纖維復(fù)合材料是由增強(qiáng)纖維材料，如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等，與基體材料經(jīng)過(guò)纏繞、模壓、拉擠等成型工藝而形成的復(fù)合材料。纖維復(fù)合材料技術(shù)在近年來(lái)得到了飛速發(fā)展，因其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、交通運(yùn)輸、航空航天等領(lǐng)域。
近年來(lái)，隨著我國(guó)軌道交通行業(yè)的飛速發(fā)展，關(guān)于軌道車(chē)輛新型材料的研究越來(lái)越多，應(yīng)用新型材料的比重也越來(lái)越大。其中，關(guān)于纖維復(fù)合材料的研究和應(yīng)用最為突出。這是因?yàn)槔w維復(fù)合材料可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求，通過(guò)不同基體和增強(qiáng)體材料的選擇、不同比例的調(diào)配及采用不同的成型工藝，能夠得到擁有不同綜合性能的新材料，如良好的隔熱、耐腐蝕、耐磨、高比模量、高比強(qiáng)度等性能，這一特性是傳統(tǒng)單一材料無(wú)法滿足的。
在軌道車(chē)輛設(shè)計(jì)中，復(fù)合材料已被大量應(yīng)用于車(chē)輛的內(nèi)飾、內(nèi)部設(shè)備等部位，在受載荷的結(jié)構(gòu)部位也得到了一定應(yīng)用。采用復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)件具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、剛性大等優(yōu)點(diǎn)，其制造工藝通常采用近終形成型技術(shù)，無(wú)須深加工，可大幅降低制造成本。軌道車(chē)輛應(yīng)用復(fù)合材料還可以有效提高車(chē)輛的舒適性和安全性，減振降噪，降低車(chē)身重量。纖維復(fù)合材料已成為軌道交通領(lǐng)域中不可或缺的關(guān)鍵材料。
1.纖維復(fù)合材料特點(diǎn)介紹
碳纖維復(fù)合材料的比模量與比強(qiáng)度是目前常用材料中最高的，在強(qiáng)度、剛度及煙毒性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。新型玻璃鋼材料具有良好的阻燃、隔音性能。而芳綸復(fù)合材料具有阻燃、強(qiáng)度高、耐高溫、絕緣等級(jí)高、耐潮耐腐蝕、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等性質(zhì)。各類(lèi)復(fù)合材料均具有不同的特性，應(yīng)用在軌道車(chē)輛不同的關(guān)鍵部位。
2.復(fù)合材料在軌道車(chē)輛中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析
2.1良好的力學(xué)性能
復(fù)合材料體現(xiàn)了基體材料和增強(qiáng)體材料兩者的綜合性能，具有強(qiáng)度高、重量輕、剛性大、減振降噪、耐疲勞、隔熱保溫等優(yōu)異性能，對(duì)于車(chē)輛輕量化設(shè)計(jì)、提高車(chē)輛的安全性和舒適性有重要意義。表 1 可以看出，復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量均明顯高于傳統(tǒng)的單一材料。
2.2? 符合軌道車(chē)輛輕量化發(fā)展要求
近年來(lái)，軌道交通車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)速度越來(lái)越高，這就要求軌道車(chē)輛在不降低安全性能的同時(shí)須做到輕量化設(shè)計(jì)。而軌道車(chē)輛采用復(fù)合材料是最有效的方案。
2.3? 可降低成本
隨著軌道交通運(yùn)營(yíng)速度的提升，人們?cè)陉P(guān)注車(chē)輛安全性、舒適性的同時(shí)，也越來(lái)越注重維護(hù)成本和運(yùn)營(yíng)成本。雖然軌道交通行業(yè)的初期投入較大，車(chē)輛采用復(fù)合材料整體造價(jià)明顯高于普通材料車(chē)輛造價(jià)，特別是新材料、新工藝的研發(fā)勢(shì)必要投入巨額資金。但軌道交通運(yùn)營(yíng)周期長(zhǎng)，從車(chē)輛的全壽命周期來(lái)看，輕量化車(chē)輛一方面能夠有效降低車(chē)輛運(yùn)行能耗，降低運(yùn)營(yíng)成本；另一方面，復(fù)合材料的抗振性、抗疲勞性能、耐腐蝕性能、損傷容限、碰撞吸能性均優(yōu)于普通金屬材料，故車(chē)輛的檢修維護(hù)周期能得到延長(zhǎng)，其維護(hù)成本可大大降低。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益出發(fā)，復(fù)合材料能夠有效降低車(chē)輛的全壽命周期成本。
復(fù)合材料優(yōu)異的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)符合軌道交通行業(yè)高舒適性、高安全性和節(jié)能環(huán)保等理念。因此，研究復(fù)合材料在車(chē)體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用迫在眉睫，對(duì)進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力將會(huì)起到重要作用。
