與物力進行防腐蝕措施，同時由于各種腐蝕縮短了部件的服役周期，提高了列車的運營成本。由于國土面積幅員遼闊，高速動車組運營環境多樣化，作為車底及轉向架等走行部配件承受著不同的環境侵擾，因此利用復合材料對其替代，不僅實現了車輛走行部件輕量化，還將部件壽命的延長。
(5) 低成本促進復合材料在軌道交通的應用，隨著各種纖維制造技術的進步及成熟，各種纖維成本逐步降低，為各種航空用復合材料在軌道交通的應用實現了可能。同時，各種纖維增強復合材料成型技術的成熟及新工藝的應用，為大規模模塊化生產復合材料提供了基礎，大量模塊化設計的纖維增強復合材料在軌道交通的應用，延長了整體車輛的使用成本壽命。
(6)纖維增強復合材料良好的隔震阻尼性能，由于高速動車組輕量化的發展，隨之而來的軌道交通工具的寬頻振動及噪聲越來越嚴重，振動過大時不僅影響乘車的舒適性，嚴重時將直接導致零部件的失效，造成行車事故?？紤]到金屬材料的低阻尼性及降噪設計的復雜性，大量組合設計的纖維增強復合材料應用在車體夾層、車體底部、發動機等部位來降低車體的振動及噪音。表2是不同材料阻尼影響因子參數，從圖中可以看出與金屬材料相比復合材料具有明顯的優勢。由于作為阻尼的復合材料單獨使用時承載能力較弱，通常與金屬承載件復合在一起使用，在利用金屬件承載的同時，充分發揮纖維增強復合材料多維阻尼的性能。為了消除不同頻段的振動噪音，通過多種纖維及樹脂基體復合使用，來充分發揮復合材料的協調效應來吸收和減輕列車振動噪音。
表2 不同材料的阻尼影響因子
(7) 各種新型阻燃劑的開發，提高了纖維增強復合材料的阻燃性能，為復合材料的使用消除了安全隱患，擴大了纖維增強復合材料的應用。阻燃理論的成熟和新型阻燃劑的開發，促進了纖維增強復合材料在裝備制造領域的應用部位及比例。
3. 纖維增強復合材料在高速軌道交通的應用
在20世紀80年代，隨著航天技術的發展與成熟，復合材料在航天發射器及飛行器領域進行了大量的應用，當時復合材料主要作為隔熱及內飾材料進行應用。進入21世紀后，軌道交通的發展，尤其高速動車組技術的發展，客觀上促進了纖維增強復合材料在高速列車的應用，從初內飾件逐漸發展到承載功能件，其應用范圍與功能發生了巨大的變化。尤其隨著標準動車組的下線，在現有動車組技術基礎上進行了大量的突破，在解決全車輕量化、低噪音上采用了大量的纖維增強復合材料。在整車應用復合材料上，法國國營鐵路公司在TGV列車利用復合材料制造了樣車，并進行了大量的運營及防火實驗，實驗結果表明復合材料足夠勝任高速列車的對材料的各項性能要求，這表明以纖維為增強材料的各中樹脂復合材料正在從車廂內飾件配件等非結構件向車體等結構件延伸。
3.1 傳統車輛內飾件
在高速動車組內部主要是車輛裝飾板、集便器、盥洗臺、座椅支架、水箱、車前蓋頭等。在行李架上也大量采用玻璃鋼與鋁合金復合的支撐結構。如裝飾板采用鋁合金上疊合一層不燃性的纖維增強塑料, 廁所、盟洗室、座椅及水箱還要考慮到衛生和耐腐蝕性, 也以不燃性的為佳。在外部的受電弓及前段導流罩上，動車組也大量采用玻纖增強復合材料。纖維增強復合材料在車輛內部的應用見圖1所示，車廂內部大量采用纖維增強復合材料。
圖 1 纖維增強復合材料在車輛內部的應用
3.2 車頭導流受力結構件
