摘要：综述了碳纤维复合材料在国内外轨道交通装备中的应用情况，探讨了轻量化材料的优势。分析了碳纤维复合材料的力学性 能， 与钢材等传统材料进行对比， 指出其在强度、刚度、密度等方面的优势。针对碳纤维复合材料 CFRP 面临的技术难题进行了分 析， 如材料变形、抗冲击性差、电磁影响等， 提出了针对性的解决方案， 并重点分析碳纤维复合材料的变形及其影响因素。研究 行业可应用 CFRP 的模块化产品并确定了应用的难点、痛点，提出了未来应用的建议。展望了碳纤维复合材料特性与轨道交通行业 发展方向的契合点以及未来发展方向。研究结果为碳纤维复合材料在轨道交通领域的应用难点、痛点的攻关提供了参考及方向。

　　关键词：碳纤维复合材料;轨道交通;技术难题; 应用展望

　　Application and Prospect of Carbon Fiber Reinforced Plastic in Rail Transit Industry

　　Mao Desheng ，Bai Yu ，Zhou Yan ，Han Yuanfei ，Wang Xinhui

　　(School of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao City University, Qingdao, Shandong 266106. China)

　　Abstract: The application of carbon fiber composites in rail transit equipment at home and abroad is reviewed, the advantages of lightweight materials are discussed. The mechanical properties of carbon fiber composites are analyzed, compared with traditional materials such as steel, and its advantages in strength, stiffness and density are pointed out. The technical problems faced by CFRP are analyzed, such as material deformation, poor impact resistance, electromagnetic influence and so on, the targeted solutions are put forward, and the deformation and influencing factors of carbon fiber composite are analyzed. The modular products that can be used in CFRP are studied, the difficulties and pain points of application are determined, and the suggestions for future application are put forward. The convergence of the characteristics of carbon fiber composite materials with the development direction of rail transit industry and the future development direction are prospected. The research results provides reference and direction for the research of the application difficulties and pain points of carbon fiber composite materials in the field of rail transit.

　　Key words: carbon fiber composites; rail transit; technical difficulties; application prospect

　　引言

　　发达国家在碳纤维复合材料轨道交通应用方面处于 领先地位[1-2]。日本川崎重工 2014 年开发的“efWING ” 转向架是世界首例主承载结构采用碳纤维复合材料的案 例， 同时引入碳纤维复合材料弓形弹簧， 减重达 40%[3] 。 2010 年韩国 TTX 摆式列车采用了碳纤维复合材料制作的 车顶、侧墙板、端墙产品， 质量降低 40%[4-5]。英国 Inter city125 城际高速列车、意大利 ETR500 高速列车、法国 阿尔斯通研发的 AGV 高速动车组等都部分地使用了碳纤 维复合材料制作车辆的内饰、主承载结构件或次承载结 构件，减重、节能效果良好，各种性能测试均达标。

　　近几年， 国内在碳纤维复合材料轨道交通应用方面 也有了长足发展[6] 。2016 年， 中车四方股份公司成功研 制出高铁碳纤维/玻璃纤维复合材料设备舱， 与原来的铝 合金结构比较， 减重 30% 。2018 年中车四方股份公司发 布了全碳纤维地铁车“CETROVO ”[7] 如图 1 所示， 实现了碳纤维复合材料在司机室、车体、转向架和设备舱部 件等结构件中的应用。其车体、设备舱较原金属方案减 重约 30%， 转向架较原金属方案减重 40% 。2021 年唐车磁悬浮列车司机室操纵台模块采用了碳纤维复合材料， 较原来的玻璃钢方案减重 25%。预计未来我国碳纤维复合材料在轨道交通领域的应用范围还将不断提高。

　　轨道交通行业对所用材料有很多特殊要求， 如安全 性、耐腐蚀性、隔音性、 30 年使用寿命、防火等级、环 保性等。车辆轻量化不但可以提速降噪，而且可减少能源 消耗和碳排放，增加新能源列车的通勤距离，从而带来巨 大的社会和经济效益。随着国家 2030 碳达峰和 2060 碳中 和目标的提出，低碳环保、整车轻量化的需求日益凸显。

