一、軌道交通市場概述

軌道車輛包括高速鐵路、中低速磁懸浮線、地鐵、高架城軌、市域快軌、城際高速、市區(qū)單軌和磁懸浮車輛等，延續(xù)著半個世紀以來的高速化、重載化、電氣化的技術(shù)進步之路，促進全球大都市圈的城市形態(tài)發(fā)生重要的演變和轉(zhuǎn)型。尤其是完善的區(qū)域和城市的軌道交通系統(tǒng)（地鐵、輕軌和城際鐵路）改變了城市人口、經(jīng)濟等要素的分布和城市職住空間關(guān)系的變化。

近10年來，全球各國都在發(fā)展高速鐵路。截止到2019年1月，各國高鐵里程排名如表1所示。

表12018年各國高鐵里程排名

目前，軌道客運裝備每年需求超過400億歐元，其中，發(fā)達國家市場需求以更新?lián)Q代為主；新興經(jīng)濟體及發(fā)展中國家市場需求以新購為主。截至2019年年末，全國鐵路營業(yè)里程達到13.9萬公里，全國公路總里程達到501.25萬公里，基本建成高速鐵路網(wǎng)骨架，覆蓋80%以上的大城市。

全球50多個國家的近200座城市開通了地鐵，線路超過1萬km。截至2019年底，我國共有37個城市開通城市軌道交通運營線路，在建的有4個。預計2030年全國城際軌道線路建成運營線路約2萬km，我國將進入城市軌道交通快速全面發(fā)展的新時期。

簡言之，軌道交通裝備制造業(yè)是我國自主創(chuàng)新程度最高、國際創(chuàng)新競爭力最強、產(chǎn)業(yè)帶動效應最明顯的高端裝備制造行業(yè)之一。在新的發(fā)展時期，綠色、環(huán)保、智能、可持續(xù)等理念使公眾對軌道交通安全、舒適、環(huán)保和可靠的期望不斷提高，金屬材料制造的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)車體在高原、沙漠、高溫、高寒和高海拔等復雜多變的服役環(huán)境中面臨諸多性能挑戰(zhàn)。例如，碳鋼車體的易腐蝕、不利于輕量化、焊接變形大等問題；不銹鋼車體的封閉性、局部屈曲、焊接變形等問題。

因此，必須持續(xù)吸收和利用包括材料可續(xù)在內(nèi)的高新科技成果，不斷提高軌道交通工程建設和運營水平，材料的多元化則是實現(xiàn)軌道交通性能平衡（強度、振動、噪聲、隔熱、輻射）的主要途徑。

二、軌道交通車體材料

目前，軌道車輛車體結(jié)構(gòu)主要包括耐候鋼（或低合金）高強度鋼車體、鋁合金車體和不銹鋼車體。通常，耐腐蝕性的不銹鋼車體結(jié)構(gòu)更適合海洋性氣候的沿海地區(qū)和高原地區(qū)；車體底架主要部件（例如，牽引梁、枕梁、緩沖梁等）通常采用耐候鋼和低合金高強度鋼制造（具有良好的焊接性能和疲勞強度），大多數(shù)我國生產(chǎn)的軌道車輛車體結(jié)構(gòu)端底架部位采用耐候鋼、低合金高強度鋼，其余承載部分均采用SUS301L系列奧氏體不銹鋼。

近年來，軌道車輛車體選材的重要指標是輕量化和安全性，不同材料密度和抗拉強度如表2所示。

表2不同材料密度和抗拉強度

1.輕量化

牽引能耗是軌道交通系統(tǒng)能耗的重要組成部分，約占總能耗的50%，主要包括牽引系統(tǒng)驅(qū)動列車運行的能耗、空調(diào)照明等車載輔助設備運行的能耗、再生制動反饋回牽引電網(wǎng)的能耗。其中，輔助能耗主要受車載輔助設備、氣溫、線路敷設方式的影響[[ii]]；再生制動能耗主要由列車到發(fā)時刻、列車運行過程、牽引供電電壓、能量吸收裝置決定。

車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量占整車質(zhì)量比例15%～30%，對牽引能耗的影響程度最大。例如，高速軌道車輛質(zhì)量減輕100kg，運行過程中可節(jié)能約100GJ。以德國ICE動車組為例，輕量化材料部分技術(shù)參數(shù)如表3所示。 

