目前軌道交通車輛主要有有軌電車、地鐵、輕軌以及動(dòng)車組等。據(jù)中國國家鐵路集團(tuán)有限公司數(shù)據(jù)，截至2023年底，我國投入運(yùn)營的高鐵總里程已經(jīng)超過了45000 km，占全球高鐵總里程50%以上，國家發(fā)改委在2016年印發(fā)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，其中顯示未來我國高鐵里程將持續(xù)保持快速增長。與此同時(shí)，對(duì)軌道交通車輛的節(jié)能性、舒適性和載客能力提出了更高要求，這就要求軌道交通車輛裝備技術(shù)不斷優(yōu)化。

1 碳纖維復(fù)合材料(CFRP)簡(jiǎn)述

CFRP 有著強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕、抗疲勞、抗蠕變、冷熱變形系數(shù)小等優(yōu)異性能，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)一材多能、一材多用，因此CFRP被稱為21 世紀(jì)最具有潛力的材料之一，目前在汽車、醫(yī)療器械、航空航天、體育用品、風(fēng)電葉片等領(lǐng)域已經(jīng)得到了十分普遍的應(yīng)用。

相比傳統(tǒng)金屬材料而言，CFRP的密度要小很多，但其強(qiáng)度卻是傳統(tǒng)金屬材料的數(shù)倍，而且CFRP具有優(yōu)良的韌性，因此其比模量和比強(qiáng)度均高于傳統(tǒng)金屬材料。基于CFRP質(zhì)輕和高強(qiáng)的優(yōu)異特性，其應(yīng)用于軌道車輛能夠顯著減輕車輛質(zhì)量，使得車輛的運(yùn)營能力大幅提升的同時(shí)也達(dá)到了節(jié)能降耗的目的，因而相對(duì)于傳統(tǒng)材料軌道車輛承載結(jié)構(gòu)而言，CFRP在力學(xué)性能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，見表1。

2.2 舒適性方面的優(yōu)勢(shì)

CFRP是一種高阻尼材料，其阻尼僅為金屬材料的 1/100~1/10，因此 CFRP 應(yīng)用于軌道車輛能夠減小車體構(gòu)件振動(dòng)，從而提升乘客乘坐軌道車輛時(shí)的舒適體驗(yàn)。同時(shí)，CFRP屬于熱的不良導(dǎo)體，其熱導(dǎo)率僅為金屬材料的 3/1 000~5/100。CFRP 與金屬材料熱導(dǎo)率對(duì)比見表2。

CFRP應(yīng)用于軌道車輛可以使車輛具有優(yōu)良的隔熱性能，能有效降低車輛制造過程中隔熱材料的占比。而且CFRP的冷熱變形系數(shù)也小于金屬材料，使得CFRP構(gòu)件的尺寸相對(duì)金屬材料更為穩(wěn)定。此外，CFRP還具有良好的隔音和抗磁性能。基于 CFRP 具有的上述優(yōu)良特性，乘客在乘坐軌道車輛時(shí)能夠獲得良好的乘坐體驗(yàn)。

2.3 安全性方面的優(yōu)勢(shì)

CFRP中分布著數(shù)量龐大的獨(dú)立纖維，單位體積內(nèi)分布的纖維數(shù)量成千上萬，這些增強(qiáng)纖維與樹脂基體之間形成了各不相同的相與界面，從力學(xué)角度看 CFRP 為經(jīng)典的靜不定體系，若 CFRP 構(gòu)件承受的載荷超出其承載極限，同時(shí)構(gòu)件中少許纖維出現(xiàn)斷裂時(shí)，施加在CFRP上的載荷便會(huì)快速進(jìn)行重新分布，最終將載荷轉(zhuǎn)移分布到?jīng)]有出現(xiàn)損壞的纖維上，如此，當(dāng)CFRP構(gòu)件因?yàn)槌鲚d荷導(dǎo)致少量纖維受損斷裂時(shí)，其各向異性屬性能夠阻止裂紋進(jìn)一步加劇，使得CFRP構(gòu)建在一段時(shí)間之內(nèi)仍然能夠承受一定的載荷，不會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件很快失效的現(xiàn)象。基于此，CFRP 比其他材料的耐疲勞性能更佳。CFRP具有良好的水密性、氣密性和耐腐蝕性，CFRP構(gòu)件擁有比金屬構(gòu)件更長的使用壽命。此外，CFRP的比強(qiáng)度和比模量遠(yuǎn)高于金屬材料，其碰撞吸能性是金屬材料的3~7倍，使其具有優(yōu)異的抗沖擊性和減振性。綜上，CFRP擁有的優(yōu)異特性能夠保證軌道車輛具有更強(qiáng)的安全性。

