碳纖維(carbonfiber)是由有機(jī)纖維經(jīng)過(guò)一系列轉(zhuǎn)化得到石墨微晶材料，其組成為含碳量高達(dá)90%以上高分子碳纖維，力學(xué)性能十分優(yōu)秀。碳纖維與基質(zhì)材料復(fù)合成的碳纖維復(fù)合材料可應(yīng)用在車輛生產(chǎn)、精密制造、軍工航天等高技術(shù)領(lǐng)域，還可用在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療器械、生物工程等方面。隨著軌道交通運(yùn)輸行業(yè)對(duì)軌道客車的安全性、舒適性、綠色節(jié)能性提出了新的要求，碳纖維復(fù)合材料作為一種新型替代材料逐漸引起了世界各國(guó)的關(guān)注。
一、碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
碳纖維復(fù)合材料除了具有一般碳材料的特性外，與常見(jiàn)的金屬材料相比，更具有一些優(yōu)異的力學(xué)和化學(xué)性能。碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)有以下幾個(gè)方面：
(1)密度低，碳纖維復(fù)合材料的密度為1.5g/cm3-2.0 g/cm3；
(2)強(qiáng)度高，碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度可達(dá)3500MPa，是鋼的5倍、鋁的8倍；
(3)比強(qiáng)度高，同一種規(guī)格尺寸的產(chǎn)品，用碳纖維復(fù)合材料制作，其質(zhì)量是鋼的1/4，是鋁合金的1/2，就可以承受住同等強(qiáng)度；
(4)耐高溫， 博實(shí)碳纖維研制的耐高溫碳纖維復(fù)合材料板可在300℃的溫度中使用，高溫條件仍然保持原有性征不變；
(5)耐酸堿鹽腐蝕，并且可以抵抗外界的惡劣條件。
二、碳纖維復(fù)合材料在高速列車上的應(yīng)用案例
軌道車輛的運(yùn)行速度越高，給軌道帶來(lái)的沖擊力越大。而車輛的輕量化可以減少在行駛過(guò)程中對(duì)鋼軌造成的損耗。碳纖維作為一種性能優(yōu)秀的替代性材料，在國(guó)內(nèi)外列車的不同部位都有著很多的應(yīng)用案例，這里博實(shí)碳纖維帶大家來(lái)做個(gè)簡(jiǎn)單的了解。
(1)動(dòng)力學(xué)前端上的應(yīng)用
在列車高速行駛中，動(dòng)力學(xué)前端會(huì)受到很大的阻力，大約占列車運(yùn)行總阻力的50%。因此，通過(guò)減少列車動(dòng)力學(xué)前段的重量，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，可以起到降低能耗、提高列車運(yùn)行的穩(wěn)定性的效果。碳纖維復(fù)合材料制造的軌道列車動(dòng)力學(xué)前端能夠承受很大的正負(fù)壓，能夠滿足列車運(yùn)行中對(duì)強(qiáng)度和剛度的要求。
碳纖維列車動(dòng)力學(xué)前端
英國(guó)使用碳纖維復(fù)臺(tái)材料制造的動(dòng)力學(xué)前端比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)輕30%~ 35%。并且這種機(jī)車動(dòng)力學(xué)前端能夠能夠承受一個(gè)0.9kg的立方體鋼塊以350m/h的速度對(duì)其的沖擊，抗沖擊性能十分優(yōu)秀。 更為重要的是在以300km/h速度行駛的時(shí)候，能保證很好的尺寸穩(wěn)定性。
(2)車體上的應(yīng)用
車體是軌道列車的重要組成部分，為了進(jìn)一步減輕車體的重量，研究人員開(kāi)始嘗試采用碳纖維復(fù)合材料來(lái)替代鋁合金和鋼制車身。
法國(guó)采用碳纖維和玻璃纖維等復(fù)合材料生產(chǎn)了雙層TGV掛車樣車，并對(duì)其耐火性、抗沖擊強(qiáng)度等因數(shù)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，復(fù)合材料車體在振動(dòng)性能和絕熱防火性能等方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)，并且乘車的舒適度有了很大的改善。辛德勒客車公司用碳纖維纏繞的方法制成輕型列車車體，生產(chǎn)的樣車在鐵路線上進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，實(shí)際運(yùn)行速度可達(dá)140km/h，并且強(qiáng)度和剛度均能達(dá)到預(yù)期的要求。
雙層TGV掛車
而最有代表性的案例是韓國(guó)在2010年投入運(yùn)營(yíng)的TTX列車，該列車車體外殼采用碳纖維復(fù)合材料蒙皮和鋁夾芯結(jié)構(gòu)。該碳纖維夾芯材質(zhì)構(gòu)造使車體重量降低了40%，運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)明顯的安全問(wèn)題，各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求。
我國(guó)的藍(lán)箭、中華之星以及和諧號(hào)高速列車的一部分內(nèi)飾件也采用了碳纖維復(fù)臺(tái)材料。
(3)制動(dòng)裝置上的應(yīng)用
高速列車的快速發(fā)展，要求其制動(dòng)裝置的控制精度、制動(dòng)閘片的損耗控制也需要不斷改進(jìn)。碳纖維復(fù)臺(tái)材料制造的制動(dòng)閘片已經(jīng)通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證，具備了小批量生產(chǎn)的能力。
我國(guó)某科研單位研制出一款碳纖維閘片，并對(duì)其做了一系列的測(cè)試。分別對(duì)120km/h及200km/h速度下碳纖維閘片的摩擦系數(shù)、溫升和磨損量進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果顯示，與鑄鐵材質(zhì)的閘片相比，碳纖維閘片耐磨性好，并且在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中溫度變化不大。
三、總結(jié)：
隨著國(guó)家對(duì)軌道車輛輕量化及低碳環(huán)保要求提高，碳纖維復(fù)合材料必將越來(lái)越多地應(yīng)用到軌道交通車輛上。目前國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛應(yīng)用還屬于起步階段，隨著科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)對(duì)新型復(fù)合材料在軌道車輛上應(yīng)用研究越來(lái)越深入，軌道交通車輛新材料應(yīng)用方面必將獲得大發(fā)展，將會(huì)為軌道交通車輛提供越來(lái)越多的碳纖維部件。
