纖維復(fù)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)過纏繞、模壓、拉擠等成型工藝而形成的復(fù)合材料。纖維復(fù)合材料技術(shù)在近年來得到了飛速發(fā)展，因其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、交通運輸、航空航天等領(lǐng)域。
近年來，隨著我國軌道交通行業(yè)的飛速發(fā)展，關(guān)于軌道車輛新型材料的研究越來越多，應(yīng)用新型材料的比重也越來越大。其中，關(guān)于纖維復(fù)合材料的研究和應(yīng)用最為突出。這是因為纖維復(fù)合材料可以根據(jù)設(shè)計需求，通過不同基體和增強體材料的選擇、不同比例的調(diào)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(tǒng)單一材料無法滿足的。
在軌道車輛設(shè)計中，復(fù)合材料已被大量應(yīng)用于車輛的內(nèi)飾、內(nèi)部設(shè)備等部位，在受載荷的結(jié)構(gòu)部位也得到了一定應(yīng)用。采用復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)件具有強度高、質(zhì)量輕、剛性大等優(yōu)點，其制造工藝通常采用近終形成型技術(shù)，無須深加工，可大幅降低制造成本。軌道車輛應(yīng)用復(fù)合材料還可以有效提高車輛的舒適性和安全性，減振降噪，降低車身重量。纖維復(fù)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(fù)合材料特點介紹
碳纖維復(fù)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(fù)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(wěn)定等性質(zhì)。各類復(fù)合材料均具有不同的特性，應(yīng)用在軌道車輛不同的關(guān)鍵部位。
2.復(fù)合材料在軌道車輛中的應(yīng)用優(yōu)勢分析
2.1良好的力學(xué)性能
復(fù)合材料體現(xiàn)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，對于車輛輕量化設(shè)計、提高車輛的安全性和舒適性有重要意義。表 1 可以看出，復(fù)合材料的比強度、比模量均明顯高于傳統(tǒng)的單一材料。
2.2? 符合軌道車輛輕量化發(fā)展要求
近年來，軌道交通車輛的運營速度越來越高，這就要求軌道車輛在不降低安全性能的同時須做到輕量化設(shè)計。而軌道車輛采用復(fù)合材料是最有效的方案。
2.3? 可降低成本
隨著軌道交通運營速度的提升，人們在關(guān)注車輛安全性、舒適性的同時，也越來越注重維護成本和運營成本。雖然軌道交通行業(yè)的初期投入較大，車輛采用復(fù)合材料整體造價明顯高于普通材料車輛造價，特別是新材料、新工藝的研發(fā)勢必要投入巨額資金。但軌道交通運營周期長，從車輛的全壽命周期來看，輕量化車輛一方面能夠有效降低車輛運行能耗，降低運營成本；另一方面，復(fù)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，故車輛的檢修維護周期能得到延長，其維護成本可大大降低。因此，從長遠利益出發(fā)，復(fù)合材料能夠有效降低車輛的全壽命周期成本。
復(fù)合材料優(yōu)異的應(yīng)用優(yōu)勢符合軌道交通行業(yè)高舒適性、高安全性和節(jié)能環(huán)保等理念。因此，研究復(fù)合材料在車體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用迫在眉睫，對進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭力將會起到重要作用。
2.4? 具有很強的可設(shè)計性
高比模量、高比強度是纖維復(fù)合材料最為突出的特點，并且這一力學(xué)性能可變化范圍較寬，因此，通過復(fù)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足各種設(shè)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。且已通過實驗得知，通過改變基體材料性能差異很大的復(fù)合材料，在結(jié)構(gòu)件的成型過程中，均能夠根據(jù)設(shè)計要求找出最佳的鋪層結(jié)構(gòu)。
2.5? 良好的可靠性和安全性
影響結(jié)構(gòu)件安全性最關(guān)鍵的一點是材料的抗疲勞性能和缺口敏感度。在此之前，復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于航空航天等高應(yīng)力領(lǐng)域，正是因為復(fù)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，但在劇烈振動的工況下，其強度顯著下降，如金屬材料結(jié)構(gòu)件某一點出現(xiàn)缺口，在振動和沖擊（變載荷）下，缺陷會很快擴散直至結(jié)構(gòu)件損壞。但復(fù)合材料的靜強度和抗振強度的差異幾乎為零，即使結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)缺口，材料中的應(yīng)力會向鄰近層轉(zhuǎn)移，不會因為長期的變載荷而被破壞。這也是復(fù)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(fù)合材料在軌道車輛中的應(yīng)用
3.1? 碳纖維復(fù)合材料
雖然國內(nèi)關(guān)于碳纖維材料的研究和應(yīng)用起步較晚，但近幾年該技術(shù)得到了飛速發(fā)展，尤其是在車輛交通領(lǐng)域。例如，中車青島四方機車車輛股份有限公司在某動車設(shè)備艙的設(shè)計中采用了碳纖維材料，車輛的抗沖擊、耐腐蝕及力學(xué)性能均得到保證，設(shè)備艙重量較鋁合金材料降低約 35%。如下圖所示。
中車長春軌道客車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(quán)的世界首輛全碳纖維復(fù)合材料地鐵車體，在柏林展會中亮相，如下圖所示。
碳纖維在軌道車輛中被廣泛運用，如車體外殼、車頭罩、城軌車輛司機室頭罩、導(dǎo)流罩及司機臺、裙板等。
3.2? 玻璃纖維復(fù)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(xiàn)更為突出。因此，常被用于軌道車輛的座椅、司機室頭罩等部位。
3.3? 芳綸纖維復(fù)合材料
芳綸復(fù)合材料相比較傳統(tǒng)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(wěn)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(jié)語
復(fù)合材料在軌道車輛中的應(yīng)用將越來越廣，特別是在車體結(jié)構(gòu)中具有良好的應(yīng)用前景。復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展是一個漫長的過程，廣大學(xué)者在研發(fā)過程中應(yīng)注意以下幾點：
（1）研發(fā)與試驗過程中要大量采集數(shù)據(jù)，并結(jié)合理論進行分析，做到反復(fù)驗證。
（2）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件設(shè)計時，必須充分考慮制造工藝，進行可行性分析和論證，避免不必要的成本浪費。
（3）車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)盡量采用整體成型方案，以提高車輛的承載能力。