1. 引言
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP，碳纤维复合材料)是以碳纤维作为增强体改性树脂基体形成的多相材料体系[1]。它既保留了树脂基体传递载荷的能力，又获得了碳纤维丝/织物的带来的显著增强效应，因而是一种新型的结构材料。碳纤维复合材料具有高比强度、低密度、耐腐蚀、抗疲劳、可实现设计工艺一体化等优异特性，目前已广泛应用于建筑与结构、机械制造、交通运输、文体用品等与国民经济高度相关的众多行业[2] [3]。
碳纤维复合材料材料自问世以来，即以航空航天需求为背景不断发展。从非承力构件到主承载构件应用，满足了现代航空航天、国防军工等尖端装备的需求。随着设计与制备技术日趋成熟，近年来，碳纤维复合材料的应用也逐渐成为了轻量化需求日渐迫切的新能源汽车与轨道交通车辆领域的热点[3]-[5]。本工作综述了碳纤维复合材料在轨道交通行业的应用现状、相关理论研究进展及在应用过程中遇到的共性技术问题，同时针对未来的发展方向进行了探讨。
2. 碳纤维复合材料的优势
轨道交通车辆结构的设计通常根据实际运用条件，综合考虑重量、强度、刚度、耐久性、安全性和舒适性等指标[6]。以车体为例，图1示意地列出了车体结构设计的主要技术要求[7]。以下将结合车辆结构设计在轻量化、耐久性、安全性及舒适性等核心需求，分析碳纤维复合材料在轨道交通装备上应用的优势。
在节能环保需求日渐迫切，车辆功能配置日益增多但车辆轴重受限制的大背景下，确保结构安全的同时实现结构减重成为了轨道交通车辆的重要任务。目前，结构减重的主要手段包括结构优化设计和轻量化新材料应用等。从新材料的应用来看，国内外轨道交通车辆主要结构材料经历了耐候钢—不锈钢—铝合金的演化过程[8] [9]。然而，随着车辆速度等级的不断提升，而轨道交通常用铝合金比强度提升已接近极限的情形下，发展应用新一代轻量化材料就显得十分必要。表1对比了碳纤维复合材料和轨道交通常用材料的力学性能，与常用金属材料相比，一方面，碳纤维复合材料具有高比强度、比刚度等优势，能够更好地保证车辆结构的强度和刚度；另一方面，碳纤维复合材料抗疲劳、抗裂纹扩展、耐腐蚀等性能优异，在服役过程中一般不会出现瞬间断裂的情形，因而使得结构在失效前能通过简单的检测即能发现故障，从而更好地保证结构安全。此外，碳纤维复合材料的阻尼性能较金属材料高10~100倍，且导热
Figure 1. Sketch of design requirements for rail vehicle body [7]
图1. 轨道车辆车体设计需求示意图[7]
Table 1. Comparison of mechanical properties between carbon fiber composites and materials commonly used in rail transit [9]
表1. 碳纤维复合材料与轨道交通常用材料力学性能对比[9]
| 材料 |
密度g/cm3 |
抗拉强度GPa |
模量GPa |
比强度GPa·cm3/g |
比模量GPa∙cm3/g |
| 碳纤维(T700) |
1.6 |
3.5 |
230 |
2.19 |
144 |
| 碳纤维复合材料 |
1.78 |
2.23 |
121 |
1.25 |
68 |
| 不锈钢(301L) |
7.8 |
0.63 |
210 |
0.08 |
27 |
| 铝合金(6082-T6) |
2.7 |
0.32 |
71 |
0.12 |
26 |
