碳纤维复合材料在轨道车辆应用展望

碳纤维复合材料在轨道车辆应用展望

王刚

中建二局土木工程集团有限公司 河北邯郸 056200

摘要：目前，我国的经济在快速发展，社会在不断进步，交通行业在我国发展十分迅速，文章首先介绍碳纤维复合材料在各国轨道交通领域的应用现状，并详细分析碳纤维复合材料在轨道车辆研发、制造、应用方面的关键技术。同时提出碳纤维复合材料在车辆应用的研究方法，并对碳纤维复合材料产业链发展前景进行分析，可为碳纤维复合材料在轨道交通装备制造领域的发展提供借鉴和思考。

关键词：轨道车辆；碳纤维；复合材料；结构设计；应用展望

引言

碳纤维具有密度小、比模量高、比强度高以及良好的抗震性能等优点，且具有良好的可设计性而被应用于车辆的传动部件中，并且能够满足轨道客车轻量化的要求而被逐渐应用于轨道客车中。不同的铺层角度以及堆叠顺序对碳纤维板的力学性能影响很大，而碳纤维复合材料良好的设计性就体现在不同的铺层角度以及堆叠顺序上。对无人机机身进行了3个阶段(铺层厚度、铺层层数、铺层顺序)的复合材料非均匀铺层优化设计，发现在满足力学性能以及工艺要求的前提下，采用非均匀铺层优化设计方法比均匀铺层优化设计方法所设计的轻了50%。对汽车前车门进行碳纤维结构以及铺层设计，对门板进行不同铺层形式研究，并且进行了一阶弯曲和扭转模态分析以及侧面碰撞分析，发现不同铺层形式的车前门在刚度以及强度上均比金属门的性能好，在碰撞方面能够满足标准规定的性能要求，并使车门整体达到54．94%的减重。在螺母轴向方向取了3个测试截面进行了螺母表面层残余应力测试分析，通过对不同截面以及螺母整体残余应力的显著性分析，得出较为优异的喷丸强化工艺参数。

1碳纤维复合材料的概述

碳纤维复合材料与高分子材料复合制成的材料为碳纤维复合材料，它具有质量轻、耐腐蚀、高强度、抗辐射抗老化、减振阻尼等优点，能够满足汽车设计轻量化的需求，提高汽车的安全性能。碳纤维是唯一强度不下降的物质，是金属材料等无法比拟的，它具有十分出色的力学性能和化学稳定性，将其应用于汽车改装领域中，不仅能够实现节能减排，达到省油的效果，还能提高汽车的防撞性能。国际上碳纤维产业发展十分迅速，正朝着工业领域和普通民用领域进行扩大发展。我国在20世纪60年代便开展了碳纤维的生产研发工作，但是并未取得实质性的进展，技术上并未突破。而在国际上大丝束碳纤维复合材料得到广泛的应用，主要是由于市场需求，航空航天、汽车产业等对高性能小丝束碳纤维材料的需求较高，将这种材料应用于零件制作中，实现轻量化效果，满足航空航天工业的需求。国外的许多国家掌握了碳纤维生产的核心技术，使得这一原材料生产成本较低，可应用于大量生产中，促进了碳纤维产业朝着规模化系统化的方向进行发展。然而由于目前我国并未掌握核心技术，碳纤维复合材料的生产成本较高，难以实现大规模化的生产加工。

2碳纤维复合材料在轨道车辆应用展望

2.1大型模具工装制造技术

技术难点：整体方案模具分为芯模和外模。芯模和外模尺寸大。其中，芯模在工艺制造过程需悬空。由于刚度强度要求高，结构复杂，故设计难度较大，尤其是大型模具的温度均匀性控制较困难。此外，还有模具数量多、加工装配困难、气密性难保证等问题。解决途径：提高模具整体厚度和结构刚度，通过试验及结构分析，对悬空模具的可适用性进行验证和分析，从而对芯模整体进行变形控制。模具设计尽量厚薄均匀，拟借鉴航空航天常用的框架式模具设计方法，以保证制品生产过程温度均匀性。在模具装配过程中采用激光跟踪仪进行三坐标定位，严格保证装配尺寸精度。模具之间通过密封条密封，以保证模具整体气密性良好。

