近些年，随着国内轨道交通行业的快速发展，轨道车辆轻量化的要求越来越高，碳纤维复合材料成为轨道交通行业下一步的重点研发方向。本文介绍了碳纤维复合材料在轨道交通领域应用的优势，详细分析了轨道交通用碳纤维复合材料在碳纤维、树脂、成型工艺等方面的技术进展及其在轨道交通领域的典型应用，指出了其在轨道交通领域应用上面临的问题与挑战，并提出有效的应对措施。
1、轨道交通用碳纤维复合材料的技术进展
1.1 碳纤维
总结国际先进碳纤维公司的经验可以发现，目前碳纤维产业的发展方向主要涉及 3 个方面 ：高强碳纤维的发展、高模碳纤维的发展和碳纤维的低成本化，可以概括为“两高一低”。
比较典型的是日本东丽（Toray）公司，其在高强碳纤维方面从 T300 碳纤维（拉伸强度 3 530 MPa）发展至现在的 T1100 碳纤维（拉伸强度 6 600 MPa）；
高模碳纤维方面，从 M35J（拉伸模量 343 GPa）到 M70J（拉伸模量 680 GPa）；
低成本方面则是开发了高纺速的干喷湿纺及收购了 ZOLTEK（卓尔泰克）公司，进行 48K 以上大丝束碳纤维的生产
国内碳纤维的发展主要集中在近10年，目前我国碳纤维产业生产规模仍然较小、产品规格单一，无法满足国内市场的需求；另一方面碳纤维行业总体技术尚不成熟，产品质量稳定性及性价比相对较低。但经过近些年的持续研发，国产碳纤维技术的进步也是有目共睹的，已经在很大程度上缩小了与国际先进水平的差距。
1.2 树脂
轨道交通用复合材料中常用的热固性树脂主要包括不饱和聚酯树脂、酚醛树脂和环氧树脂，而环氧树脂因具有更好的环保性、力学性能及与碳纤维更好的兼容性，最适合作为基体材料与碳纤维结合制造轨道交通用承载部件。
由于普通环氧树脂的阻燃性能差，极限氧指数（LOI）在19.8%左右，在某种程度上限制了环氧树脂在很多重要领域的应用，因而近些年对阻燃环氧树脂的研究一直受到广泛关注。
在过去的几年里，卤化环氧树脂以其优异的阻燃性能和物理性能被广泛使用。与此同时，卤系阻燃剂的大量使用也引发了一系列的问题，其中最主要的是卤系阻燃材料在受热或发生火灾燃烧时会持续产生腐蚀性较强、有毒的气体和烟雾，给人们带来灾害的同时，也间接造成了对环境的污染。
因此，开发无卤、环保、热稳定性好、阻燃效率高的环氧树脂已经成为研究的热点。
预浸料树脂常温下黏度较高，可以根据轨道机车对材料防火性能的要求（如EN45545-2《铁路应用－铁路车辆的防火保护－第 2 部分：材料和元件的防火要求》），通过调整树脂配方满足燃烧性、热释放速率、烟密度、毒性气体等各项指标。
1.3 成型工艺
复合材料成型工艺通常包括热压罐工艺、液态成型工艺、模压工艺、真空袋压工艺、拉挤工艺和缠绕工艺等。
随着碳纤维复合材料应用的深入和发展，复合材料成型方式也在不断地以新的形式出现，但各种成型工艺各有优缺点，在实际应用中，也并非以更新替代的形式发展，而往往是多种工艺并存且互相融合，从而达到较好的协同效应。
总体来看，复合材料成型工艺的发展方向可概括为“四高一低”，即用高速、高效的方法，提高材料利用率，生产高质量的产品，降低制造成本。航空领域的成型工艺传统是以热压罐工艺为主，从波音和空客的飞机机身制造上来看，有整体自动铺丝缠绕和分片自动铺带两种工艺，均采用热压罐固化。
近几年，在低成本化过程中，液体成型工艺正在开始替代热压罐工艺。风电领域大量采用真空灌注成型工艺和预浸料真空袋压工艺，在近几年的碳纤主梁生产工艺中，以VESTAS（维斯塔斯）为首的风电企业对结构设计进行了创新，将复杂大型整体成型的叶片分解为若干标准件，组装后整体成型，其中的标准件可以采用拉挤等传统工艺高效生产，极大促进了碳纤维在风电领域的大批量应用。
2 碳纤维复合材料在轨道交通上的典型应用
车体结构是轨道机车重要的承载部件，其重量在整车中所占的比例较大，一般在15% ～ 30%，因此要实现车辆的减重提速，就必须重点考虑车体结构的轻量化。目前铝合金仍然是车体轻量化的主要材料，随着车辆轻量化要求越来越高，复合材料尤其是碳纤维复合材料已成为下一步的重点研发方向。
国外用于轨道交通装备上的纤维增强复合材料多为碳纤维或玻璃纤维增强复合材料，其也经历了从非承载结构到主承载结构的发展过程。典型的应用案例如：日本新干线N700系高速列车车体车顶、蒙皮、导电弓架边缘和窗框采用碳纤维增强复合材料；日本川崎重工开发的“efWING”转向架是全世界首例主承载结构采用碳纤维增强树脂基复合材料的案例，将原来刚性焊接转向架的构架改为柔性结构，减重达40%。
这对国内轨道交通领域的复材应用同样适用，包括轨道交通领域比较关心的低成本问题，其实不单纯是碳纤维价格的问题，首要的问题依然是设计。
其车体外壳采用碳纤维蒙皮铝蜂窝夹芯结构，在夹芯结构中嵌入不锈钢长方形型材以改善车体的结构刚度，采用不锈钢底架以便于安装辅助设备。与老车型相比，TTX列车车体重量减轻约39%，重心下降约15%。
综合目前碳纤维在轨道机车上的应用情况，虽然国内外在研发方面都取得了长足的进步，但离大规模工业化应用依然有一定的距离。
3 碳纤维复合材料在轨道交通领域应用面临的问题与挑战
在航空航天领域对复合材料的研发应用有个共识，即设计是龙头、材料是基础、制造是关键、应用是目的、维护是保障，其中最关键的当属设计。
这对国内轨道交通领域的复材应用同样适用，包括轨道交通领域比较关心的低成本问题，其实不单纯是碳纤维价格的问题，首要的问题依然是设计，因为对碳纤维复合材料来讲，低成本不单纯是材料的低成本，还应包括设计和制造的低成本。
回顾碳纤维风电叶片实现产业化的关键就是维斯塔斯在结构设计思路上的突破，轨道交通行业碳纤维应用产业化的突破也必须首先在设计理念上进行创新，既要继承传统工业领域的碳纤维复合材料技术，又必须跳出已有固定思维的理念。（来源：塑库网）
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