系数低于金属2~3个数量级，因而能保证车辆具有优良隔声隔热抗振性能，提高车辆舒适性。因此，碳纤维复合材料就成为了最具潜力的候选材料，同时其材料/结构的设计和应用已成为装备制造业保障产品轻量化和结构安全的新兴技术方向。
3. 发展历程与应用现状
作为目前能最大程度协同绿色低碳、高效节能、安全舒适等设计需求的结构材料，CFRP材料在交通领域获得了空前的发展机遇。除航空航天、新能源汽车等行业外，近年来，碳纤维复合材料轨道交通领域的应用也成为工程上的热点[10] [11]。自上世纪末以来，世界主要轨道交通装备企业联合专业复合材料设计制造企业积极开展了碳纤维复合材料应用研究与试验验证工作，取得了一系列应用研究成果。下面将结合国内外具体案例分析碳纤维复合材料在轨道交通车辆上的应用发展历程。
3.1. 国外发展历程与应用现状
20世纪80年代末期，日本率先将碳纤维复合材料应用于轨道交通车辆转向架构架部件，该构架的纵、横梁分别采用碳纤维层压板叠层结构和缠绕成形结构，较钢制构架减重达70% [12]；几乎在同一时期，瑞士辛德勒车辆公司利用碳纤维复合材料可整体成形的特点，设计并制造了以碳纤维复合材料为主的整体式车体部件，但由于整体缠绕工艺难度大，未实现量产[13]；到2000年，法国铁路公司联合ACX工业公司为TGV列车研制出了双层车体，车体成形采用低成本真空袋压成形工艺制造，在满足车辆强度、防火、隔声、抗振等性能要求的前提下，与铝合金车体相比实现了减重25%的目标，验证了碳纤维复合材料作为轨道交通车辆大型结构的主要轻量化材料的可行性，如图2(a)和图2(b) [14]所示。
进入21世纪，碳纤维在轨道交通领域获得了空前的发展，大量碳纤维复合材料结构在轨道交通领域取得应用。其中最具代表性的成功案例为韩国已取得商业应用的TTX (TitleTrain eXpress)摆式列车车体。该车体由韩国铁科院(KRRI)自2001年开始研制，如图2(c)和图2(d)所示。其初期采用T300/AD6005graphite/环氧树脂层合板车顶、侧墙及端墙部件，与6005A-T6铝合金中空型材底架通过胶–螺连接而成。然而，随着时间的推移，部分构件出现老化、变形、弯曲挠度超标等一系列问题。后续改进方案，采用CF1263碳纤维/环氧树脂复合材料面板 + 铝蜂窝夹心材料制备车体，同时嵌入部分不锈钢筋条用于改善车体刚度，取得了优异的效果，在满足防火安全、疲劳强度及模态等一系列要求的同时，车体外壳总质量降低约40% [13]-[15]。
Figure 2. CFRP car bodies [14] [15]: (a), (b) French TGV double-decker train body; (c), (d) South Korean TTX tilting train and its car-body sketch
图2. 碳纤维复合材料车体[14] [15]：(a)、(b) 法国TGV双层列车车体，(c)、(d) 韩国TTX摆式列车及其车体
在转向架方面，日本川崎重工研发出全碳纤维构架的efWing转向架[16]，该转向架纵梁利用碳纤维复合材料高比模量的特点设计成弓形，形成取消传统二系簧的柔性转向架构架，在获得比传统金属侧梁减重约40%的轻量化效果，同时大大提高了动力学性能，该款转向架从2018年开始在货车上获得了批量应用。
此外，德国福伊特公司(Voith)研制的过渡车钩与钢制过渡车钩相比减重50%以上[17]。英国利用碳纤维热塑性树脂基复合材料制备出可回收碳纤维复合转向架，实现减重达40%，降低轨道横向力40%，减少能源消耗20%的目标[18]。21世纪10年代国外主要碳纤维复合材料大型承载结构应用案例如图3所示。