表3德國ICE動車組技術(shù)參數(shù)

因此，通過輕量化選材和結(jié)構(gòu)設計，可實現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕，提高同等動力裝置的運轉(zhuǎn)性能，降低編組列車中的空車比率或縮短運轉(zhuǎn)時間，直接降低運轉(zhuǎn)動力費用，間接減少軌道維護費用。

2.安全性

軌道車輛的投資費用約占其全壽命周期費用的12%~34%，運營維護費用則占其全壽命周期費用66%~88%，提高車體材料的安全可靠性水平則可減少修復維修費用。

現(xiàn)代耐候鋼、低合金高強度鋼結(jié)構(gòu)車體為骨架蒙皮硬殼式結(jié)構(gòu)（型鋼框架支撐蒙皮），材料失效和失穩(wěn)均易導致結(jié)構(gòu)毀壞。其中，材料失效是載荷超過材料的強度能力；材料失穩(wěn)則表現(xiàn)為大部分材料保持完好，結(jié)構(gòu)以折疊或起皺等方式損壞。通常，結(jié)構(gòu)過載失效往往以局部失穩(wěn)開始，然后逐步發(fā)展到局部斷裂或整體結(jié)構(gòu)損壞。

高速鐵路涉及大量橋梁和隧道，車輛運行環(huán)境比較復雜，容易出現(xiàn)異物撞擊。其中，高速沖擊（沖擊速度≥90km/h）會造成明顯面板破損；低速沖擊往往產(chǎn)生目視不可察覺的損傷形態(tài)，材質(zhì)內(nèi)部則具有大量的損傷，潛在危害影響較大。

三、軌道交通車體材料發(fā)展趨勢

在軌道交通的材料領(lǐng)域，未來重要的復合材料主要包括高質(zhì)量低成本的鋁合金材料、碳纖維等高強度復合材料、結(jié)構(gòu)/功能一體化的新型夾層材料。

1.鋁合金材料

鋁合金以鋁為基礎元素，合金元素由主加元素（硅、銅、鎂、鋅、錳）和輔加元素（鎳、鈦、鉻、鐵、鋰）組成，抗拉強度≥500MPa。根據(jù)《軌道交通焊接用鋁合金線材》（GB/T32181-2015）和《軌道交通用鋁及鋁合金板材》（GB/T32182-2015）標準，鋁合金分為9個系列，車體結(jié)構(gòu)主要采用5000、6000和7000系列（AI-Mg-Si），主要采用5083、6005、6008、6063、6082和7020等牌號。

以內(nèi)裝墻板基材為例，城市軌道車輛多采用復合鋁板、鋁蜂窩板和玻璃鋼等。在滿足結(jié)構(gòu)強度和防火環(huán)保等技術(shù)指標的前提下，復合鋁板具有較為明顯的輕量化優(yōu)勢，如表4所示。

表4 城市軌道車輛內(nèi)裝墻板主要性能對比分析

目前，時速超過200km的高鐵和磁懸浮車輛均已采用鋁合金車體結(jié)構(gòu)，其他軌道車輛廂體的鋁化率已超過40%[[i]]（例如，轉(zhuǎn)向架箱體）。例如，日本新干線、德國ICE和TGV系列已普遍采用高強度鋁合金制造的傳動齒輪箱；日本多孔性薄壁空心鋁合金型材已應用于機車車輛的側(cè)板、地板和天花板等結(jié)構(gòu)。

軌道車輛鋁合金車體由底板（大擠壓型材焊接）、側(cè)墻、頂板、端墻組成，車廂內(nèi)裝包括座椅、空調(diào)系統(tǒng)、門窗、衛(wèi)生設施、照明系統(tǒng)、電視、行李架、隔聲隔熱材料等，車體和臺車帶有制動器和連接器。

鋁合金車體多采用大型中空擠壓型材縱向焊接筒形結(jié)構(gòu)，客運軌道車輛材料消耗量約2.5t材料，如表5所示。車體、座椅架、行李架、門窗、空調(diào)系統(tǒng)等也可采用鋁合金制造，如表6所示。

