摘要：相比于传统金属材料，本文简述了复合材料的应用优势，并着重阐述国内外复合材料在轨道交通领域的具体应用。此外本文提出改变复合材料的结构也是实现轨道交通车辆轻量化的重要举措之一，其中点阵夹芯结构尤为突出，具有可设计性强的特点，可通过填充不同功能材料实现特定的功能。同时本文也列举了点阵结构的不同成型工艺。本文最后指出点阵夹芯结构复合材料在工程化应用中的主要问题，并对点阵夹芯结构复合材料在轨道交通领域的发展方向提出建议。

关键词：轨道交通；复合材料；轻量化；点阵夹芯结构；成型工艺

中图分类号：U260.4        文献标识码：A

0  引言

自21世纪以来，我国经济迅速发展，其中轨道交通发挥着重要作用，与此同时，党的十九大报告提出打造交通强国的方针[1]。随着轨道交通行业的快速发展以及人们生活水平的提高，轨道交通车辆已经朝着智能化、绿色化、轻量化、系列化、平台化发展。

随着科技的发展，新材料、新工艺以及新技术的出现，给实现轨道交通产业智能化、绿色化、轻量化等提供了一种有效途径。目前，轨道交通产业产品涉及的新材料较为广泛，从车体关键承力结构、头罩、车内装饰、轨道车辆表面涂层等多个部件中均能看到新材料的出现，其中高性能复合材料应用频繁，其中高性能纤维复合材料较为突出，相较于不锈钢、铝合金等传统金属材料，高性能纤维复合材料在力学性能、质量以及耐腐蚀等方面优于传统金属材料。

本文列举了复合材料的优点，并对复合材料的应用现状进行叙述，同时也对复合材料的结构进行总结归纳，说明复合材料在轨道交通领域有着广泛的应用前景。

1  复合材料在轨道交通上的应用

1.1 轨道交通材料发展史

随着轨道交通的发展，轨道交通车辆车体材料最初从碳钢发展到不锈钢再发展到铝合金，现在已经朝着更具优势的复合材料车体发展。这个发展过程中实际上就是为了实现车体轻量化，目前在轨道交通车辆上常见的是高性能纤维增强材料，例如碳纤维、玻璃纤维以及芳纶纤维[2]，高性能纤维复合材料比传统金属材料具有更好的比强度和比模量。此外碳纤维密度仅约为铝合金的59.3%，芳纶纤维密度不足钢的五分之一。因此，采用高性能纤维复合材料制作车体不仅能够满足轨道交通车辆的强度要求，同时也能大幅度减少车体的重量，最终实现轻量化和节能的目标。

此外，高性能纤维复合材料还具有优良的阻燃性、抗疲劳性、耐腐蚀性、高阻尼等特点[4]。所以采用高性能纤维复合材料制作轨道交通产品不仅能够提高产品的使用寿命，同时也能提高舒适性和安全性。

1.2  复合材料在轨道交通领域的应用现状

1.2.1 国外研究现状

国外高性能纤维复合材料已成熟应用于航空、船舶、轨道车辆等多个领域，在材料设计、成型工艺以及日常维护已有丰富的经验。目前，在国外轨道交通领域内，碳纤维和玻璃纤维复合材料应用广泛，已从车内饰、车内设备等非承载件过渡到转向架、车体等主要承载件。

为了提高轨道车辆速度，国外聚焦于轻量化设计。21世纪初，法国国营铁路公司（SNCF）制作出由碳玻混纤夹芯材料组成的双层高速列车（TGV）挂车，相较于铝合金车体减重25%左右。后TGV挂车线路运行试验的成功标志着复合材料技术在轨道交通领域已经达到了实用化程度。接着日本铁道综合技术研究所开发了酚醛基碳纤维[5]车体，不仅解决了铝合金车体因高温而产生的大变形问题，同时也实现减重30%以上。

转向架作为轨道车辆结构最为重要的部件之一。传统金属转向架存在重量大、维修成本高、不节能环保以及噪音大等问题，应用新型复合材料制作转向架是有效解决这些问题的一种途径。1985年，德国开发了世界首个时速200km/h的玻璃纤维转向架，该转向架不仅通过了耐久试验、运行试验等试验，还通过了“商业检验”，且行驶100多万公里后转向架无损坏、磨损或撕裂的等现象。后续日本在2014年开发了世界首个增强碳纤维转向架“efWING”，实现减重40%。近期英国开发了世界首个由可回收碳纤维加工成型的转向架，并通过试验证明了可回收碳纤维复合材料转向架具有不弱于传统转向架的性能，这意味着碳纤维大批量应用于轨道交通领域有着无限的可能。

1.2.2  国内研究现状

我国复合材料在轨道交通领域起步晚，但发展迅速。为提高车头的抗冲击性能，中车四方股份于2011年研发了碳纤维头罩，并应用在“复兴号”上。2016年，中车四方股份研发出碳玻混纤复合材料设备舱，与铝合金结构相比减重30%，并通过了各项测试。2018年初，中车长客股份公司研制出碳纤维轻轨车体。同年四方股份公司研发出了全球首辆全碳纤维地铁车辆 “CETＲOVO”，实现了碳纤维复合材料在轨道交通车辆各个部件的全面应用[6]，例如司机室、车体等部件。

