碳纤维复合材料在轨道交通中的应用案例剖析
江苏博实科技：碳纤维(carbonfiber)是由有机纤维经过一系列转化得到石墨微晶材料，其组成为含碳量高达90%以上高分子碳纤维,力学性能十分优秀。碳纤维与基质材料复合成的碳纤维复合材料可应用在车辆生产、精密制造、JG航天等高技术领域，还可用在工业生产、医疗器械、生物工程等方面。随着轨道交通运输行业对轨道客车的安全性、舒适性、绿色节能性提出了新的要求,碳纤维复合材料作为一种新型替代材料逐渐引起了世界各国的关注。
一、碳纤维复合材料的应用优势
碳纤维复合材料除了具有一般碳材料的特性外,与常见的金属材料相比，更具有一些优异的力学和化学性能。碳纤维复合材料的应用优势有以下几个方面：
(1)密度低，碳纤维复合材料的密度为1.5g/cm3-2.0 g/cm3；
(2)强度高，碳纤维复合材料抗拉强度可达3500MPa,是钢的5倍、铝的8倍；
(3)比强度高，同一种规格尺寸的产品，用碳纤维复合材料制作，其质量是钢的1/4,是铝合金的1/2,就可以承受住同等强度；
(4)耐高温,，博实碳纤维研制的耐高温碳纤维复合材料板可在300℃的温度中使用，高温条件仍然保持原有性征不变；
(5)耐酸碱盐腐蚀，并且可以抵抗外界的恶劣条件。
二、碳纤维复合材料在高速列车上的应用案例
轨道车辆的运行速度越高，给轨道带来的冲击力越大。而车辆的轻量化可以减少在行驶过程中对钢轨造成的损耗。碳纤维作为一种性能优秀的替代性材料，在国内外列车的不同部位都有着很多的应用案例，这里博实碳纤维带大家来做个简单的了解。
(1)动力学前端上的应用
在列车高速行驶中，动力学前端会受到很大的阻力，大约占列车运行总阻力的50%。因此，通过减少列车动力学前段的重量，优化其结构，可以起到降低能耗、提高列车运行的稳定性的效果。碳纤维复合材料制造的轨道列车动力学前端能够承受很大的正负压，能够满足列车运行中对强度和刚度的要求。
（图示：碳纤维列车动力学前端）
英国使用碳纤维复台材料制造的动力学前端比传统钢结构轻30%~ 35%。并且这种机车动力学前端能够能够承受一个0.9kg的立方体钢块以350m/h的速度对其的冲击，抗冲击性能十分优秀。 更为重要的是在以300km/h速度行驶的时候，能保证很好的尺寸稳定性。
(2)车体上的应用
车体是轨道列车的重要组成部分，为了进一步减轻车体的重量，研究人员开始尝试采用碳纤维复合材料来替代铝合金和钢制车身。
法国采用碳纤维和玻璃纤维等复合材料生产了双层TGV挂车样车，并对其耐火性、抗冲击强度等因数进行测试。测试结果表明，复合材料车体在振动性能和绝热防火性能等方面具有突出的优点，并且乘车的舒适度有了很大的改善。辛德勒客车公司用碳纤维缠绕的方法制成轻型列车车体，生产的样车在铁路线上进行运行试验，实际运行速度可达140km/h，并且强度和刚度均能达到预期的要求。
（图示：双挂TGV列车）
而最有代表性的案例是韩国在2010年投入运营的TTX列车，该列车车体外壳采用碳纤维复合材料蒙皮和铝夹芯结构。该碳纤维夹芯材质构造使车体重量降低了40%,运行过程中没有出现明显的安全问题，各项性能指标均能满足设计要求。
我国的蓝箭、中华之星以及和谐号高速列车的一部分内饰件也采用了碳纤维复台材料。《产品拓展：碳纤维高铁信号灯保护罩（图）》
(3)制动装置上的应用
高速列车的快速发展，要求其制动装置的控制精度、制动闸片的损耗控制也需要不断改进。碳纤维复台材料制造的制动闸片已经通过了试验验证,具备了小批量生产的能力。
（图示：碳纤维火车闸片）
我国中航院研制出一款碳纤维闸片，并对其做了一系列的测试。分别对120km/h及200km/h速度下碳纤维闸片的摩擦系数、温升和磨损量进行试验。结果显示，与铸铁材质的闸片相比，碳纤维闸片耐磨性好，并且在整个试验过程中温度变化不大。
三、总结：
随着国家对轨道车辆轻量化及低碳环保要求提高，碳纤维复合材料必将越来越多地应用到轨道交通车辆上。目前国内碳纤维复合材料在轨道车辆应用还属于起步阶段，随着科研机构及企业对新型复合材料在轨道车辆上应用研究越来越深入，轨道交通车辆新材料应用方面必将获得大发展，将会为轨道交通车辆提供越来越多的碳纤维部件。