　　轨道交通车辆轻量化设计包含三大关键技术： 系统 集成、使用轻量化材料、结构轻量化优化[8]。设计之初， 要求选择合适的轻量化材料来达到此设计目标。

　　本文综述了碳纤维复合材料在国内外轨道交通装备 中的应用情况; 探讨了轻量化材料的优势; 研究行业可 应用碳纤维复合材料 CFRP 的模块化产品并确定了应用 的难点、痛点， 提出了未来应用的建议。

　　1 轻量化材料

　　常用的轻量化材料包括聚碳酸酯材料(PC)、抗倍 特板(HPL)、铝蜂窝板、铝合金、玻璃纤维复合材料 FRP(下简称玻璃钢)、碳纤维复合材料 CFRP 等。

　　聚碳酸酯材料是一种良好性能的工程塑料， 可以 在-40~130 ℃环境下使用。在轨道交通领域， 聚碳酸酯 材料常用于替代玻璃隔断， 制作装饰板、灯罩、灯壳等 产品或部件， 具有美观、轻量、易成型、耐候性好等优 点，但是其强度不如金属，价格也较高。

　　抗倍特板是以酚醛树脂为胶凝剂， 以装饰用纸或其 他薄膜为饰面生产而成的一种板材。它具有表面效果好、 耐磨性强、强度高、尺寸稳定性好、耐水、耐热、耐污 染等优点。轨道交通行业中， HPL 材料多用于车厢内饰 面板， 也可用于地板。它的刚度较复合材料好， 其缺点 是较重， 不如轻质金属和复合材料。抗倍特板常用于制 作卫生间、端墙和柜体及柜门等零部件。

　　铝蜂窝板是一种蜂窝芯夹在两层平面铝板之间制成 的轻质夹芯板， 具有强度高、刚性好、密度低的特点。 铝蜂窝板可在轨道交通车辆上广泛使用， 如地板、内饰 板、顶盖板等， 优点是平面度好、轻量、加工性好， 但 成本较高。铝蜂窝板常用于制作表面要求平整的中顶板。

　　铝合金具有强度高、密度低的特点， 轨道交通车辆 广泛使用铝合金制作车体、门体等部位。铝合金优点是 加工性好， 强度轻量化， 但成本也较高。另外， 铝合金 常用于制作曲面造型简单、无倒扣结构的产品， 例如侧 墙、扶手以及内装件与车体连接的连接件。

　　玻璃钢是玻璃纤维增强塑料 GFRP， 常为手糊工艺 成型， 即玻璃纤维短切毡浸满树脂层叠滚压而成， 另外 有 RTM、真空袋及模压成型。玻璃钢的主要优点包括高 强度、高刚度， 良好的耐腐蚀性， 可透 X 光， 电绝缘性 能好， 加工性好。玻璃钢常用于外饰车头、导流罩、裙 板、设备舱底板的制作， 也广泛应用于内装的大部分产 品， 例如侧墙、侧顶、顶板、门立柱、端墙、地铁座椅 等。轨道交通常用材料的性能参数如表 1 所示。

　　其中， 碳纤维复合材料是以碳纤维为增强的复合材 料， 具有极高的比强度和比刚度， 轻量化效果显著， 用 于轨道交通车辆车体结构可大幅减重。碳纤维复合材料 的密度约为钢的 1/4. 抗拉强度是铝合金的 3～5 倍， 比 强度是钢的 12～20 倍。

　　轨道交通复合材料中常用的热固性树脂主要包括不 饱和聚酯树脂、酚醛树脂和环氧树脂。不饱和聚酯树脂常 用于玻璃钢制作，酚醛树脂因其烟毒性能等级较低，使用 范围受限。环氧树脂价格较高，但因具有更好的环保性、 力学性能， 更重要的是它与碳纤维有良好的兼容性， 最 适合作为基体材料与碳纤维结合制造碳纤维复合材料。

　　2 碳纤维复合材料优势及应用现状

　　2.1 材料优势

　　碳纤维复合材料由碳纤维和基体材料组成， 具有强 度大、密度小、模量高、疲劳强度高、服役温度范围宽、 抗腐蚀性好等优点，具体特性如下。

　　( 1) 高比强度和比刚度。碳纤维复合材料的比强度 是普通钢的 35 倍， 比刚度是普通钢的 23 倍。与玻璃钢相 比， 其比强度提升了 50%， 在相同工况下可以降低产品 厚度， 进而可以大幅减轻模块产品质量， 轻量化方面的 优势更加明显。

