碳纤维材料在高速列车的应用前景

作者：中州期刊来源：www.zzqklm.com日期：2014-05-29人气：1621

碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维是指含碳量高于90％的无机高分子纤维。碳纤维具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热、导电等特性,一种力学性能优异的新材料。碳纤维除了应用于航空航天等高技术领域，还可用在文体用品、纺织机械、医疗器械生物工程、运输车辆等方面。碳纤维材料在高速列车上的应用还比较局限，目前大多数产品处于研究开发阶段，仅在部分产品得到实际的应用，应用前景非常广泛。

1 碳纤维材料的主要性能

为了利用碳纤维，需要先认识碳纤维的特性,以便在生产实际中更好地应用这种新材料。碳纤维的主要特性：

表1 各种材质碳纤维的主要性能

性能	聚丙烯腈碳纤维	沥青碳纤维	粘胶碳纤维
拉伸强度（MPa）	2500~3100	1600	2100~2800
拉伸弹性模量（GPa）	207~345	379	414~552
密度（g/cm3)	1.7~1.8	1.7	2.0
断裂伸长率（%)	0.6~1.2	1	0.7

①　碳纤维的强度高，其抗拉强度可达3 000～4 000MPa，比钢大4倍多；比铝高6～7倍。

②　弹性模量高。其弹性模量在230GPa以上。

③　密度小，比强度高。碳纤维的质量是钢的1/4,是铝合金的1/2,比强度比钢大16倍,比铝合金大12倍。

④　能耐超高温。碳纤维可在2 000℃使用，在3 000℃非氧化气氛的高温下不融化，不软化。

⑤　耐低温性能好。在-180℃低温下，钢铁变得比玻璃脆，而碳纤维依旧很柔软。

⑥　耐酸性能好。能耐浓盐酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介质侵蚀。将碳纤维放在浓度为50%的盐酸、硫酸和磷酸中，200天后其弹性模量、强度和直径基本没有变化；在50%浓度的硝酸中只是稍有膨胀，其耐腐蚀性能超过黄金和铂金。耐油、耐腐蚀性能好;

⑦　热膨胀系数小，导热系数大。可以耐急冷急热，即使从3 000℃的高温突然降到室温也不会炸裂。

⑧　防原子辐射，能使中子减速。

⑨　导电性性能好(5~17μΩm)。

⑩　轴向抗剪切模量较低，断裂延伸率小，耐冲击差，并且后加工较为困难。

2 列车轻量化的意义

列车轻量化主要从轴重、能耗和制动三个方面考虑，列车速度越高，对轨道的冲击力越大，因此对速度大于120km/h的车辆的轴重要随速度级的增加而减少。轴重过重，轻者将使钢轨过度磨耗和损伤，增加线路维修工作量，重者将损坏线路，酿成重大事故。高速列车的运行速度大于250km/h时对轨道的冲击力比普通列车冲击要大得多。高速列车运行靠消耗电能来实现，列车运行除具备一定的动力外，还必须克服包括机械摩擦力和空气阻力在内的运行阻力。高速列车的运行速度大于250km/h时需要的动能是现有列车的4倍多，要克服的阻力是现有列车的10~30倍。高速列车的巨大动能在制动停车的短时间消散也是一个困难的技术问题，一般高速列车采用再生制动和盘型制动结合的方式，对盘型制动的制动盘和闸片的能力要求十分的苛刻。列车轻量化对减轻高速列车自重对减少线路损害、减少动力消耗、节约能源以及减少制动系统的负担，具有重大意义。

3 国内高速列车应用现状

3.1 高速列车车头

高速列车在高速行驶中，所受到得空气阻力占列车总阻力很大一部分，而且随着列车的速度提高而急剧增加。如国内常见的250km/h运行的高速列车，其空气阻力超过列车运行总阻力的50%以上。为了实现高速铁路的安全、舒适、低能耗并满足环境保护的要求，必须对列车车头进行深入而细致的研究，以期最大程度的降低车辆的气动阻力、气动升力、侧风效应等，达到降低能耗及增加列车运行稳定性的目的。

高速列车行驶中，车头最高正压集中在车最前端迎风面，车头设计随着车头长度增加，外流场的气流附着在车头表面流动，随着流线型线条趋于平缓、车头横截面变化梯度变小，则边界层随之加长，边界层分离点后移，分离区域减小使得气流分离较为顺畅平缓，列车的最大压力随着减低，即使如此，高速列车车头最高正压也达到3 000pa。碳纤维车头前端头盖可以很好的承受列车最前端的最大正压和最大负压，避免列车因正压和负压而失效，提高高速列车的空气动力性能。

碳纤维车头导流板对提高列车的空气动力性能有重要影响。一方面，可以减少空气的扰动，使湍流动能对车身底面的冲击降到最低，同时减少气流进入车底，缩小车顶与车底的空气压力差，增加车辆行驶稳定性；另一方面，它可以使迎面而来的气流平缓的分离，最大程度的降低迎风面的压差阻力作用。

