我国轨道交通建设进入快速发展阶段，轨道交通车辆轻量化技术成为提高车辆运营速度和运载能力，提升车辆安全性、舒适性、寿命和能源利用率的重要途径。高性能纤维复合材料是以高性能纤维作为增强材料，树脂作为基体，通过加工成型得到的复合材料，具有高比模量、高比强度、抗疲劳性能优异、性能可设计、易于大面积成型等优点，是实现轨道交通装备轻量化发展的理想材料。
我国轨道交通装备市场规模巨大，高性能纤维复合材料大有可为
轨道交通装备市场规模持续增加，对轻量化复合材料需求愈加显著。轨道交通主要包括传统铁路、城际轨道和城市轨道，具有成本低、效率高、运力可控等优点。近年来，在国家政策支持下，我国轨道交通建设力度不断加大，轨道交通运营里程和路网密度不断提升。以铁路运输为例，截止到2023年底，全国铁路运营里程达15.9万公里，高铁里程达4.5万公里，均居世界首位。轨道交通行业的持续发展也为上游装备市场注入了新的活力，据中商产业研究院统计，我国轨道交通装备行业市场规模由2018年的6537亿元增长到2022年的9673亿元，年均复合增长率达10.3%。近年来，轨道交通装备设计要求趋于轻量化和绿色环保化，轨道交通车辆轻量化技术已经成为轨道交通领域的研究热点和发展关键，也是提高车辆运营速度和运载能力，以及提升车辆安全性、舒适性、寿命和能源利用率的重要途径。以我国4219组动车的规模估算（一组crh2型列车约400吨），当动车中轻量化复合材料在高铁材料中占比为30%时，将产生近60万吨的需求。因此，复合材料在轨道交通领域的规模化应用一旦实现，每年将会产生万吨级以上的市场需求。
高性能纤维复合材料具有力学、舒适、安全和可设计等方面优势，成为轨道交通轻量化的关注重点。轨道交通轻量化材料经历了从普通碳钢、耐候钢、不锈钢到镁铝合金车体的发展历程。传统的金属材料虽然拥有成熟的制备技术和完整的制造产业链，却无法满足轨道车辆对更高安全性和更低能耗的发展需求。而碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维等高性能纤维复合材料由于具有比重小、比强度高和比模量高等优点，逐渐成为轨道交通轻量化材料的关注重点。在力学性能方面，高性能纤维复合材料具有更低的密度，更高的比强度和比模量，能大幅减轻车体本身重量，降低运行能耗；在舒适性方面，高性能纤维材料的阻尼是普通金属的10~100倍，能大幅降低结构振动，增强乘客的乘坐舒适性；在安全性方面，高性能纤维复合材料受到碰撞后，通过基体损伤、纤维断裂等过程能带走大量能力，在承受相同形变甚至断裂破坏环境下，能量吸收效率要高于金属材料；在设计性方面，高性能纤维复合材料的树脂基体、纤维、织物等原材料种类丰富，通过改变材料配比、生产工艺、纤维比例及铺层工艺便可以改变复合材料的理化性能和力学性能。
高性能纤维复合材料主要应用于轨道交通车辆的主承载结构，包括车体、转向架和牵引系统。轨道交通车辆主要由主承载结构（车体和转向架）、大型设备设施（牵引系统和制动系统）和非/次承载结构（设备舱、座椅和空调系统等）组成。以动车为例，其主承载结构总质量占比超40%，大型设备基础设施质量占比超20%，次承载结构、非承载结构质量占比不超过15%。目前，非承载结构和次承载结构的轻量化技术相对成熟，针对车体、转向架等大质量大体积的主承载结构及大型关键设备设施的轻量化研究是轨道交通轻量化的研究重点。车体结构的轻量化可以提高车辆的动力性、加速性和制动性，降低牵引能耗。转向架是车辆的走行装置，用于牵引和引导车辆沿轨道行驶，承受并传递车体与轨道之间的各种载荷和动力作用，其轻量化可以提高车辆的平稳性和舒适性。牵引系统是车辆动力来源，通过轻量化设计可以提高车辆牵引力和加速度。如，2024年6月，全球首列用于商业化运营的碳纤维地铁列车在青岛发布，其车体、转向架等主承载结构采用碳纤维复合材料制造，实现了车体减重25%、转向架构件减重50%、整车减重11%，运行能耗降低7%，每年可减少二氧化碳排放量约130吨。
面临的挑战
随着技术的进步，高性能纤维复合材料在轨道交通轻量化领域的应用前景广阔。但是，高性能纤维复合材料仍面临标准体系不健全、结构设计方法不成熟、制造技术无法满足量产需求和应用成本较高等四大挑战，导致纤维复合材料尚未在轨道交通领域实现大规模商业化应用。
标准体系有待进一步完善。高性能纤维复合材料标准体系主要包括性能标准、生产工艺指标和质量检测标准等，在保障产品质量、促进技术创新和规范市场秩序等方面具有重要作用。轨道交通用纤维复合材料具有特定的选材要求，适应特定的场景需求，需要调整纤维、树脂及预浸料结构参数来获得具有特定应用场景的复合材料。而目前轨道交通用碳纤维复合材料缺乏专属标准，复合材料的规范和标准主要以航空航天行业为主，与轨道交通相关内容较少，无法满足新材料和新型号的研制需求。