　　(2) 优异的疲劳强度。碳纤维复合材料的疲劳强度 远高于金属材料，使用寿命长。

　　(3 )低热膨胀系数。我国南北温差可达 50 ℃, 碳纤 维复合材料的热膨胀系数仅为金属材料的 1/5 左右， 使 用温度范围宽，更适合运行在南北大动脉的轨道车辆。

　　(4) 良好的抗腐蚀性。碳纤维复合材料可以抵抗各 种酸碱腐蚀、氧化及海水腐蚀，使用寿命长。

　　(5) 低的摩擦因数[9]。碳纤维复合材料的摩擦因数 小于 0.25.有效减小了机械系统的能量损失。

　　(6) 高度设计自由度。可以根据加载情况合理设计 材料的铺层方向。

　　(7) 良好的隔音减振性能。通过设计可以获得较高 的结构阻尼， 降低噪声和振动。

　　(8) 具有导电性。碳纤维复合材料可以用作导电和 电磁屏蔽材料。

　　(9) 高的 X 射线透过率。 1 mm 厚的铝板和碳纤维复 合材料， 它们的 X 射线透过率分别为 78% 和 96%， 同时铝板散射和吸收消耗为 22%， 而碳纤维复合材料只有 4%， 常用于医用和安检用途。

　　( 10)具有金属材料不具备的复杂曲面造型特性。轨 道交通中铝产品通常为冲压工艺， 不能实现复杂的曲面 造型，碳纤维复合材料为模具成型，造型自由。

　　( 11) 良好的防火性能。碳纤维复合材料可通过严苛 的 EN45545-R1HL2 防火测试，保障司乘安全。

　　2.2 在轨道交通领域应用现状

　　常树民等[8]探讨了城市轨道交通车辆的轻量化设计， 阐述了如何通过系统集成、使用轻量化材料和结构轻量 化优化等手段来达到这个目标。文中指出， 轻量化设计 不仅能降低能源消耗和碳排放， 还能减少轮轨磨损和轨 道线路的维护费用。在系统集成方面， 文中提到可以通 过集成制动控制模块和能耗记录系统来减轻车辆的质量。 李明高等[4] 主要关注的是轨道交通装备中复合材料的应 用和发展趋势， 指出复合材料具有许多优点， 包括高强 度、轻量化、耐腐蚀和尺寸稳定性好等。

　　这些特性使得 复合材料可应用于诸如车体、转向架等[10-11] ，然而， 尽 管复合材料有很多优点， 但在实际应用中仍面临一些挑 战， 例如高昂的成本和技术难题。陈旭[6]认为， 从长远 看， 虽然复合材料车辆的初期投入大， 但可降低后期的 运营和维护成本， 实现全生命周期成本的降低。复合材 料还具有很强的可设计性。李光友等[7] 指出碳纤维产业 发展趋势是高强、高模、低成本。我国碳纤维技术进步明 显， 已实现工业级 T300 和 T700 碳纤维的批量生产。复合 材料成型工艺发展方向是高速、高效、提质降本。张莉 等[12] 指出碳纤维复合材料 CFRP 转向架可实现 30% 以上 轻量化， 大幅降低能耗， 具有良好的使用寿命。可通过 合理设计实现一级弹簧功能， 并能简化结构， 降低制造 成本。整体制造、模具及变形控制是关键技术，需要通过 仿真和试验验证。

　　可借鉴航空标准， 逐步建立轨道交通 行业自身的设计制造标准。刘波等[13]认为碳纤维复合材 料电气柜体可采用整体设计， 大幅减少部件数量， 提高 结构整体性。电气柜体的刚度和强度经过仿真分析满足 使用要求。电气柜体通过了冲击振动和防护等级试验验 证。电气柜体技术方案可行， 可拓展至轨道交通领域的 主承载部件。肖守讷等[14] 主要阐述了复合材料在轨道交 通领域的应用前景及当前存在的问题。复合材料已经得 到了广泛应用， 特别是在列车的车头罩和司机室部分。

