纖維復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合材料。纖維復合材料技術(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)于纖維復合材料的研究和應(yīng)用最為突出。這是因為纖維復合材料可以根據(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.纖維復合材料特點介紹
碳纖維復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、物理化學性質(zhì)穩(wěn)定等性質(zhì)。各類復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良好的力學性能
復合材料體現(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)，復合材料能夠有效降低車輛的全壽命周期成本。
復合材料優(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、高比強度是纖維復合材料最為突出的特點，并且這一力學性能可變化范圍較寬，因此，通過復合材料基體、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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纖維復合材料在軌道車輛中的應(yīng)用
3.1? 碳纖維復合材料
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、導流罩及司機臺、裙板等。
3.2? 玻璃纖維復合材料
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? 芳綸纖維復合材料
芳綸復合材料相比較傳統(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，做到反復驗證。
（2）復合材料結(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。