隨著軌道交通速度的持續提高，車輛能耗問題日益凸顯。為有效降低能耗，輕量化設計已成為軌道交通領域的重要策略和趨勢。軌道車輛運營商對新車型的要求也愈發嚴格，不僅追求更低的能耗、更快的速度、更高的運載能力、更強的防護性能和更長的使用壽命，還強調維護的便捷性。與此同時，乘客的期望集中在舒適的乘車環境、愉悅的乘坐體驗以及車輛生產過程的環保性。展望未來，軌道交通裝備的發展將聚焦于輕量化、綠色環保、安全可靠和高效運行。碳纖維復合材料因其優異的強度重量比、耐腐蝕性和抗疲勞性，成為軌道交通行業的理想選擇。

盡管國內已有碳纖維復合材料車體部件的設計與制備研究，但這些研究往往受限于傳統金屬車體結構的設計和制造理念，未能充分展現碳纖維復合材料的獨特優勢，尤其是在大型復雜承載結構件的批量生產應用方面仍有待突破。

碳纖維復合材料在軌道交通領域的應用正逐步擴大，主要應用于高速鐵路、地鐵和輕軌等系統。行業研究表明，碳纖維復合材料能夠使列車減重約30%-40%，從而提高能效和運營效率。此外，碳纖維復合材料的應用已從最初的非承載結構，如內飾、裙板、導流罩等零部件，發展到如今的主承載結構，包括頂蓋、設備艙、車體等重要部分。

2023年，中國軌道交通市場對碳纖維復合材料的需求規模約為10億美元，主要受益于高鐵網絡的快速擴展和城市軌道交通建設的增加。根據中華人民共和國交通運輸部的統計，2023年，中國鐵路營業總里程159,000公里，其中高鐵里程已達到45,000公里，全球占比超過60%。全年完成交通固定資產投資39142億元，鐵路固定資產投資7645億元，比上年增長7.5%。投產新線3637公里，其中高鐵2776公里。在2023年，中國軌道交通市場對碳纖維復合材料的需求達到了約10億美元，這一增長主要得益于高鐵網絡的迅猛擴張和城市軌道交通建設的持續增加。根據中華人民共和國交通運輸部的數據，截至2023年，中國鐵路營業總里程達到159,000公里，其中高鐵里程占據了45,000公里，全球占比超過60%。同年，中國交通固定資產投資達到39142億元，其中鐵路固定資產投資為7645億元，同比增長7.5%。新投產線路達3637公里，其中高鐵線路為2776公里。隨著國內新線路的不斷投資建設，市場對輕量化、高強度材料的需求將持續增長，碳纖維復合材料的市場潛力由此可見一斑。

（來源：中華人民共和國交通運輸部）

主要成型工藝

當前軌道交通領域的碳纖維復合材料制造技術主要遵循了傳統的成型方法，包括使用熱壓罐、手工鋪設、拉擠、纏繞等技術。

• 熱壓罐技術：熱壓罐工藝是一種成熟的方法，廣泛應用于航空航天領域。它通過在封閉的罐體內施加壓力和溫度，使樹脂固化和復合材料成型。這種方法的優點在于能夠生產出結構復雜、性能穩定的復合材料部件，但其設備成本高，能耗大，生產周期較長。

• 拉擠技術：拉擠成型技術是一種連續生產復合材料型材的方法，特別適用于生產具有恒定橫截面的長纖維增強復合材料。這種技術的優勢在于纖維含量、原材料使用效率以及生產效率都較高。相較于手工鋪設，拉擠技術對環境的影響較小。但拉擠工藝生產的型材通常截面形狀較為簡單，對于復雜形狀的型材生產有一定的限制。

• 纏繞工藝：纏繞工藝是一種連續的纖維放置技術，其中連續的纖維（如碳纖維）沿著一個或多個軸線以特定的角度和層數纏繞在一個模具或芯軸上，然后通過樹脂浸漬和固化來形成復合材料結構。其自動化程度高、結構設計靈活性、材料利用率高。主要用于制造軌道交通領域中的管道、壓力容器、罐體、傳動軸等具有圓形或類似幾何形狀的部件。

• 真空壓袋工藝：真空壓袋工藝是一種復合材料固化技術，通過在預浸漬的纖維層上覆蓋一層柔性薄膜，并抽取薄膜下的空氣形成真空，然后在一定溫度和壓力下固化樹脂。該工藝有均勻的壓力分布和低孔隙率。相較于熱壓罐工藝，其設備要求簡單，成本較低。適用于制造平面或簡單曲面結構的復合材料部件，如車廂地板、頂板、側墻等。