表5 客運軌道車輛的制造耗材

表6 客運軌道車輛鋁材類型

根據(jù)國家相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，我國新材料產(chǎn)業(yè)將加強上下游協(xié)作配套，在航空鋁材等領(lǐng)域開展協(xié)同應用試點示范，搭建協(xié)同應用平臺。

2016年，科技部國家重點研發(fā)計劃重點專項“重點基礎材料技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化”立項支持《高性能鋁合金大規(guī)格板帶材制造與應用技術(shù)》項目（2016YFB0300800），將開展軌道交通高性能鋁合金擠壓材，以及鋁合金車體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵應用技術(shù)與示范的研究，解決高性能擠壓材產(chǎn)品多種性能協(xié)同調(diào)控困難、大規(guī)格產(chǎn)品組織性能均勻性差、大型復雜構(gòu)件在制造與使用過程中性能退化嚴重等關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.碳纖維復合材料

碳纖維復合材料（CFRP）具有密度低、無蠕變、耐超高溫、耐疲勞性和耐腐蝕性等優(yōu)異性能，可以滿足車體設計的阻燃、隔熱保溫和減震等設計指標，應用范圍正逐漸由次承載結(jié)構(gòu)零部件向主承載結(jié)構(gòu)發(fā)展。例如，碳纖維增強環(huán)氧樹脂材料的比強度和比模量是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的，主要性能如表7所示。

表7 碳纖維增強環(huán)氧樹脂材料的主要性能

與傳統(tǒng)的軌道車輛材料（例如，鋼、鋁等）相比，碳纖維復合材料在輕量化、節(jié)能、電磁屏蔽、碰撞吸能等方面具有較強的優(yōu)勢和較突出的特點。例如，采用碳纖維復合材料制作的司機室頭罩具有優(yōu)良的抗沖擊性能，能承受350kN的靜載荷，可以抵擋1kg鋁彈的660km/h的高速沖擊；高速列車車體和轉(zhuǎn)向架采用碳纖維復合材料可實現(xiàn)減重49%，帶來的輕量化和節(jié)能效果顯著。

以車輛電氣接線箱為例，軌道交通材料性能對比分析如表8所示。

表8 軌道交通材料性能對比分析

目前，碳纖維復合材料在軌道列車的應用主要集中在車體、轉(zhuǎn)向架、車外設備和車內(nèi)內(nèi)裝領(lǐng)域。例如：

①日本新型新干線N700系高速列車CFRP部件包括部分車體蒙皮、絕緣子（導電弓架邊緣）和客車窗框等。

②日本KAWASAKI（川崎重工）成功開發(fā)世界首例主構(gòu)造采用碳纖維復合材料增強樹脂基復合材料的第一代鐵道車輛用列車“efwing”，剛性焊接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架改為碳纖維側(cè)梁的柔性構(gòu)架，經(jīng)過美國交通技術(shù)中心（TTCI）時速150km的4500公路的線路運行試驗，輪重減載率下降50%，車體外殼總質(zhì)量降低40%。

③ 德國SIEMENS（西門子公司）在新開發(fā)的列車車體側(cè)部使用了碳纖維復合材料。

④ Voith故障列車牽引操作過渡車鉤采用碳纖維增強復合材料，總質(zhì)量約23kg，比鋼鐵過渡車鉤減重50%（結(jié)構(gòu)緊湊），單人可進行攜帶安裝操作。

我國中車青島四方機車車輛股份有限公司首次在高速列車中應用CFRP大型結(jié)構(gòu)件（2015年6月出廠），設備艙減重35%（相對于鋁合金結(jié)構(gòu)），各項指標滿足時速350km運營要求，可承受振動、地面效應、風沙沖擊、高溫、高濕和風雪侵蝕，已在大西線進行350km試驗考核和長期跟蹤，狀態(tài)良好，其主要結(jié)構(gòu)件包括：

①彎梁（箱型梁結(jié)構(gòu)）：設備艙主承載結(jié)構(gòu)件（斷面矩形），采用CFRP預浸料交叉鋪覆設計和袋壓成型工藝制造，樣品成品率較高，相應降低制造成本。

②橫梁（工字梁結(jié)構(gòu)）：設備艙的主承載結(jié)構(gòu)件，選用T300級CFRP，采用真空導入技術(shù)成型，主要組裝方式為膠接和鉚接。