Figure 3. The main carbon fiber composite large-scale bearing structure in the early 21st century: (a), (b) efWing bogie of Japan and its sketch; (c) Recyclable CFRP bogie of UK; (d) CFRP excessive coupler of German [16]-[18]
图3. 21世纪10年代国外主要碳纤维复合材料大型承载结构：(a)、(b) 日本efwing转向架及其示意图；(c) 英国可回收碳纤维转向架；(d) 德国碳纤维过度车钩[16]-[18]
3.2. 国内应用现状
我国碳纤维复合材料在轨道交通车辆上的应用研究起步较晚，随着车辆减重增效需求日渐迫切，同时碳纤维复合材料制备技术日趋成熟，我国轨道车辆碳纤维复合材料部件也实现了从非承载件到主承载件到整车的跨越式发展。
近年来，在非承载构件或次承载构件上，我国先后完成了碳纤维复合材料司机操纵台、电气柜、高速列车和城轨列车头罩等产品，基本实现了量产和商业应用[13] [14]。
在整车或系统级产品方面，近年来也出现了较多成功案例。2018年，青岛四方发布新一代全碳纤维地铁车辆(如图4(a)和图4(b)所示)，该车辆车体、转向架均采用碳纤维复合材料，涉及成形工艺包括热压罐、自动化编织+液体成型、拉挤成型等工艺，实现列车整车减重13%、节能15%、降噪3 dB，于2019年在通过了在广州的线路运营考核[19]。2022年，在德国柏林国际轨道交通技术展览会上，中国中车面向全球发布了首个轨道交通车辆“弓”系转向架，如图4(c)所示，该转向架由唐山公司研制，其关键结构部件采用全碳纤维复合材料，与传统转向架相比，动力型“弓”系转向架减重25%、非动力型减重35%，车辆运行能耗减少15%，轮轨磨耗降低30%，噪声降低2到3分贝，全生命周期成本降低15% [20]。
此外，长客股份推出了武汉东湖光谷量子号一列5辆碳纤维复材车体，如图4(d)所示，混合采用了碳纤维复合材料液体成型技术与OOA成型技术，部分承载结构件使用热压罐成型技术。该车辆已通过商业运营考核，为目前最接近商业大规模应用的全复合材料轨道列车。
4. 研究进展
一般来讲，基于碳纤维复合材料的结构设计方法与流程，与基于金属材料的结构设计基本一致。均是从材料力学性能和材料弹塑性本构模型等理论研究出发，结合有限元分析方法进行结构优化设计与结构可靠性评估，从而设计出符合要求的构件。因而，碳纤维复合材料作为一种新型材料，目前的研究主要集中在材料弹性性能预测与失效准则、抗疲劳性能、连接结构设计等方面。以下将结合上述几个方面阐述目前的部分研究进展。
Figure 4. Some large load-bearing components made of CFRP in China: (a), (b) Car body and bogie; (c) “Gong” series bogie; (d) CFRP car body of Wuhan Optics Valley Tram [19] [20]
图4. 我国部分碳纤维复合材料大型承载构件：(a)、(b) 碳纤维车体与转向架；(c) 弓系转向架；(d) 武汉光谷有轨电车碳纤维车体[19] [20]
4.1. 弹性性能预测与失效准则