　　近年来， 随着新材料、新工艺、新技术的不断创新， 轨道交通车辆轻量化技术也在不断发展。碳纤维复合材 料在减轻轨道交通车辆质量和提高结构强度方面有着明 显优势。对于模块化产品， 它具有设计灵活、易于安装 和易维修等优点。与其他轻量化材料相比， 应用碳纤维 复合材料具有更好的强度、刚度和耐用性， 更强的曲面 造型能力，确保了使用寿命并降低了维护成本。

　　3 碳纤维复合材料变形及其影响因素

　　碳纤维复合材料的变形影响因素是复杂的， 受到纤 维取向、叠层设计、基体类型、层间基体的含量、温度 的变化范围及速度、固化温度和载荷工况的影响[15-16]。 由于碳纤维复合材料变形会对产品性能产生负面影响， 研究碳纤维复合材料变形的机理并寻找有效的减少变形 的方法十分必要。常用的减少变形的方法包括以下几种。

　　( 1) 产品正反表面皆喷胶衣。常规产品为单面易打 磨胶衣面， 胶衣面与非胶衣面的收缩率是不同的， 导致 变形的加剧[17]。

　　(2)适当增加壁厚。增加壁厚可以显著增加其刚度。 由于碳纤维价格较高， 可以在其铺层中加入几层玻璃纤 维的铺层设计， 可显著降低价格及提高抗变形的能力。 对于壁厚可以加厚到 8 mm 以上的结构， 可以采用泡沫夹 心结构， 即上下表面为碳纤维铺层或碳纤维复合玻璃纤 维的铺层， 中间为 PET 材料的泡沫夹心结构[18]。

　　(3) 优化固化工艺。合理设计固化温度上升速率、 保温时间、冷却速率等， 使固化过程处于受控状态， 可 以显著减少固化收缩变形[19]。也可以通过预应力固化技 术引入压应力抵消固化收缩应力。

　　(4) 控制树脂含量。防止树脂含量过大， 因树脂与纤 维的收缩率不同，导致变形。另外，低收缩树脂如热固性聚 酯、BMI 树脂等收缩率远低于环氧树脂，这些树脂矩阵可 以减少固化收缩变形，使用前需验证与基体的结合能力[20]。

　　(5)铺层增加增强材料。在易变形方向添加玻璃纤维 的短切毡或者玻璃纤维方格布等，以增大刚度，抵抗变形。

　　(6) 优化铺层结构。如采用单向带铺层时， 保证铺 层结构对称[12]。

　　(7)合理设计产品结构。采用封闭截面薄壁结构可以 避免翘曲变形;增设加强筋结构也可以提高刚度抵抗变形。 三明治结构以轻质芯材分隔两面铺层也利于减少变形[21-22]。

　　(8) 合理的成型工艺。 一方面， 传统的手糊成型工 艺虽模具成本较低，但因层间的厚度及树脂分布情况受手 糊工序工人的操作影响较大，无法保证层间厚度的均匀性， 且易导致层间树脂含量过高。另一方面，传统手糊成型多 为单面胶衣面产品，即只有产品正面有胶衣，产品背面无 胶衣。胶衣的收缩率与碳纤维复合材料有较大差异，加剧 产品的变形。采用合模成型工艺， 即上下模皆均布胶衣。 同时， 由于合模压力的存在， 层间不会有多余的树脂[13]。 采用真空袋的成型工艺， 模具简单， 可以保证层间不会 有多余树脂，壁厚更容易保证均匀，但产品背部无胶衣。

　　4 碳纤维复合材料其他典型问题分析

　　碳纤维复合材料作为一种高强度、高模量、低密度 的先进复合材料， 在轨道车辆轻量化中展现出巨大应用 潜力。但碳纤维复合材料要大规模用于轨道交通领域， 除了材料易变形， 还需解决抗冲击性差、材料成本较高以及导电导致的电子设备干扰等技术难题。针对这些难 题， 探讨对应的解决对策， 为碳纤维复合材料的轨道交 通中的设计应用提供参考。

