纖維復合材料是由增強纖維材料，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合材料。纖維復合材料技術(shù)在近年來(lái)得到了飛速發(fā)展，因其優(yōu)異的性能被廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域，如基礎設施建設、交通運輸、航空航天等領(lǐng)域。
近年來(lái)，隨著(zhù)我國軌道交通行業(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，應用新型材料的比重也越來(lái)越大。其中，關(guān)于纖維復合材料的研究和應用最為突出。這是因為纖維復合材料可以根據設計需求，通過(guò)不同基體和增強體材料的選擇、不同比例的調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、高比強度等性能，這一特性是傳統單一材料無(wú)法滿(mǎn)足的。
在軌道車(chē)輛設計中，復合材料已被大量應用于車(chē)輛的內飾、內部設備等部位，在受載荷的結構部位也得到了一定應用。采用復合材料制成的結構件具有強度高、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)輛應用復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.纖維復合材料特點(diǎn)介紹
碳纖維復合材料的比模量與比強度是目前常用材料中最高的，在強度、剛度及煙毒性方面具有明顯優(yōu)勢。新型玻璃鋼材料具有良好的阻燃、隔音性能。而芳綸復合材料具有阻燃、強度高、耐高溫、絕緣等級高、耐潮耐腐蝕、物理化學(xué)性質(zhì)穩定等性質(zhì)。各類(lèi)復合材料均具有不同的特性，應用在軌道車(chē)輛不同的關(guān)鍵部位。
2.復合材料在軌道車(chē)輛中的應用優(yōu)勢分析
2.1良好的力學(xué)性能
復合材料體現了基體材料和增強體材料兩者的綜合性能，具有強度高、重量輕、剛性大、減振降噪、耐疲勞、隔熱保溫等優(yōu)異性能，對于車(chē)輛輕量化設計、提高車(chē)輛的安全性和舒適性有重要意義。表 1 可以看出，復合材料的比強度、比模量均明顯高于傳統的單一材料。
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)須做到輕量化設計。而軌道車(chē)輛采用復合材料是最有效的方案。
2.3? 可降低成本
隨著(zhù)軌道交通運營(yíng)速度的提升，人們在關(guān)注車(chē)輛安全性、舒適性的同時(shí)，也越來(lái)越注重維護成本和運營(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)勢必要投入巨額資金。但軌道交通運營(yíng)周期長(cháng)，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)輛運行能耗，降低運營(yíng)成本；另一方面，復合材料的抗振性、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)輛的檢修維護周期能得到延長(cháng)，其維護成本可大大降低。因此，從長(cháng)遠利益出發(fā)，復合材料能夠有效降低車(chē)輛的全壽命周期成本。
復合材料優(yōu)異的應用優(yōu)勢符合軌道交通行業(yè)高舒適性、高安全性和節能環(huán)保等理念。因此，研究復合材料在車(chē)體結構上的應用迫在眉睫，對進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場(chǎng)競爭力將會(huì )起到重要作用。
2.4? 具有很強的可設計性
高比模量、高比強度是纖維復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)復合材料基體、增強體的選擇和改變材料的成型工藝等措施能夠滿(mǎn)足各種設計需求。如玻璃纖維的抗拉強度可達3500MPa，彈性模量為 70GPa，高模量碳纖維的抗拉強度可達 3900MPa，彈性模量為 600GPa。且已通過(guò)實(shí)驗得知，通過(guò)改變基體材料性能差異很大的復合材料，在結構件的成型過(guò)程中，均能夠根據設計要求找出最佳的鋪層結構。
2.5? 良好的可靠性和安全性
影響結構件安全性最關(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，復合材料被廣泛應用于航空航天等高應力領(lǐng)域，正是因為復合材料優(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度，但在劇烈振動(dòng)的工況下，其強度顯著(zhù)下降，如金屬材料結構件某一點(diǎn)出現缺口，在振動(dòng)和沖擊（變載荷）下，缺陷會(huì )很快擴散直至結構件損壞。但復合材料的靜強度和抗振強度的差異幾乎為零，即使結構件出現缺口，材料中的應力會(huì )向鄰近層轉移，不會(huì )因為長(cháng)期的變載荷而被破壞。這也是復合材料零部件的使用壽命遠遠高于金屬材料零部件的原因之一。
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纖維復合材料在軌道車(chē)輛中的應用
3.1? 碳纖維復合材料
雖然國內關(guān)于碳纖維材料的研究和應用起步較晚，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)青島四方機車(chē)車(chē)輛股份有限公司在某動(dòng)車(chē)設備艙的設計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，設備艙重量較鋁合金材料降低約 35%。如下圖所示。
中車(chē)長(cháng)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產(chǎn)權的世界首輛全碳纖維復合材料地鐵車(chē)體，在柏林展會(huì )中亮相，如下圖所示。
碳纖維在軌道車(chē)輛中被廣泛運用，如車(chē)體外殼、車(chē)頭罩、城軌車(chē)輛司機室頭罩、導流罩及司機臺、裙板等。
3.2? 玻璃纖維復合材料
具有優(yōu)良的降噪和阻燃性能，機械強度和剛度比表現更為突出。因此，常被用于軌道車(chē)輛的座椅、司機室頭罩等部位。
3.3? 芳綸纖維復合材料
芳綸復合材料相比較傳統金屬材料具有阻燃、強度高、絕緣等級高、耐潮耐腐蝕、物理化學(xué)性質(zhì)穩定等優(yōu)良性質(zhì)，被充分使用在電機、變壓器等位置，能夠起到良好的絕緣減重作用。
4.結語(yǔ)
復合材料在軌道車(chē)輛中的應用將越來(lái)越廣，特別是在車(chē)體結構中具有良好的應用前景。復合材料在軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展是一個(gè)漫長(cháng)的過(guò)程，廣大學(xué)者在研發(fā)過(guò)程中應注意以下幾點(diǎn)：
（1）研發(fā)與試驗過(guò)程中要大量采集數據，并結合理論進(jìn)行分析，做到反復驗證。
（2）復合材料結構件設計時(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。
（3）車(chē)輛結構設計應盡量采用整體成型方案，以提高車(chē)輛的承載能力。