碳纤维复合材料是一类典型的各向异性材料，其沿纤维方向与垂直于纤维方向的性能存在显著差异，同时将纤维按一定规则进行铺层设计或编织，又可以表现出所谓的正交各向异性。其力学性能与失效机理与金属材料相比复杂得多，人们为了准确地预测材料弹性性能，发展出了基于各组分材料弹性模量、泊松比、组分体积分数等参数计算复合材料各个方向上的弹性模量和泊松比的模型，例如早期的混合率模型、桥联模型、同心圆柱模型等。这些模型虽然能够较为准确地预测材料弹性性能，但模型的应用较为复杂，为简化预测过程提高预测精度，在此基础上又发展出了经典层压板理论。然而上述理论并未明确材料最大承载力、失效判据等问题。因而大量学者开始针对碳纤维复合材料的强度准则和失效模型展开研究。逐步发展出了渐进失效模型，用以预测复合材料层压板的损伤演化和失效模式，在此基础上，进一步具体考虑纤维和基体的失效，建立了Hashin准则和Tsai-Wu准则，成为了目前应用最广泛的碳纤维复合材料失效准则[1] [21]-[23]。
目前，工程上针对碳纤维复合材料力学性能研究，均是从经典层压板理论和失效准则出发，同时结合有限元来分析材料/结构的强度。首先，大量学者开始研究了铺层方式、铺层角度、编织方式等一系列因素对材料力学性能的影响，例如，徐超等[21]对8种铺层结构的碳纤维复合材料进行了拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量的测试，发现采用(−45˚/0˚/45˚/90˚)铺层结构能够在(0˚/90˚)铺层结构的基础上，进一步提高45˚和−45˚方向上的力学性能。由于层压板在其垂向纤维层之间的连接较弱，为解决此问题，发展出了三维编织技术，目前工程上又广泛开展了三维编织复合材料的相关研究，例如，陈燕荣、孙琳等[22]研究了三维编织/单向织物混杂复合材料的力学性能，发现铺层顺序对材料力学性能影响较大，0˚单向铺层的三明治结构U6/3D/U6，弯曲强度和弯曲弹性模量最高，混杂复合材料3D编织层的失效以丝束与树脂的界面破坏为主。与此同时，碳纤维复合材料冲击、抗侵彻等动态力学性能和损伤失效模式也受到广泛关注。Li等[23]研究了不同编织角度的三维六向编织复合材料的高应变率冲击效应和破坏行为，H. Tan等[24]采用分裂式霍普金森压力棒研究了三维编织复合材料的动态压缩响应，并且建立了中尺度有限元模型来表征其压缩行为等。这些研究结果，对理解和描述碳纤维复合材料的力学行为提供了大量基础数据和理论方法，同时为基于碳纤维复合材料的结构设计奠定了理论基础。
4.2. 抗疲劳性能
总的来讲，复合材料的抗疲劳性能显著优于金属材料。因此，早期也有人认为碳纤维复合材料结构“静强度设计覆盖疲劳”，即碳纤维复合材料的极限疲劳强度能达到其抗拉强度的90%，而在留足一定的安全系数设计下，满足静强度设计则必然满足疲劳强度要求，事实上这种思想仅在材料/结构仅受拉应力的前提下适用。近年来，在碳纤维复合材料的抗疲劳性能方面，目前普遍关注各类影响因素(如环境、粗糙度、加载方式等)对材料本身抗疲劳性能的影响及材料疲劳损伤特性等方面。如文献[25]研究了吸湿后碳纤维复合材料正交层板拉伸疲劳性能，发现吸湿后正交层合板的拉伸疲劳寿命明显低于干态情况，而且S-N曲线的斜率稍低；文献[26]研究了加工表面粗糙度对材料疲劳性能的影响，结果表明，随着表面粗糙度增大，在疲劳试验过程中CFRP复合材料试样表面裂纹迅速萌生扩展，刚度退化初始阶段的退化速率升高，刚度退化I阶段更快结束，试样的疲劳寿命降低；文献[27]基于拉伸实验及拉–拉疲劳实验获得的测试结果，确定了材料的疲劳损伤判断准则、疲劳剩余强度和剩余刚度模型以及疲劳寿命模型、材料性能突降方法，同时利用ABAQUS的UMAT子程序功能，对材料的疲劳失效进行了仿真。虽然，上述研究已从各个方面对碳纤维复合材料及结构进行了抗疲劳性能的研究，但是目前轨道交通车辆用大型结构的抗疲劳设计仍未形成一套完整的理论体系。