纖維增強復合材料在高速動車組的一個重要的應用就是車頭前段的導流罩，前段導流罩對于動車組車頭的空氣動力學性能影響較大，良好的導流罩外形設計可以精確的滿足動車組高速運行的空氣動力學需要。纖維增強復合材料的易于設計及成型特性，可以很好的利用計算機設計成型，設計出滿足要求的外形，同時纖維增強復合材料的抗沖擊性提升了其應用價值。在國外意大利ETR500 高速列車的車頭前突部分采用的是芳綸纖維增強環氧樹脂的FRP，用這種材料模型成型的符合空氣動力學線型要求的車頭，具有優異的抗沖擊能力，當列車以300 km/h 速度行駛時有很好的尺寸穩定性。同時也有部分芳綸纖維增強樹脂的車頭。在國內高速動車組的主要采用聚酯纖維增強復合材料制造的前段導流罩，并且在高速軌道檢測列車上進行了應用，如圖2所示。
圖 2 時速400km高速軌道檢測列車
3.3 車體結構件
車體結構需要承受旅客的重量和各種設備的重量，以及動車組在運行過程中的縱向、橫向和扭轉等載荷，所以車體需要有足夠的強度和剛度，目前動車組車體大量采用輕質鋁合金及雙夾層結構設計，車體的重量大概占到總車重的15~30%左右，因此隨著輕量化的需求不斷增強，輕質鋁合金已經不能滿足高速列車對輕量化的需求，于是人們把目光轉向了復合材料上，并進行了部分試驗應用，有部分復合材料成功推廣應用，隨著未來復合材料技術的成熟度提高，車體結構復合材料比例將越來越高。法國早在TGV雙層高速列車上進行了試驗，制造了復合材料車體掛車，進行了試驗，試驗結果表明其能夠滿足高速列車在運營過程中的各項力學沖擊，同時其阻燃及隔震性能良好，與鋁合金車體相比質量減輕25%左右。在鋁合金的雙層夾層中，充填碳纖維樹脂發泡復合材料，來達到隔音降噪的目的。
出于降低列車在高速運行時的噪音及提高舒適性考慮，中空夾芯復合材料在列車上進行了大量的應用，使用中空夾復合材料做的墻板及面板與鋁面板沒有任何區別，同時其質量輕，隔震降噪性能良好。巴斯夫在提高鐵路車輛強度和減輕車重上采用聚氨酯復合材料方案，如用于車內地板和墻壁的Elastoflex紙質蜂巢技術，用于外部車頂的輕質、高強度、高剛性長纖注射(LFI)技術等。在LFI工藝中，玻璃纖維卷被切成長短可調的纖維，然后與聚氨酯反應組合料混合，由此得到超高強度的復合材料。
3.4 走行部功能件
走行部主要是車體下部轉向架及車輪結構，轉向架是車輛系統中重要的組成部件，其結構設計的合理性直接影響車輪的運行品質、動力學性能和行車安全。對于鐵路車輛，轉向架具有承載、導向、緩沖、牽引和制動的功能，因此在轉向架上集成了大量的功能件，從改善舒適性、安全性及輕量化考慮，也有部分復合材料的應用。截止目前，只有德國隊整車復合材料轉向架進行了研究并試生產，經過試驗表明復合材料轉向架經過100萬公里的運營考察后，沒有出現任何損壞及磨損。復合材料轉向架與金屬轉向架相比重量大大降低，運行舒適性提高，降低了檢修成本，但是基于復合材料整體成本及技術成熟度，復合材料轉向架尚未進行推廣，相信隨著相關復合材料理論的成熟及成本的降低，復合材料在轉向架的應用比例將逐步提高。
軸承是保證動車組軸承安全運行的關鍵部件，它直接決定設備的可靠性、使用效率及使用壽命。動車組軸承保持架一般選擇玻纖與尼龍復合材料作為保持材料，如圖3所示。尼龍材料具有原料充足、成本低、自潤滑性好、易加工等優勢，成為塑料保持架常用的材料。PA軸承保持架，相對其它保持架材料，具有質輕、噪音低、易注射成型、耐摩擦、自潤滑性能良好的特點。同時使用尼龍復合材料制造的轉向架框及制動拉桿磨耗套都已經量化生產，其耐磨性好使用壽命長。
圖 3 尼龍保持架