除开车体外，我国在转向架、设备舱等结构也采用复合材料。我国和谐号CRH5 动车组在顶板、墙板等位置采用芳纶蜂窝夹层结构，在同等重量下，芳纶蜂窝夹芯强度约为实心钢的10倍［7］。中车南京浦镇车辆有限公司试制了209P 碳纤维复合材料转向架。中车青岛四方机车股份有限公司在“CETＲOVO”中应用了碳纤维复合材料转向架，与传统转向架相比减重40%。中车研究院、中车四方股份公司、CG Ｒail于2019年三方联合研发出碳纤维复合材料设备舱。

2  夹芯结构复合材料

自20世纪40年代期，夹芯结构便已经用于复合材料来提高弯曲强度、降低重量。夹芯结构复合材料是由上、下面板和夹芯组成，其中面板主要承受正应力，夹芯层主要承受剪切应力，对面板起支撑作用，提高结构刚度[8]。从微观的角度来说，复合材料夹芯分为泡沫材料和点阵材料两大类。其中点阵材料在力学性能上要强于泡沫材料[9]。由于点阵夹芯结构可设计性强，点阵夹芯结构具有多样性，常见的点阵夹芯结构有金字塔型、三维全三角型、3D-Kagome型、四面体型等。

2.1 点阵夹芯结构研究现状

Xue[10]通过对四面体点阵夹芯圆板和实体圆板的冲击实验，发现点阵夹芯圆板吸收冲击能量能力比实体圆板强。Kooistra[11]采用冲压折叠工艺制备四面体点阵夹芯结构，并通过平压试验证明四面体点阵夹芯结构的比强度优于波纹板、泡沫材料以及蜂窝材料。J. Wang [11]发现在质量相同的情况下，Kagome结构的力学性能较四面体结构和金字塔结构更好。Hwang[12]对金字塔型 Kagome结构进行了三点弯曲和冲击试验，结果表明金字塔型 Kagome结构降低冲击载荷的能力是蜂窝结构的3倍。Turner[13]对体心立方结构（BCC）和 BCCAV 进行低速冲击实验，结果发现 BCC 有较好的比能量吸收性能。国内也有研究[14-15]表明复合材料点阵夹芯结构比金属点阵夹芯结构不仅具有更高的比刚度、比强度，还有较好的能量的吸收能力。

2.2 点阵夹芯结构成型工艺

由于点阵夹芯结构型式多样化的特点，导致点阵夹芯结构的制备工艺相对比较困难。王兵[16]对水切割嵌锁组装工艺进行改善，克服了金字塔点阵夹芯结构杆件与面板结合不牢固的缺点；吴林志[17]运用热压模具成型工艺制备出四面体、金字塔点阵夹芯结构，优点是能够一次成型，缺点是易出现脱模难、压力不够的问题；殷莎[18]采用热膨胀模塑成型工艺完成了金字塔点阵夹芯结构的制备，工艺优点是在加热条件下通过硅橡胶的热膨胀提供产品固化成型所需的压力；范林华[19]采用三维编织成型工艺制备了空间点阵夹芯结构夹芯板，克服了层合板层间强度低，抗冲击性能等缺陷。

3 点阵夹芯结构复合材料在轨道交通领域的应用展望

相较于传统金属材料，复合材料不仅在密度、力学性能等方面具有优势，同时也具有阻燃、耐腐蚀、耐疲劳等特点。目前，轨道车辆材质仍然采用铝合金等传统金属材料，但是随着轻量化要求的不断提高，轨道车辆材质正朝着具有轻质高强的纤维增强复合材料发展，其中碳纤维应用最为广泛。近几年来，我国轨道交通车辆从车内到车外，多个部件均采用碳纤维。

此外，在不变更材质的情况下，可以通过改变复合材料中夹芯结构来实现产品轻量化的目标。其中点阵夹芯结构优势突出，不仅具有良好的力学性能，同时由于点阵夹芯结构可设计性强的特点，可以通过改变点阵夹芯结构型式或者填充不同功能材料来实现阻燃、隔音等特定要求。

3.1 轨道交通点阵夹芯结构复合材料应用难点

目前复合材料以及点阵夹芯结构在应用过程中主要有以下困难：

⑴复合材料在轨道交通领域没有形成一定的标准规范，缺乏指导依据；

⑵不同批次复合材料原材料性能有差异，导致做出的产品性能不一致；

⑶复合材料产品生产成本较高，且成型工艺稳定性较差，生产效率偏低；

⑷点阵夹芯结构制备工艺尚不成熟，操作复杂，导致产品较难批量生产以及成本高，且生产出的产品易出现面板与夹芯分层等问题。

3.2 轨道交通点阵夹芯结构复合材料应用展望

随着科技的发展，轻量化、节能环保已成为当下的主流方向。为满足轻量化、节能环保的目标，建议点阵夹芯结构复合材料从下几方面发展：

⑴提高结构设计能力，充分利用复合材料的优势；

⑵制定复合材提高计、成型工艺、性能实验验证等标准规范体系；

⑶简化复合材料成型工艺步骤和发展复合材料一体化成型工艺，从而降低成本、提高生产效率；

⑷加强点阵夹芯结构开发能力，针对特殊工况设计出相应的点阵夹芯结构；此外提高点阵夹芯结构成型工艺水平，达到能够批量生产点阵夹芯结构的水平。

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