4.3. 连接结构设计与分析
大型结构的设计与制造，不可避免的需要大量的连接结构。碳纤维复合材料由于其独特的性能特征，其连接接头与金属材料相比要复杂得多，具体表现为，连接接头形式多样、连接接头设计及可靠性分析难度较大等。复合材料连接方法有传统机械连接、胶接连接、缝合连接、Z-Pin连接、混合连接等[28]。对于连接接头的设计与分析与材料力学性能研究方法类似，主要采用复合材料强度理论、失效准则等结合有限元分析方法，研究接头承载性能和损伤失效机理等[28] [29]。目前，针对传统机械紧固连接、胶接等一系列的复合材料连接结构的研究，取得了一定的研究成果。然而，在工程上，出于在构件密封性、接头可靠性等考虑，目前工程中使用最多的连接形式为和胶–螺、胶铆混合连接等。但由于这类接头结构失效模式复杂、大型结构涉及到异种材料连接、接头数量多等，目前仍未获得突破性研究进展，还需进一步研究。
5. 应用中存在的共性技术问题
从上述应用现状来看，碳纤维复合材料在轨道交通领域的应用仍属于早期阶段，尽管目前从零部件到整车的应用均有部分成功案例，但实际实施商业应用的案例较少。在目前国家双碳政策实施的背景下，随着国民经济的发展，碳纤维复合材料在轨道交通车辆上的应用前景仍然十分广阔。然而，要实现碳纤维复合材料在轨道交通领域大规模商用，仍需系统地针对以下方面展开研究。
1) 碳纤维复合材料的服役性能：从目前的研究来看，针对碳纤维复合材料性能的研究均集中在弹性性能预测、强度准则与失效模型等方面。然而，在实际服役过程中，结构材料除承受各类复杂载荷外，还受服役环境(如温度、湿度及紫外线)的影响。在长期服役环境的影响下，材料/结构性能的变化是设计时需要重点考虑的条件，也是确保碳纤维复合材料结构服役寿命满足车辆使用寿命要求的重要约束条件。然而，目前对于碳纤维复合材料的性能如何演变、材料性能的劣化对结构承载性能的影响规律等问题目前尚未进行充分研究。
2) 结构抗疲劳设计与评估：目前金属材料仍是车辆主要承载结构材料，碳纤维复合材料的应用仍属于轨道交通领域的新兴研究方向。车辆结构的抗疲劳设计与评估仍大多采用疲劳极限法结合Goodman图进行评估。虽然存在大规模的焊接接头，但金属材料的焊接结构在宏观上仍可看作均质材料，采用与母材相同的方法进行评估。很显然碳纤维复合材料及其连接结构不属于均质材料，其疲劳失效模式目前仍未取得突破性进展，其疲劳设计与评估是否仍能疲劳极限法和Goodman方法进行评估，目前尚未形成相关标准，因而仍需要进一步研究。
3) 连接结构设计与评估：虽然，目前有较多文献[30] [31]声称形成了基于复合材料的大型结构设计方法，或基于复合材料针对整车结构进行了优化。但目前针对复合材料连接结构的设计与评估，仍未形成一套工程上广泛认可的设计与评估标准。若要确保复合材料整车承载结构的安全性和可靠性，目前在连接接头形式设计、连接强度评估和连接结构失效等方面仍有待进一步研究。
6. 展望
截至目前，碳纤维复合材料在轨道交通车辆结构上未实现大规模商业化应用，总体上仍处于研究阶段。尽管如此，作为目前比强度最高的新型轻量化材料，其在轨道交通车辆上具备十分广阔的应用前景。碳纤维复合材料在轨道交通大规模商业应用仍面临着原材料和工艺制造成本较高、行业设计与制造标准体系不完善等挑战。未来需要在揭示碳纤维复合材料各类特性的基础上，不断完善复杂载荷作用下的碳纤维复合材料结构设计与评估理论，同时发展新型低成本工艺制备技术等，在此基础上，进一步完善轨道交通领域碳纤维复合材料结构的设计、制备与应用标准体系。相信随着研究的深入，在不久的将来，碳纤维复合材料定能在轨道交通领域实现大规模商业应用。
NOTES
*通讯作者。