2.2复合材料损伤检测技术

碳纤维复合材料组分复杂，在制造过程中工艺的不成熟或生产工艺规范执行不当易导致材料出现缺陷。典型缺陷主要有分层、脱粘、空隙、夹杂、铺层角度偏差等。碳纤维复合材料服役环境多变，在使用过程中易出现损伤。典型损伤有划伤、分层、脱粘等。为了保证复合材料的使用安全，应对结构材料的质量和健康情况进行检测。当前的无损检测方法主要有超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测和目视检测6种方法，各种检测具有各自的适用领域。无损检测方法中应用较广的是超声检测。它的原理是超声波进入待测件传到缺陷处产生反射，通过对反射波进行分析可以精确地测出结构缺陷与损伤的位置和大小。在不同缺陷显示方法中C型显示的缺陷检测结果最直观，可通过颜色区分损伤面积与深度。

2.3进气系统、发动机领域

碳纤维复合材料具有良好的加工性能和可设计性能，因此可以加工成各种曲面的复杂形状，且材料的表面会十分地光滑，再加上其轻量化的效果，将其应用于汽车进气系统的改装中，能够达到良好的效果，确保进气系统的稳定运行，优化汽车的性能。在发动机中，碳纤维复合材料的高温性能有别于传统的其他材料，将其应用于发动机改装中，能够提高发动机的稳定性，承受住高温，确保发动机的稳定运行。在发动机罩方面，碳纤维也得到了具体的应用。传统的钢制发动机罩盖主要由外板内板和加强件构成。而碳纤维的应用主要是取消了内板，采用了加层结构这一形式，在结构的上下两层中采用了碳纤维复合材料组成，外层中间填充强度较低的密度泡沫材料。这一结构的设计提高了发动机罩的整体抗拉性能和强度，延长了发动机的使用寿命。

2.4复合材料结构修理方法

当复合材料结构检测到损伤后第一步是进行修理评估。修理评估就是对损伤进行一个“需不需要修，值不值得修”的判断。如果损伤程度轻微，不会对结构安全造成威胁，就不需要进行修理；如果结构损伤较大，已经成为安全隐患，那么就需要进行修理。另一方面，如果进行修理的各方面耗费已经超过直接替换结构件的耗费，那么结构就不值得修理，进行新部件替换即可。在确定结构需进行修复后，第二步是根据结构修理手册选择合适的方法展开修理工作。复合材料结构的修理方法分为机械连接修理与胶接修理2种。机械连接修理一般采用紧固件与补片对损伤结构进行补强，通过螺栓或铆钉实现补片与母板结构的机械连接。胶接修理采用树脂与补片进行损伤修复，比如小范围的层合板分层损伤或蜂窝夹层结构的板芯分层损伤可以通过注入树脂固化的方式进行注胶修理，另外在重要承力结构处的损伤可以采用搭接补片（贴补法）或嵌入补片（挖补法）并胶接固化的方式修理。

结语

总而言之，在汽车领域中，轻量化是一个主要的发展方向，而碳纤维复合材料制作的零件的应用也推动了这一方向的发展。尤其是我国放宽了对于汽车改装的相关规定，使得汽车改装获得了较为广阔的发展空间，而碳纤维复合材料的应用将会越来越广泛。碳纤维复合材料的诸多优势改善了传统材料的性能，但同时由于它现在产品小，批量生产，同时也具有较高的生产成本，因此阻碍了碳纤维复合材料零件市场化的发展，并不利于碳纤维行业和汽车行业的有效联系，目前在使用中，还主要以个性化改装的个人客户为主。因此在未来发展中，我国需要做好对碳纤维产业的研究工作，突破相关技术，形成体系化规范化系统化的产业链，同时制定相应的配套扶持资金，支持企业发展，从而推动碳纤维材料在汽车行业中的广泛应用。

参考文献

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