缺乏成熟的结构设计方法。高性能纤维复合材料与传统金属材料相比，其最大优势是可设计性，可根据服役环境和结构特点进行优化设计，而成熟、合理的结构设计方法是纤维复合材料在轨道交通领域广泛应用的前提条件。当前，国内高性能纤维复合材料结构应用以跟踪替代为主，自主设计应用能力较弱，导致复合材料性能离散大、减重效率和成品率低、成本高。如，国外主承载结构使用t300级别碳纤维复合材料减重效率可达25%，而国内使用同样级别碳纤维材料其减重效率仅能达到20%。
制造技术无法满足量产需求。由于智能化制造滞后、关键设备尚未国产化，以及成型工艺不成熟，高性能纤维复合材料在生产前期投入成本较高，现有生产模式无法满足量产需求。据统计，国产复合材料自动化成型工艺的比例低于20%，部分纤维复合材料三维预制体还主要依靠人工和机械化、半自动化制造。高性能纤维复材的关键装备尚未国产化，以进口引进为主、仿制为辅，部分国内自主装备在精度和产能上不足，设备运行稳定性差、故障率高，制约高性能纤维产品性能与成本控制。此外，复合材料的成型工艺不成熟，高速列车内部结构复杂，难以实现整体成型，转向架等关键部位的连接强度和破坏模式仍需进一步研究。
成本较高制约应用推广。目前，复合材料生产成本仍然较高，限制了其在轨道交通领域的广泛应用。如，百川盈孚统计数据显示，2024年2季度，国内市场碳纤维均价约9.3万元/吨。如果再加上制备复材过程中需要使用的基体材料环氧树脂（0.7万~1.5万元/吨），碳纤维复合材料的成本远高于铝合金（1万~2万元/吨）和镁合金（2万元/吨）等轻量化金属材料。此外，用于轨道交通的复合材料的制备和加工工艺复杂，对生产设备和操作技术要求较高，进一步抬高了其加工成本。如，据中车四方股份有限公司估算，碳纤维车体的制作成本约是铝合金金属成本的2倍。
几点思考
高性能纤维复合材料在轨道交通领域的应用推广需要国家相关部委、铁路局、中车集团等相关部门、企业需做好角色分工，从完善标准体系、提高设计能力、降低制备成本和加快应用推广等方面发力共同推动以复合材料为基础的工程应用技术的进步。
完善复合材料标准体系。参考国外纤维增强复合材料试验和制造标准，完善国内复合材料断裂韧性、拉剪强度及疲劳等评价测试方法标准，为纤维复合材料提供稳定性、可靠性和服役寿命等评价依据。鼓励纤维复合材料研发生产企业开展对标达标活动，制定和实施严于国家标准、行业标准的企业标准，积极参与标准制定工作。整合梳理已有数据资源、制定标准数据采集和共享制度，建立材料标准数据库及工艺参数库、工艺知识库，推动纤维复合材料研发机构、生产企业和计量测试服务机构共享资源。
提升复合材料设计能力。结合轨道交通行业特点，优化复合材料前期设计，如复合材料结构形式、铺层和接头的设计优化，以实现部件轻量化和安全性。加强碳纤维复合材料专业的设计人才培养，搭建校企联合培养平台，构建以工程问题为导向的人才培养体系。注重复合材料设计软件的国产化，重点开发多功能集成的复合材料构件一体化设计制造、组织性能精确调控、柔性生产在线质量检测、多参数/多界面热力耦合等技术，实现更高层次的复合材料构件结构功能一体化设计制造。
降低复合材料制备成本。加快研发面向复合材料零部件制造的自动化、数字化、智能化的成形装备，如自动化数字化铺放设备、自动化数字化三维编制设备。建立集机械、热工、化工、自动化等多学科交叉的优势技术力量，解决大规模工业化的高性能纤维及其复合材料制造装备问题。重点突破高性能纤维大规模工业化生产成套装备技术、工业级复合材料应用成套装备技术、配套工业基础软件技术等，构建“技术—装备—应用”三位一体驱动模式。坚持关键装备国产化，扶持国产装备上线验证，在应用中不断改进。加快推广碳纤维回收利用再生技术，实现绿色转型和可持续发展。
加快高性能纤维复合材料应用推广。完善以轨道交通为最终用户的“产学研用”纤维复合材料研发应用的行业技术创新发展战略联盟，集聚专业人才和技术资源，形成研发优势。集中科研力量进行技术和质量攻关，如强化适用于轨道交通轻量化的大丝束碳纤维研发生产能力、发展低成本的碳纤维复合材料整体化成型技术等，通过技术提升带动成本下降。聚焦下游用户需求，建立以高校、科研院所研发力量为支点，各相关行业企业积极参与的轨道交通纤维复合材料设计与应用体系，扩大生产规模，提升生产能力，实现批量化配套生产。