碳纖維材料在高速列車(chē)的應(yīng)用前景

作者：中州期刊來(lái)源：00559.cn日期：2014-05-29人氣：1960

碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類(lèi)似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)。碳纖維是指含碳量高于90％的無(wú)機(jī)高分子纖維。碳纖維具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、耐疲勞、抗腐蝕、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等特性,一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料。碳纖維除了應(yīng)用于航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域，還可用在文體用品、紡織機(jī)械、醫(yī)療器械生物工程、運(yùn)輸車(chē)輛等方面。碳纖維材料在高速列車(chē)上的應(yīng)用還比較局限，目前大多數(shù)產(chǎn)品處于研究開(kāi)發(fā)階段，僅在部分產(chǎn)品得到實(shí)際的應(yīng)用，應(yīng)用前景非常廣泛。

1 碳纖維材料的主要性能

為了利用碳纖維，需要先認(rèn)識(shí)碳纖維的特性,以便在生產(chǎn)實(shí)際中更好地應(yīng)用這種新材料。碳纖維的主要特性：

表1 各種材質(zhì)碳纖維的主要性能

性能	聚丙烯腈碳纖維	瀝青碳纖維	粘膠碳纖維
拉伸強(qiáng)度（MPa）	2500~3100	1600	2100~2800
拉伸彈性模量（GPa）	207~345	379	414~552
密度（g/cm3)	1.7~1.8	1.7	2.0
斷裂伸長(zhǎng)率（%)	0.6~1.2	1	0.7

①　碳纖維的強(qiáng)度高，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)3 000～4 000MPa，比鋼大4倍多；比鋁高6～7倍。

②　彈性模量高。其彈性模量在230GPa以上。

③　密度小，比強(qiáng)度高。碳纖維的質(zhì)量是鋼的1/4,是鋁合金的1/2,比強(qiáng)度比鋼大16倍,比鋁合金大12倍。

④　能耐超高溫。碳纖維可在2 000℃使用，在3 000℃非氧化氣氛的高溫下不融化，不軟化。

⑤　耐低溫性能好。在-180℃低溫下，鋼鐵變得比玻璃脆，而碳纖維依舊很柔軟。

⑥　耐酸性能好。能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介質(zhì)侵蝕。將碳纖維放在濃度為50%的鹽酸、硫酸和磷酸中，200天后其彈性模量、強(qiáng)度和直徑基本沒(méi)有變化；在50%濃度的硝酸中只是稍有膨脹，其耐腐蝕性能超過(guò)黃金和鉑金。耐油、耐腐蝕性能好;

⑦　熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)大?？梢阅图崩浼睙?，即使從3 000℃的高溫突然降到室溫也不會(huì)炸裂。

⑧　防原子輻射，能使中子減速。

⑨　導(dǎo)電性性能好(5~17μΩm)。

⑩　軸向抗剪切模量較低，斷裂延伸率小，耐沖擊差，并且后加工較為困難。

2 列車(chē)輕量化的意義

列車(chē)輕量化主要從軸重、能耗和制動(dòng)三個(gè)方面考慮，列車(chē)速度越高，對(duì)軌道的沖擊力越大，因此對(duì)速度大于120km/h的車(chē)輛的軸重要隨速度級(jí)的增加而減少。軸重過(guò)重，輕者將使鋼軌過(guò)度磨耗和損傷，增加線路維修工作量，重者將損壞線路，釀成重大事故。高速列車(chē)的運(yùn)行速度大于250km/h時(shí)對(duì)軌道的沖擊力比普通列車(chē)沖擊要大得多。高速列車(chē)運(yùn)行靠消耗電能來(lái)實(shí)現(xiàn)，列車(chē)運(yùn)行除具備一定的動(dòng)力外，還必須克服包括機(jī)械摩擦力和空氣阻力在內(nèi)的運(yùn)行阻力。高速列車(chē)的運(yùn)行速度大于250km/h時(shí)需要的動(dòng)能是現(xiàn)有列車(chē)的4倍多，要克服的阻力是現(xiàn)有列車(chē)的10~30倍。高速列車(chē)的巨大動(dòng)能在制動(dòng)停車(chē)的短時(shí)間消散也是一個(gè)困難的技術(shù)問(wèn)題，一般高速列車(chē)采用再生制動(dòng)和盤(pán)型制動(dòng)結(jié)合的方式，對(duì)盤(pán)型制動(dòng)的制動(dòng)盤(pán)和閘片的能力要求十分的苛刻。列車(chē)輕量化對(duì)減輕高速列車(chē)自重對(duì)減少線路損害、減少動(dòng)力消耗、節(jié)約能源以及減少制動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，具有重大意義。

