軌道交通技術及產業蘊藏十分豐富的市場開拓機會與發展潛力 ，在其發展中 ，對材料的輕量化需求愈加顯著 。一大批輕量化材料 ，如先進複合材料等 ，為軌道交通裝備的輕量化 、減重提供了保障 。以碳纖維複合材料為主要發展趨勢的先進複合材料 ，是國民經濟與國防建設不可缺少的重要新型戰略材料 ，也是軌道交通輕量化的重要發展手段 。《中國中車科技發展“十三五”規劃》中就曾明確提出“重點突破基於碳纖維等複合材料在軌道交通領域的應用” 。

軌道交通先進複合材料應用和現狀

軌道交通車體結構對牽引能耗的影響程度最大 ，是正常減重 、輕量化的主要部件 ，其質量約占整車的15%～30% 。若動車組車輛質量減輕100kg ，則運行中可節能約100GJ牽引能量 。目前的軌道車輛車體材料包括耐候鋼或低合金鋼 、高強度鋼 、鋁合金 、不鏽鋼等 。其中 ，海洋性氣候的沿海地區和高原地區主要使用耐腐蝕的不鏽鋼 ；耐候鋼和低合金高強度鋼主要用於車體底架部件 ，牽引梁 、枕梁 、緩衝梁等 ；大多數國產車體結構端底架部位采用耐候鋼 、低合金高強度鋼（主要因為其良好的焊接性和疲勞強度） ；其餘承載部分采用SUS301L係列奧氏體不鏽鋼 。

實現車體結構質量減輕的重要方法是輕量化選材和結構設計 。與鋼 、鋁等傳統金屬材料相比 ，碳纖維複合材料為主的先進複合材料在輕量化 、節能 、電磁屏蔽 、碰撞吸能等方麵具有明顯的優勢 。例如 ，采用碳纖維複合材料製作的司機室頭罩具 ，抗衝擊性能明顯提升 ，當承受350kN的靜載荷時 ，抵擋1kg鋁彈的660 km/h的高速衝擊；高速列車車體和轉向架采用碳纖維 ，減重49% ，輕量化節能效果顯著 。

國際上碳纖維複合材料在軌道列車的應用集中於車體、轉向架 、車外設備和車內裝飾 。

案例一 ：日本新型新幹線N700係高速列車CFRP部件 ，利用碳纖維複合材料 ，設計和製造了分車體蒙皮 、絕緣子（導電弓架邊緣）和客車窗框等 。

案例二 ：日本KAWASAKI（川崎重工）采用碳纖維 ，開發了第1代鐵道車輛用列車“efwing” 。“efwing”采用為碳纖維側梁的柔性構架 ，對原本剛性的轉向架進行的革命性的改進 ，經過美國交通技術中心（TTCI）線路運行試驗 ，輪重減載率下降50% ，車體外殼總減重40% 。

案例三 ：德國SIEMENS在新開發的列車車體側部使用了碳纖維複合材料 。

針對複合材料在軌道交通上的應用 ，國內相比國外而言起步較晚 ，但發展較為迅速 。

2018年1月 ，中車長春軌道客車股份有限公司在軌道交通領域研製出具有完全自主知識產權的世界首輛全碳纖維複合材料地鐵車體（圖2） 。全碳纖維複合材料整車較同類地鐵金屬車體減重約35% ，從而對提高車體的運載能力 、降低能源消耗等具有重大意義 。

2018年9月 ，德國柏林國際軌道交通技術展上 ，中國中車發布了下一代地鐵產品取得了令人矚目的成效 ，碳纖維複合材料車體 、轉向架 、司機室 、設備艙的成功研製 ，使得整車減重15% ，軌道交通業界對碳纖維複合材料在軌道交通領域的應用充滿期待 。