CFRP的樹脂基體、纖維、織物等原材料種類豐富，且不同的配比、不同的生產(chǎn)工藝、不同的纖維比例、不同的鋪層工藝都會(huì)造成CFRP的理化性能和力學(xué)性能顯著不同，因此，CFRP具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，這些是傳統(tǒng)金屬材料無法企及的。軌道車輛金屬構(gòu)件成型需要通過大量的焊接、鉚接、螺栓連接等，CFRP則可以根據(jù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)不同和厚度不同等進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和鋪層設(shè)計(jì)，尤其針對(duì)構(gòu)件中一些需要凸起、過渡、加厚、加筋、加棱的地方可以通過優(yōu)化鋪層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一次性整體成型，使CFRP構(gòu)件具有很好的完整性、保溫性及氣密性。

上世紀(jì)90年代，瑞士辛德勒車輛公司以CFRP為主，生產(chǎn)出一款整體式CFRP車體(見圖1)，該車車身整體質(zhì)量較輕，在線路運(yùn)行驗(yàn)證試驗(yàn)中最高運(yùn)行速度達(dá)到了140 km/h，而且通過線路試運(yùn)行證明該車具有良好的舒適性與安全性，由于該車車體成型采用的纏繞工藝、成型工藝復(fù)雜，最終該車體無法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

2000 年，法國國營鐵路公司（SNCF）以 CFRP 為主制造了一款雙層TGV型車體（圖2），該車體通過CFRP蜂窩夾層復(fù)合材料真空袋壓固化工藝(VBPM)成型出單節(jié)為5 m的車體標(biāo)準(zhǔn)化模塊。由于CFRP 的大量應(yīng)用，該新型雙層 TGV 車體的質(zhì)量降低到原鋁合金車體的75%左右，且該CFRP車體在線路試運(yùn)行中通過了承載性能、抗沖擊性能、降噪性能、阻燃性能、隔熱性能等指標(biāo)的驗(yàn)證。

2007年，韓國鐵路研究院（KRRI）以不銹鋼為增強(qiáng)骨架，以 CFRP 蒙皮-鋁蜂窩夾芯-CFRP 蒙皮的“三明治”結(jié)構(gòu)為車頂和側(cè)墻，研制出一款 TTX 型擺式列車，其車體見圖3，該列車在試運(yùn)行中跑出了 180 km/h 的行駛速度。該車體車身整體質(zhì)量為原不銹鋼車身的72%，而且車體具有良好的強(qiáng)度阻燃性、抗疲勞性、抗振阻尼性，通過試運(yùn)行證明該車的安全性和舒適性良好，并于 2010 年正式進(jìn)行商業(yè)運(yùn)營。

2014年，日本川崎重工（Kawasaki）研制出新型的EFWING轉(zhuǎn)向架(見圖4)，該轉(zhuǎn)向架為CFRP柔性構(gòu)架，替代了原來的金屬焊接剛性構(gòu)架。該轉(zhuǎn)向架的核心承載構(gòu)件為轉(zhuǎn)向架兩側(cè)的梁狀類弓形彈簧，該新型轉(zhuǎn)向架去除了傳統(tǒng)二系彈簧，簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量降低到原金屬側(cè)梁的60%。