根據(jù)國家相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，我國將加強新材料產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)作配套，在碳纖維復合材料等領(lǐng)域開展協(xié)同應用試點示范，搭建協(xié)同應用平臺。

自2016年以來，根據(jù)工業(yè)和信息化部的規(guī)劃指示，我國重點發(fā)展高強和高模碳纖維，加快開發(fā)碳纖維增強尼龍復合材料（≥200℃）等耐高溫高強度工程塑料，重點突破高強碳纖維的低成本、連續(xù)穩(wěn)定、規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)，加快高強中模、高強高模級碳纖維產(chǎn)業(yè)化突破，加快高強碳纖維穩(wěn)定工業(yè)化生產(chǎn)等技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和推廣應用。

3.中空夾芯復合材料

纖維增強樹脂基復合材料由基體和增強材料構(gòu)成，具有較明顯的材料界面，宏觀上呈現(xiàn)各向異性和非均質(zhì)性，特別是層剪性能遠低于層內(nèi)性能等。中空夾芯復合材料是面板（高強度、高模量材料）、芯子（蜂窩、泡沫等輕質(zhì)材料）和連接膠層組成的輕質(zhì)多功能結(jié)構(gòu)材料，面層材料和芯層材料整體連接成型，面壓縮和沖擊性能優(yōu)異，具有較好的隔音、隔熱和耐疲勞等性能，顯著彌補傳統(tǒng)蜂窩、泡沫芯材等夾芯復合材料易分層、耐沖擊性能差的缺點，其優(yōu)異特性如表9所示。 

表9 中空夾芯復合材料的優(yōu)異特性

方面具有突出優(yōu)勢，已應用于軌道交通的車門、內(nèi)裝飾板和整流罩等部件。例如：

① 英國Intercity125駕駛室外蒙皮整體成型和內(nèi)蒙皮3件拼合，中空芯材采用聚氨酯泡沫，司機室整體總量較傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)減重30%～35%，可耐時速的300km的0.9kg鋼塊的沖擊。

②意大利高速列車ETR500采用高比剛度復合材料夾層板（2層Tedlar聚氟乙烯塑料薄層，中間層為Nomex蜂窩芯材）制造內(nèi)部結(jié)構(gòu)邊墻、天花板和行李艙。

③瑞典斯德哥爾摩地鐵列車的側(cè)墻、地板和頂蓋均為不銹鋼夾聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）泡沫芯結(jié)構(gòu)。其中，側(cè)墻總厚度減少120mm，增加車體內(nèi)部空間。

④玻璃纖維夾層復合材料內(nèi)外蒙皮采用玻纖增強不飽和聚酯樹脂，芯材為阻燃低密度泡沫，經(jīng)常溫真空袋技術(shù)壓制成型，均勻傳遞荷載（有利于沖擊荷載的擴散），多用于替代傳統(tǒng)的玻璃鋼材料，同結(jié)構(gòu)減重30%。

自2016年以來，根據(jù)工業(yè)和信息化部規(guī)劃指示，我國重點加快樹脂基復合材料設計制造技術(shù)。

四、結(jié)語

隨著現(xiàn)代材料技術(shù)和生產(chǎn)工藝的發(fā)展，軌道車輛車體的可選材料將日益增多，應根據(jù)具體用途和應用環(huán)境考量耐候鋼、低合金高強度鋼、不銹鋼、鋁合金和碳纖維等材料的綜合性能指標，在滿足輕量化、安全性和環(huán)保性的基礎上，最大限度的滿足市場對軌道交通舒適性和美觀性的日益增長的需求。

未來5~10年，軌道車輛車體材料的發(fā)展方向主要包括4個方面：

①材料：以高強、超高高強度鋼、鋁鎂合金和碳纖維等為主的復合材料。

②制造：采用激光拼焊技術(shù)、變厚度軋制技術(shù)和型材設計。

③部件：軌道車輛車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、力分布均衡化、加強筋設計。

④結(jié)構(gòu)：改變以材料強度為基本依據(jù)的設計理念，整車結(jié)構(gòu)集成優(yōu)化設計綜合反映材料性能、加工工藝和組織結(jié)構(gòu)等因素，不同材料性能對應不同構(gòu)件功能要求和標準