2018德國柏林國際軌道交通技術展上中國中車發布的采用碳纖維車體技術的下一代地鐵

軌道交通先進複合材料研發思考

盡管全球軌道交通行業在利用先進複合材料進行輕量化研究方麵做出了很大的努力 ，但是碳纖維等先進複合材料的應用與推廣，仍然受到了很大的限製 。

從發展現狀可以看出 ，碳纖維等先進複合材料在軌道交通領域的應用和發展還存在以下問題 ：處於研製早期階段 ，技術發展較慢 ，工藝成本高 ，研製周期長 ，效率低 ；共性技術研究嚴重不足 ，未形成統一研製流程規範 ；缺乏統一的產品平台 ，資源共享不足 。目前限製先進複合材料在軌道交通車輛上應用的最突出矛盾是工藝成本高 、生產效率低 。為此 ，我們可借鑒航空航天的先進經驗 ，利用網狀結構對軌道交通車體進行設計和製造 ，實現降低工藝成本 、提高生產效率的目標 。

軌道交通先進複合材料研發方向

為推進中車軌道交通裝備的輕量化發展進程 ，中車研究院牽頭組織各相關子企業與俄羅斯中央特種機械研究所進行了技術交流和工作對接 。經過前期的技術交流 ，中俄雙方認為複合材料網格結構技術在400km高速列車 、600km磁懸浮列車車體 、司機室以及過渡車鉤等軌道交通車輛零部件領域有巨大的應用前景。以航空航天領域前期研究結果推測 ，采用網格結構的軌道交通複合材料裝備 ，可比現有案例的複合材料軌道交通裝備再減重10%，裝配量降低20% ，製造周期縮短15% ，製造成本下降15% 。

在複合材料工業中 ，網格結構複合材料是最有希望實現長期尋求的輕量化和高強度雙重目標的結構材料 。複合材料網格結構是一種主要應用於抗屈曲結構和加筋表麵結構的網格 ，主要是因為複合材料網格結構具有較大的截麵慣性矩 ，並且具有較高的柔性 。隨著近年來網格結構複合材料的迅速發展 ，其應用領域逐漸擴大 ，其潛在市場也變得十分可觀 。研究發現 ，網格結構複合材料具有良好的承載能力 ，對損傷不敏感 、易於修複 ，並且可靠性明顯提高 ，與夾層複合材料相比 ，具有更好的力學性能和多功能優勢 。不同的製備技術的出現 ，促進了網狀結構複合材料的巨大發展 ，為其各種應用奠定了堅實的基礎 。

根據應用的需要 ，在經編網格結構中使用不同的原料 ：對於一般應用 ，通常使用聚酯 、聚丙烯 、玻璃纖維 ；對於一些特殊應用 ，使用高性能材料 ，如碳纖維和芳綸纖維 ；通常使用較細的滌綸紗線作為加固物 。經編網格結構采用單一或複式緯紗雙軸經編機進行全線生產 。這種經編機的主要生產商為2家德國公司 ：卡爾·邁耶紡織機械公司和利巴紡織機械公司 。一台直線式緯紗雙軸向經編機包括襯經 、緯紗和連接襯裏 。這3個係統被引入一個環形區域 ，然後通過編織運動連接成一個圓 。將經紗和緯紗的襯裏捆綁在一起，從而形成一個雙軸向經編網 。

與夾層結構相比 ，網格結構的一個重要優點就是其可靠性高 ；網格結構對損傷不敏感 ，易於修複 ，而且多重承載也不會降低結構的承載能力 ，因此其應用廣泛 ，市場潛力可觀 。

然而 ，在網狀結構在軌道交通領域的工程化應用 ，仍需要設計和製造技術的基礎研究方麵 ，還需要對其微觀結構和各種性能進行進一步探索和優化 ，並且需要加強對複合網格結構研究成果的實際應用與理論研究的結合 。隨著網格結構在航空航天以及汽車製造等民用工業中的應用日益廣泛 ，該技術在軌道交通領域的的應用在不久的將來也會快速發展 。