高铁用碳纤维复合材料的轻量化应用案列
从上世纪八十年代的日本新干线，到近几年作为制造业品牌化发展的中国高铁新技术，碳纤维复合材料应用于高铁制造中的步履缓慢，即便在发达的西欧，高铁中使用碳纤维复合材料的比重也不超过20％。这是因为，在材料选择与应用过程中，必须充分考虑高速列车强度要求高，抗疲劳强度大，需要耐碰撞、耐冲击、耐风沙磨损、耐温差和湿度变化，减振隔音效果好，隔热性和防电磁辐射性能优良，振动模态匹配复杂、寿命长等各种因素。碳纤维虽然具有种种优势性能，但是面对上述问题时，在实际的应用中仍显得比较保守。本文就高铁用碳纤维复合材料的轻量化应用途径，总结出以下几个方面的案例：
车体外壳
车体的作用是安装基础和承载骨架，现代动车组车体均采用整体承载的钢结构或者轻金属结构，以实现在最轻的自重下满足强度和刚度要求。采用碳纤维三明治复合材料构件铝蜂窝夹芯结构更容易实现轻量化，在复合层中嵌入不锈钢骨架来改善车体的结构刚度，经大型热压罐整体成型得到复合车体。与传统铝合金车体相比，复合材料车体外壳总质量降低40％，车体的静强度、抗疲劳强度、防火安全性、模态特性等各项性能指标均能满足设计要求。底架则需采用不锈钢，以便安装电气设备，易改性也高。碳纤维复合材料车体与不锈钢底架建采用了铆接、胶接及焊接相混合的连接形式。例如，2010 年投入商业化运营的韩国TTX（Title train eXpress）摆式列车、法国的的TGV 双层车体。
转向架
转向架的构架是高铁上特别重要的高强度部件, 是能相对车体回转的一种装置，起支承车体、转向和制动的作用，并保证机车车辆在轨道上安全平稳地运行。作为关系到整个车辆安全性的主承载件，转向架的性能必须满足安全､运行舒适以及耐磨损､易检修等多种要求｡传统的转向架多采用优质碳素钢、低合金低碳高强度钢、耐候钢等制造，用层压方式将碳纤维复合材料叠层结构制成构件的侧梁，采用缠绕成型的方式将碳纤维复合材料制成横梁，这样的转向架整体比普通钢制构架能减轻30％。例如，韩国铁路研究院2011 年设计的CFRP 地铁转向架、德国HLD-L 和HLD-300 型转向架等。
受电弓滑板
受电弓滑板是机车供电系统重要集电元件，通常有碳滑板、金属滑板、浸金属碳滑板和粉末冶金滑板，国际上多采用碳滑板，如德国ICE 和法国TGV。浸金属碳滑板既有碳材料的自润滑性，又兼具金属材料集电、强度和抗冲击力高的特点｡但是碳纤维-金属复合材料滑板与之相比，优势则更加明显，碳纤维-金属复合材料滑板在集电、润滑、抗撞击性能方面都超过现有的金属滑板、碳滑板、浸金属碳滑板和粉末冶金滑板，其应用前景十分广阔｡
车内装饰及设备
这部分包括车厢装饰板、厕所、盟洗室、座椅、水箱、车前头盖板、双层客车两端车顶板等部位。一般以铝合金和高分子材料为主，如装饰板采用铝合金上叠合一层阻燃性的纤维增强塑料，除了阻燃性之外，厕所､盟洗室､座椅及水箱还要考虑到卫生和耐腐蚀性，在这一块，碳纤维复合材料的应用难度主要体现在造价方面，如果能大范围使用，轻量化的效果还是很明显的，技术难度也不是很高。
过渡车钩
用碳纤维增强复合材料做成的车钩结构紧凑，比钢铁过渡车钩减重50％。例如，德国福伊特（Voith）研制的用于故障列车牵引操作使用的便携式过渡车钩。
刹车片
用碳纤维制成的刹车片制动曲线平稳，可接受更多的制动摩擦热冲击，制动噪音低。耐磨性好，磨损率低于钢纤维刹车片，耐腐蚀性强，延长了刹车片的寿命。例如，德国Knoor Bremse 公司的高速列车碳纤维复合材料盘型制动器、日本新干线、法国TGV 高速列车制动。
设备舱
属于箱型梁结构的弯梁是设备舱的主承载结构件，断面为矩形、采用CFRP预浸料交叉铺覆设计，采用袋压成型工艺制造，得到的样品成品率较高，制造成本可控；工字梁结构的端部横梁，同样是设备舱的主承载结构件，可以采用袋压模压一体成型方式，与其他金属件的组装方式主要为胶接或铆接；裙板和底板都是次承载结构件，碳纤维复合材料的成型方式可以选用模压工艺，采用弧形芳纶蜂窝夹芯结构；端板也可以选用模压成型工艺，采用带加强筋的平面机构，内部使用单向布铺层，提高端板横纵向性能。
结语：碳纤维复合材料既可以应用于列车内饰、 受电弓和设备舱等非承载、次承载部件，又可以应用于车体、转向架这类主承载部件。 如果实现全面采用CFRP等复合材料的中长期规划发展， 以每年 3000 列机车计算，车体对 CFRP 的需求量为 156240 t/年，转向架构架需求 40320 t/年，内饰用量为 40725t/年，整车共计276832 t/年。除此之外，考虑城轨、地铁的应用情况，CFRP 等复合材料的用量将增加一倍以上，即使保持多样性选择，仅部分车辆使用，需求量依然惊人。如此巨大的需求规模将促进新产业的发展，提高高速列车的技术水平。
当前中国正处在轨道交通建设的繁荣时期，已经成为世界上最大的城市轨道交通市场。 这是一个崭新的、大有可为的应用领域，应抓住这一契机，建立产、学、研、用一体化研究平台，深入研究具有自主知识产权的复合材料制造技术及其批量化产品，进一步推动 CFRP在轨道车辆领域的大规模应用，特别是在大型、复杂、通用的承载结构件上应用，促进我国高速轨道交通事业的发展。
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