3 國(guó)內(nèi)高速列車(chē)應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 高速列車(chē)車(chē)頭

高速列車(chē)在高速行駛中，所受到得空氣阻力占列車(chē)總阻力很大一部分，而且隨著列車(chē)的速度提高而急劇增加。如國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的250km/h運(yùn)行的高速列車(chē)，其空氣阻力超過(guò)列車(chē)運(yùn)行總阻力的50%以上。為了實(shí)現(xiàn)高速鐵路的安全、舒適、低能耗并滿足環(huán)境保護(hù)的要求，必須對(duì)列車(chē)車(chē)頭進(jìn)行深入而細(xì)致的研究，以期最大程度的降低車(chē)輛的氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力、側(cè)風(fēng)效應(yīng)等，達(dá)到降低能耗及增加列車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定性的目的。

高速列車(chē)行駛中，車(chē)頭最高正壓集中在車(chē)最前端迎風(fēng)面，車(chē)頭設(shè)計(jì)隨著車(chē)頭長(zhǎng)度增加，外流場(chǎng)的氣流附著在車(chē)頭表面流動(dòng)，隨著流線型線條趨于平緩、車(chē)頭橫截面變化梯度變小，則邊界層隨之加長(zhǎng)，邊界層分離點(diǎn)后移，分離區(qū)域減小使得氣流分離較為順暢平緩，列車(chē)的最大壓力隨著減低，即使如此，高速列車(chē)車(chē)頭最高正壓也達(dá)到3 000pa。碳纖維車(chē)頭前端頭蓋可以很好的承受列車(chē)最前端的最大正壓和最大負(fù)壓，避免列車(chē)因正壓和負(fù)壓而失效，提高高速列車(chē)的空氣動(dòng)力性能。

碳纖維車(chē)頭導(dǎo)流板對(duì)提高列車(chē)的空氣動(dòng)力性能有重要影響。一方面，可以減少空氣的擾動(dòng)，使湍流動(dòng)能對(duì)車(chē)身底面的沖擊降到最低，同時(shí)減少氣流進(jìn)入車(chē)底，縮小車(chē)頂與車(chē)底的空氣壓力差，增加車(chē)輛行駛穩(wěn)定性；另一方面，它可以使迎面而來(lái)的氣流平緩的分離，最大程度的降低迎風(fēng)面的壓差阻力作用。

3.2 高速列車(chē)鉤緩裝置

高速列車(chē)的鉤緩裝置作為列車(chē)縱向力的關(guān)鍵部件之一，在列車(chē)的安全運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用，列車(chē)不同車(chē)輛間的縱向力均由鉤緩裝置傳遞，鉤緩裝置不但能夠在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中吸收車(chē)輛之間的縱向沖擊力，提高列車(chē)運(yùn)行舒適性，而且鉤緩裝置中的吸能裝置還能在發(fā)生列車(chē)碰撞的情況下保護(hù)車(chē)體，避免乘客受傷。

目前國(guó)內(nèi)高速列車(chē)車(chē)鉤的主要承力件均為鋼結(jié)構(gòu)，其中主要包括焊接鉤體，車(chē)鉤安裝座（板）以及車(chē)鉤緩沖器的主要結(jié)構(gòu)件等，國(guó)內(nèi)高速列車(chē)車(chē)鉤重量均在500kg以上，以國(guó)內(nèi)某高速車(chē)車(chē)鉤安裝板為例，僅安裝板就超過(guò)100KG，導(dǎo)致車(chē)鉤的安裝和起吊非常不方便，將碳纖維材料引入鉤緩裝置中，就會(huì)極大的減少鉤緩裝置的重量，這不但可以整體減輕列車(chē)的重量，而且對(duì)車(chē)鉤的使用、安裝和檢修都意義重大。

3.3 高速列車(chē)制動(dòng)裝置

隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高，高速列車(chē)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的要求越來(lái)越高。從能量守恒考慮，列車(chē)的動(dòng)能與其運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比，列車(chē)所具備的制動(dòng)功率也應(yīng)與最高速度的平方成正比。從粘著利用與防滑考慮，高速列車(chē)必須具備高性能防滑裝置來(lái)確保行車(chē)安全；為了提高乘坐舒適度，對(duì)制動(dòng)力控制精度要求高。