3.2 高速列车钩缓装置

高速列车的钩缓装置作为列车纵向力的关键部件之一，在列车的安全运行中起着至关重要的作用，列车不同车辆间的纵向力均由钩缓装置传递，钩缓装置不但能够在列车运行过程中吸收车辆之间的纵向冲击力，提高列车运行舒适性，而且钩缓装置中的吸能装置还能在发生列车碰撞的情况下保护车体，避免乘客受伤。

目前国内高速列车车钩的主要承力件均为钢结构，其中主要包括焊接钩体，车钩安装座（板）以及车钩缓冲器的主要结构件等，国内高速列车车钩重量均在500kg以上，以国内某高速车车钩安装板为例，仅安装板就超过100KG，导致车钩的安装和起吊非常不方便，将碳纤维材料引入钩缓装置中，就会极大的减少钩缓装置的重量，这不但可以整体减轻列车的重量，而且对车钩的使用、安装和检修都意义重大。

3.3 高速列车制动装置

随着列车运行速度的提高，高速列车对制动系统的要求越来越高。从能量守恒考虑，列车的动能与其运动速度的平方成正比，列车所具备的制动功率也应与最高速度的平方成正比。从粘着利用与防滑考虑，高速列车必须具备高性能防滑装置来确保行车安全；为了提高乘坐舒适度，对制动力控制精度要求高。

列车制动方式来说，踏面制动是最常用的一种制动方式，而高速列车制动系统来看，踏面制动由于其缺陷性很少采用，现高速列车主要采用盘形制动实现高速列车最终实现停车的基础制动方式，它在制动功率、减少车轮踏面热伤害等具有踏面制动所没有的优越性。长期以来，基础制动装置采用的主要材料是铸铁材料。国内经纯净化处理、优化锻造等制成的制动盘，具有良好的综合性能和优异的抗热疲劳性，可在高速列车上采用。但其与碳纤维复合材料相比，碳纤维复合材料的性能要远远好于铸铁材料，并符合高速列车轻量化发展的要求，国内外对其进行了大力的研究和开发，得到了一定的应用。

碳纤维复合材料制动盘与铸铁材料相比，具有以下主要的特点：

1) 根据工艺，使摩擦系数曲线与黏着系数曲线获得较好的吻合，摩擦系数大而且对速度的改变不太敏感。

2) 耐磨，寿命一般在铸铁闸瓦的4倍以上；制动时无火花；重量大大的减少，对线路和车辆冲击减少；磨耗少。

4 未来应用方向及前景

目前，国内关于碳纤维材料在高速列车上的应用还不多，大多数研究项目还处在试验室阶段，技术成熟且可以实用的较少，急需投入较大的力量进行研究开发。我国高速列车的技术能否始终占据国际市场，也迫切需要对新材料（碳纤维等）在车体、转向架等承力结构的研究开发工作，抢占技术制高点，为以后的发展打下坚实的基础。

高速列车上车体材料以高强度铝合金为主。铝合金材料强度、疲劳性能、抗裂纹能力、良好的表面处理能力和抗腐蚀能力、撞击时不会产生火花、有很好的吸收冲击能力和吸音能力。它的优越使其在高速列车上的得到广泛的运用。铝合金的焊接性能较差，耐磨性能差，弹性模量小，应用温度较低等缺点。列车速度越高，它的缺点对列车的整体性能影响较大。用复合材料及碳纤维材料来代替铝合金材料，进一步提高列车高速行驶的车体稳定性和安全性，具有广阔的研究前景。

转向架技术直接制约着高速列车的性能，车辆受到的各种载荷及作用力的承载和传递都通过转向架来实现。转向架的结构与性能好，能缓和车辆和线路之间的相互作用，减小振动和冲击，减小动应力，提高车辆运行平稳性和安全性。碳纤维材料性能的优越，对于转向架的轻量化、结构强度等等有着重要的意义。因转向架的受力复杂、影响因素较多，现在碳纤维材料在转向架的研究和应用还不够深入，未来还需加强。

5 结束语

碳纤维在高速列车上应用有着广阔的前景，现在它主要在材料成本和生产设计两方面制约着在高速列车上的广泛应用。

1.成本问题。碳纤维增强复合材料所用的纤维和基体材料价格高，是该材料在工业广泛使用最大的障碍。生产碳纤维的原丝――聚丙烯晴丝较贵，美国正在研究以纺织商品级的聚丙烯晴丝为原丝并能够快速生产廉价碳纤维的工艺，可望将碳纤维的价格降至3美元/磅。缺乏大批量、高生产效率的碳纤维复合材料高速列车零部件的生产方法。

2.生产设计问题。需研究能够生长多种形状和性能的高速列车零部件工艺方法，研究发展高效、低成本的碳纤维增强复合材料零件生产工艺意义重大。碳纤维增强复合材料高速列车零件的设计数据、试验方法、分析工具、碰撞模型等尚不完善。

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