復合材料輪心，目前歐美正在研制復合材料輪心來減小輪軌接觸噪音及沖擊。同時復合車輪技術也是一項正在研究的減震降噪技術，通過利用膠黏劑將復合材料板與車輪側面粘接在一起來降低車輪行進過程中產生的噪音。同時利用泡沫復合材料與車輪形成整體輪轂式結構來達到降噪的車輪已經在城市軌道交通應用。
3.5 隔音隔熱減震部件
在動車組上采用隔音隔震隔熱材料的結構主要形式包括：
（1） 車內墻板、地板、頂板上安裝的碳纖維增強材料；
（2） 客車室內頂上部起隔震隔熱作用的支撐材料；
（3） 車體性材料內部填充的粘貼及發泡纖維增強復合材料；
?。?） 車體下部起遮蓋關鍵部件的蓋板罩；
4. 我國纖維增強復合材料在高速列車應用亟需解決的問題
從復合材料內部裝飾件到承重結構件，纖維增強復合材料以其優異的特性展示了巨大的優勢及應用前景。目前除應用現有技術和工藝，為高速列車研發、配套車門、整體衛生間等車體設備和裝飾件外，纖維增強復合材料在結構承載件應用相對較少，同時適用于纖維增強復合材料的各種增強纖維國產化率低，尤其在高速列車應用較少，相關制造工藝及纖維制造技術的不成熟阻礙了國產復合材料在高速列車的應用，因此應當應深入研究具有自主知識產權的復合材料制造技術及其產品，提高復合材料在高速軌道領域的應用水平，促進我國高速軌道交通事業的發展。結合我國標準動車組的發展需求，我們認為纖維增強復合材料要在高速動車組大規模應用，尤其在大型結構件上應用，先需要解決一系列問題。
4.1 復合材料服役及失效機理分析
金屬材料作為高速軌道交通結構及承載件，在經過長達半個世紀在高速軌道交通工具的應用，其服役失效機理理論成熟，從生產到預防探傷建立了一整套的設備及理論，有力的保證了其服役安全性。纖維增強復合材料作為一種新材料在軌道交通上作為承載結構件使用，必須對其服役模式及失效機理進行分析，建立預防措施，從而保證作為結構件使用的安全性。同時由于纖維種類不同，造成復合材料性能差距較大，這種多樣性為設計提供方便的同時，也加劇了復合材料作為結構件應用的不確定性，因此需要對其服役和失效機理進行分析，從而為復合材料在整體結構材料的應用提供理論和數據支撐。
4.2 大型結構件設計技術
良好的設計基礎是復合材料應用的前提，是實現減重和安全性的保證。就復合材料本身性能而言，其剛度、強度及疲勞性能均可滿足高速動車組的需求，復合材料大型結構的設計、各部位對載荷的要求、鋪層的設計、接頭的設計等方面才是制約其應用推廣的關鍵。歐美各國都已經實現了全自動計算機設計計算技術，設計技術成熟，水平較高，而且 專業化、計算機輔助設計軟件己經商業化。而我國相關制造技術應用范圍較小，相關制造單位技術實力薄弱，還不具備與國外廠商競爭軌道交通市場的能力。
4.3 高性能增強纖維研發
纖維對作為復合材料增強結構，對于復合材料的整體性能有著重要的影響，我國相關高性能纖維
種類的缺失，造成了相關復合材料整體性能低下，造成纖維增強復合材料在動車組的國產化率低下，因此為促進纖維增強復合材料在高速動車組的應用，必須加強對相關高性能纖維的研發。
4.4 低成本的制造技術
低成本制造技術 低成本制造技術的范圍較廣，一般將成型效率高、成品率高、原材料適用性廣的工藝技術稱為低成本技術。對于高速軌道車輛制品而言，低成本制造技術是指多種成型工藝協作的系統。因為制造大而復雜的高速軌道車輛產品，通常只有應用多種成型技術才能達到理想的效果（比如 減重、高性能等）。德國 AEG 和 MBB 公司在開發轉向架時同時應用了模壓、纏繞、拉擠 成 型技術以及粘結技術。因此只有將各種工藝、技術有機融合，復合材料才有可能在高速軌道交通領域得到更新、更多地應用。