列車(chē)制動(dòng)方式來(lái)說(shuō)，踏面制動(dòng)是最常用的一種制動(dòng)方式，而高速列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)看，踏面制動(dòng)由于其缺陷性很少采用，現(xiàn)高速列車(chē)主要采用盤(pán)形制動(dòng)實(shí)現(xiàn)高速列車(chē)最終實(shí)現(xiàn)停車(chē)的基礎(chǔ)制動(dòng)方式，它在制動(dòng)功率、減少車(chē)輪踏面熱傷害等具有踏面制動(dòng)所沒(méi)有的優(yōu)越性。長(zhǎng)期以來(lái)，基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用的主要材料是鑄鐵材料。國(guó)內(nèi)經(jīng)純凈化處理、優(yōu)化鍛造等制成的制動(dòng)盤(pán)，具有良好的綜合性能和優(yōu)異的抗熱疲勞性，可在高速列車(chē)上采用。但其與碳纖維復(fù)合材料相比，碳纖維復(fù)合材料的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于鑄鐵材料，并符合高速列車(chē)輕量化發(fā)展的要求，國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了大力的研究和開(kāi)發(fā)，得到了一定的應(yīng)用。

碳纖維復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)與鑄鐵材料相比，具有以下主要的特點(diǎn)：

1) 根據(jù)工藝，使摩擦系數(shù)曲線與黏著系數(shù)曲線獲得較好的吻合，摩擦系數(shù)大而且對(duì)速度的改變不太敏感。

2) 耐磨，壽命一般在鑄鐵閘瓦的4倍以上；制動(dòng)時(shí)無(wú)火花；重量大大的減少，對(duì)線路和車(chē)輛沖擊減少；磨耗少。

4 未來(lái)應(yīng)用方向及前景

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于碳纖維材料在高速列車(chē)上的應(yīng)用還不多，大多數(shù)研究項(xiàng)目還處在試驗(yàn)室階段，技術(shù)成熟且可以實(shí)用的較少，急需投入較大的力量進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。我國(guó)高速列車(chē)的技術(shù)能否始終占據(jù)國(guó)際市場(chǎng)，也迫切需要對(duì)新材料（碳纖維等）在車(chē)體、轉(zhuǎn)向架等承力結(jié)構(gòu)的研究開(kāi)發(fā)工作，搶占技術(shù)制高點(diǎn)，為以后的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

高速列車(chē)上車(chē)體材料以高強(qiáng)度鋁合金為主。鋁合金材料強(qiáng)度、疲勞性能、抗裂紋能力、良好的表面處理能力和抗腐蝕能力、撞擊時(shí)不會(huì)產(chǎn)生火花、有很好的吸收沖擊能力和吸音能力。它的優(yōu)越使其在高速列車(chē)上的得到廣泛的運(yùn)用。鋁合金的焊接性能較差，耐磨性能差，彈性模量小，應(yīng)用溫度較低等缺點(diǎn)。列車(chē)速度越高，它的缺點(diǎn)對(duì)列車(chē)的整體性能影響較大。用復(fù)合材料及碳纖維材料來(lái)代替鋁合金材料，進(jìn)一步提高列車(chē)高速行駛的車(chē)體穩(wěn)定性和安全性，具有廣闊的研究前景。

轉(zhuǎn)向架技術(shù)直接制約著高速列車(chē)的性能，車(chē)輛受到的各種載荷及作用力的承載和傳遞都通過(guò)轉(zhuǎn)向架來(lái)實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)與性能好，能緩和車(chē)輛和線路之間的相互作用，減小振動(dòng)和沖擊，減小動(dòng)應(yīng)力，提高車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性。碳纖維材料性能的優(yōu)越，對(duì)于轉(zhuǎn)向架的輕量化、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等等有著重要的意義。因轉(zhuǎn)向架的受力復(fù)雜、影響因素較多，現(xiàn)在碳纖維材料在轉(zhuǎn)向架的研究和應(yīng)用還不夠深入，未來(lái)還需加強(qiáng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

碳纖維在高速列車(chē)上應(yīng)用有著廣闊的前景，現(xiàn)在它主要在材料成本和生產(chǎn)設(shè)計(jì)兩方面制約著在高速列車(chē)上的廣泛應(yīng)用。

1.成本問(wèn)題。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所用的纖維和基體材料價(jià)格高，是該材料在工業(yè)廣泛使用最大的障礙。生產(chǎn)碳纖維的原絲――聚丙烯晴絲較貴，美國(guó)正在研究以紡織商品級(jí)的聚丙烯晴絲為原絲并能夠快速生產(chǎn)廉價(jià)碳纖維的工藝，可望將碳纖維的價(jià)格降至3美元/磅。缺乏大批量、高生產(chǎn)效率的碳纖維復(fù)合材料高速列車(chē)零部件的生產(chǎn)方法。

2.生產(chǎn)設(shè)計(jì)問(wèn)題。需研究能夠生長(zhǎng)多種形狀和性能的高速列車(chē)零部件工藝方法，研究發(fā)展高效、低成本的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件生產(chǎn)工藝意義重大。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高速列車(chē)零件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)方法、分析工具、碰撞模型等尚不完善。

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