• 手工鋪設：手工鋪設是一種傳統的復合材料制造方法，適用于小批量或定制化生產。但由于其勞動強度大、生產效率低、質量難以控制等問題，不適合大規模生產。此外，手工鋪設過程中使用的粘合劑和樹脂可能對環境造成污染。

• OOA（Out-of-Autoclave）方法：OOA技術是為了克服傳統熱壓罐工藝的局限性而開發的。它不需要使用大型熱壓罐，可以在較低的溫度和壓力下固化樹脂，從而降低成本和提高生產效率。然而，OOA在制造高纖維含量的零件時，可能會遇到樹脂固化不完全、纖維分布不均等問題，限制了其在某些高性能要求場合的應用。

在軌道交通領域，這幾種工藝可以相互補充，纏繞工藝適用于制造復雜形狀的結構件，而真空壓袋工藝則適合生產大面積的平面或曲面部件。熱壓罐工藝則因其能夠提供均勻的壓力和溫度，適用于生產精度要求高、結構復雜的復合材料部件，確保了材料的高性能和可靠性。拉擠工藝則因其高效的生產能力和成本效益，適合大規模生產標準化、形狀規則的型材和管材。通過多種工藝的結合，可以充分發揮它們的優勢，制造出既輕量化又具有高性能的碳纖維復合材料部件，滿足軌道交通車輛對高性能復合材料的需求。隨著技術的不斷進步，這些工藝也在不斷完善，推動軌道交通領域向更高效、更環保的方向發展。

應用案例

• 2024年6月，中車四方攜手青島地鐵共同打造的全球首款商業運營碳纖維地鐵——"CETROVO 1.0 碳星快軌" 在青島亮相。這款新型列車相比常規地鐵減輕了11%的重量，確保了在30年的使用周期中不會出現疲勞和腐蝕等問題，大幅減少了維護需求，并顯著降低了整個生命周期的成本。

• 2024年9月，中車齊車、國家能源集團鐵路裝備公司及北京低碳清潔能源研究院共同研發的全球首批碳纖維復合材料輕量化重載鐵路貨車正式投產，這一里程碑事件顯示我國在重載鐵路裝備新材料制造及研發方面實現了重要進展，對于推動我國重載鐵路運輸向綠色低碳方向發展，具有深遠的影響力和示范效應。

這款貨車是首次將新型材料用于重載鐵路貨車主體承載結構的制造。該復合材料的比強 度和比模量分別是傳統鋁合金的3至5倍和1.5至1.8倍，極大地滿足了重載貨車輕量 化及大型結構件的生產需求，展現了更輕、更節能、更高強度、更強環境適應性的技術 特點。采用這種新型高性能材料的鐵路貨車車體，其自重比同類鋁合金車體減輕了超過 20%，自重系數僅為0.22，達到了國內同軸重鐵路貨車的頂尖水平，實現了車輛自重 的減輕、載重能力的提升和容積的增大，這對提高鐵路運輸效率具有極其重要的意義。

碳纖維復合材料在軌道交通中的應用主要集中在車輛生產、精密制造等方面，特別是在高速列車的車體、動力學前端、制動裝置等關鍵部件上的應用。例如，碳纖維復合材料制造的軌道列車動力學前端能夠承受很大的正負壓，滿足列車運行中對強度和剛度的要求。此外，碳纖維復合材料的車體不僅減輕了重量，還提高了乘車的舒適度和絕熱防火性能。

在經濟效益方面，碳纖維復合材料的應用有助于提高軌道交通工具的性能，降低能耗，減少維護成本，從而具有顯著的經濟效益。然而，我國碳纖維產業的產能利用率仍有很大的提升空間。根據中車青島四方的數據統計，目前我國碳纖維理論產能已超過30000噸，運行產能約26500噸，但實際產量僅約12000噸，產能利用率不到50%。此外，碳纖維復合材料在軌道交通領域的應用還面臨一些挑戰，如關鍵輔料和裝備設施的供給問題，以及碳纖維復合材料設計—評價—驗證能力不足等。為了推動碳纖維復合材料在軌道交通領域的廣泛應用，需要進一步加大科研力度，提升技術水平，加強產業鏈上下游的協同，以及完善相關的標準體系和應用數據庫。