5. 高速列車纖維增強復合材料發展的方向
5.1 熱塑性纖維增強復合材料的應用
隨著國內高速動車組保有量的增多，纖維增強復合材料的應用數量及范圍逐步擴大，這就為復合材料的回收利用帶來了新的問題，熱固性纖維增強復合材料的無法回收，造成資源浪費及環境污染，不利于資源與環境的可持續發展。熱塑性纖維增強復合材料作為一種可回收的材料，在使用成本及回收上都具有巨大的優勢。當前鐵路貨車地板的改進全部采用熱塑性的復合材料板，也代表了纖維增強復合材料在軌道交通領域的發展趨勢，隨著環保政策的日益嚴格，鐵路主管單位也將陸續出臺相關軌道交通纖維增強復合材料應用技術條件及標準，將提升熱塑性纖維增強復合材料的應用范圍。
5.2 高阻燃性能纖維增強復合材料
隨著國內軌道交通的發展，尤其高速鐵路的發展，復合材料的阻燃性能越來越為所重視，大量有機復合材料的應用使軌道交通工具對于整車阻燃性能有了更高的要求。目前國內對于軌道交通工具防火要求及方法標準不一致，因此造成在采用相關纖維增強復合材料的選擇上存在區別。目前執行的動車組阻燃標準主要是TB/ 3327-2010《動車組內裝阻燃技術條件》，該標準主要針對動車組內裝材料及部分結構件進行了阻燃規定，包含材料見表3。
表3 動車組內裝材
在上述標準中對非金屬材料的氧指數、45°角燃燒性能、煙密度及燃燒后的煙氣毒性進行了規定，由于早期的動車組引進技術來源不同，執行的阻燃標準不一致，因此在制定上述標準時，主要考慮了對國內動車組的適用性，在考慮與國際標準接軌上有一定的欠缺。同時隨著標準動車組的進一步發展，不斷有新產品及新材料在動車組中應用，上述標準的規定的材料范圍已經不適用，因此鐵路主管單位已經在編寫新的高速動車組阻燃技術條件，新的阻燃技術條件在阻燃性能及測試方法在與歐盟及美國標準對接時，逐步提高相關非金屬材料的阻燃技術指標，為高速鐵路走出去提供保障。因為纖維增強復合材料未來的發展應該是在滿足輕量化、承載結構的要求基礎上，著重發展低煙、無毒、低毒及難燃的復合材料，從纖維種類、阻燃劑種類及填料體系入手，開發阻燃性能良好的纖維增強復合材料，保證高速列車的運營安全。
6. 纖維增強復合材料的應用展望
隨著國內軌道交通的高速發展和技術飛速進步，軌道交通工具對于輕量化的要求越來越高。在有些條件下傳統金屬材料已經很難滿足這種發展要求。纖維增強復合材料具有輕質，高強，耐腐蝕，抗疲勞，耐久性好，多功能，適用面廣，可設計和易加工等多種優點。在重要的軌道交通工具內裝材料、承載結構以及車體上，都具有巨大的優越性。隨著軌道交通制造與纖維增強復合材料技術的不斷成熟，纖維增強復合材料將在大部分軌道交通工具部件上使用。纖維增強復合材料作為一種新型的有發展潛力的材料與技術，將逐步擴大在軌道交通工具的應用量，減輕軌道交通工具的重量，從而達到節能環保的要求。纖維增強復合材料在軌道交通工具的應用和開發，已經成為當今交通工具生產也制造的一個熱點。該技術研究的不斷成熟，將不斷替代各種金屬材料在軌道交通的應用，提高軌道交通工具的舒適性及安全環保性。將為現代復合材料的發展開辟一個新的應用領域，從而產生明顯的社會和經濟效益。
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