　　4.1 材料成本较高

　　碳纤维作为轻质高强先进材料， 原材料价格昂贵， 制备工艺复杂， 当前普通编织碳纤维复材的价格在 70~ 80 元/m2 ， 加上其基体需要选用价格较高的环氧树脂， 碳纤维复合材料的成本远高于其他轻量化材料， 如玻璃 钢。这在很大程度上限制了其在轨道交通领域的广泛应 用， 降低成本是应用推广的重点难题。

　　4.2 导电导致的电子设备干扰

　　由于碳纤维具有导电性， 当电器件通过螺钉等金属 连接件固定到碳纤维复合材料产品上时， 由于螺钉会与 过孔中裸露的碳纤维接触， 在特定的结构下， 会导致电 器件的印刷电路板短路。

　　另外， 轨道车辆运行环境存在较强的电磁场， 而碳 纤维具导电性， 树脂基体为绝缘体， 复合材料存在电磁 兼容问题[23]。

　　4.3 冲击强度较低

　　碳纤维复合材料抗冲击性能较差主要是由于其层间 结合能力较弱，在遭受冲击载荷时容易出现界面分离和纤 维断裂，即基体的破坏和纤维的破坏。这会导致复合材料 疲劳寿命减短、承载能力下降。为改善其抗冲击性能，可 以从以下几个方面进行[24] ：优化界面粘结，使用特殊的界 面处理技术增强纤维与基体的粘结力;在高应力区域增设 纤维编织物层，提升其耐冲击性;在铺层中增加加强材料 可以改善此问题，但会导致产品厚度增加，质量增加。

　　5 模块化产品在轨道交通中的应用及展望

　　5.1 在轨道交通行业中的应用

　　碳纤维复合材料在减轻轨道交通车辆质量和提高结 构效率方面有着广泛的应用[25-26]。当前碳纤维复合材料 主要应用在以下产品， 如车头、设备舱底板、司机室内 装产品等[14]。与传统材料相比，它具有更好的强度、刚度 和耐用性，确保了较长的使用寿命并降低了维护成本[27]。

　　对于单节车配置数量较大的一些产品， 如内装中的 侧墙、门立柱、顶板等， 由于无法通过模压成型工艺实 现产品平均单价的降低， 此类轨道车辆产品上鲜有碳纤 维复合材料的应用[28]。

　　5.2 碳纤维复合材料与轨道交通行业需求的整合展望

　　目前碳纤维复合材料在全球轨道交通装备制造领域 的应用存在很大空缺[29-30] 。2022 年世界各领域碳纤维复 合材料使用需求分布如图 2 所示， 其中风电叶片、航空 航天、体育休闲、压力容器和汽车领域占 76%， 轨道交 通装备制造领域尚未出现在图中， 原因是目前全球碳纤 维轨道车辆尚未实现大规模商用，都处于研发试验阶段。

　　碳纤维复合材料在轨道交通中的应用， 为行业带来了显著的好处，包括减轻车辆质量、节能减排、提高性能 和减少维护，但与传统材料相比成本较高。这些材料应与 行业对提高安全性、舒适性和环境友好性的需求相结合。

　　6 结束语

　　本文详细介绍了碳纤维复合材料在轨道交通领域的 应用现状和发展趋势。对比分析了碳纤维复合材料在轨道 交通领域的优势。同时，着重讨论了复合材料在轨道交通 应用中遇到的一些关键技术和挑战，主要包括变形、抗冲 击性差、材料成本较高以及导电导致的电子设备干扰等问 题。碳纤维复合材料变形的影响因素复杂，需要从材料设 计、结构设计、工艺流程等方面采取措施来控制变形。针 对这些问题，提出了对应的解决方案。复合材料可用于制 造各种部件，如车头、导流罩、司机室、转向架等，能有 效降低质量，减少能耗。复合材料不仅可以实现轻量化， 提高交通工具的性能，还可以减少对环境的影响，有助于 建设更加可持续的交通系统。根据轨道交通对材料的要求， 提出了碳纤维复合材料的应用展望。研究表明，碳纤维复 合材料与轨道交通发展方向高度契合，在轨道交通领域具 有广阔的应用前景。并在轻量化、节能环保等方面发挥巨 大作用。本文为碳纤维复合材料在轨道交通行业的推广应 用提供了理论支撑，也为相关技术研究提供了新的思路。

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