2.4? 具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性
高比模量、高比強(qiáng)度是纖維復(fù)合材料最為突出的特點(diǎn)，并且這一力學(xué)性能可變化范圍較寬，因此，通過(guò)復(fù)合材料基體、增強(qiáng)體的選擇和改變材料的成型工藝等措施能夠滿足各種設(shè)計(jì)需求。如玻璃纖維的抗拉強(qiáng)度可達(dá)3500MPa，彈性模量為 70GPa，高模量碳纖維的抗拉強(qiáng)度可達(dá) 3900MPa，彈性模量為 600GPa。且已通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，通過(guò)改變基體材料性能差異很大的復(fù)合材料，在結(jié)構(gòu)件的成型過(guò)程中，均能夠根據(jù)設(shè)計(jì)要求找出最佳的鋪層結(jié)構(gòu)。
2.5? 良好的可靠性和安全性
影響結(jié)構(gòu)件安全性最關(guān)鍵的一點(diǎn)是材料的抗疲勞性能和缺口敏感度。在此之前，復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于航空航天等高應(yīng)力領(lǐng)域，正是因?yàn)閺?fù)合材料優(yōu)異的抗疲勞性能和低缺口敏感度。
普通金屬材料雖然具有很高的靜強(qiáng)度，但在劇烈振動(dòng)的工況下，其強(qiáng)度顯著下降，如金屬材料結(jié)構(gòu)件某一點(diǎn)出現(xiàn)缺口，在振動(dòng)和沖擊（變載荷）下，缺陷會(huì)很快擴(kuò)散直至結(jié)構(gòu)件損壞。但復(fù)合材料的靜強(qiáng)度和抗振強(qiáng)度的差異幾乎為零，即使結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)缺口，材料中的應(yīng)力會(huì)向鄰近層轉(zhuǎn)移，不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)期的變載荷而被破壞。這也是復(fù)合材料零部件的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬材料零部件的原因之一。
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纖維復(fù)合材料在軌道車(chē)輛中的應(yīng)用
3.1? 碳纖維復(fù)合材料
雖然國(guó)內(nèi)關(guān)于碳纖維材料的研究和應(yīng)用起步較晚，但近幾年該技術(shù)得到了飛速發(fā)展，尤其是在車(chē)輛交通領(lǐng)域。例如，中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司在某動(dòng)車(chē)設(shè)備艙的設(shè)計(jì)中采用了碳纖維材料，車(chē)輛的抗沖擊、耐腐蝕及力學(xué)性能均得到保證，設(shè)備艙重量較鋁合金材料降低約 35%。如下圖所示。
中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司在軌道交通領(lǐng)域研制出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的世界首輛全碳纖維復(fù)合材料地鐵車(chē)體，在柏林展會(huì)中亮相，如下圖所示。
碳纖維在軌道車(chē)輛中被廣泛運(yùn)用，如車(chē)體外殼、車(chē)頭罩、城軌車(chē)輛司機(jī)室頭罩、導(dǎo)流罩及司機(jī)臺(tái)、裙板等。
3.2? 玻璃纖維復(fù)合材料
具有優(yōu)良的降噪和阻燃性能，機(jī)械強(qiáng)度和剛度比表現(xiàn)更為突出。因此，常被用于軌道車(chē)輛的座椅、司機(jī)室頭罩等部位。
3.3? 芳綸纖維復(fù)合材料
芳綸復(fù)合材料相比較傳統(tǒng)金屬材料具有阻燃、強(qiáng)度高、絕緣等級(jí)高、耐潮耐腐蝕、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)良性質(zhì)，被充分使用在電機(jī)、變壓器等位置，能夠起到良好的絕緣減重作用。
4.結(jié)語(yǔ)
復(fù)合材料在軌道車(chē)輛中的應(yīng)用將越來(lái)越廣，特別是在車(chē)體結(jié)構(gòu)中具有良好的應(yīng)用前景。復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，廣大學(xué)者在研發(fā)過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
（1）研發(fā)與試驗(yàn)過(guò)程中要大量采集數(shù)據(jù)，并結(jié)合理論進(jìn)行分析，做到反復(fù)驗(yàn)證。
（2）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮制造工藝，進(jìn)行可行性分析和論證，避免不必要的成本浪費(fèi)。
（3）車(chē)輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用整體成型方案，以提高車(chē)輛的承載能力。