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、市區單軌和磁懸浮車輛等，延續著半個世紀以來的高速化、重載化、電氣化的技術進步之路，促進全球大都市圈的城市形態發生重要的演變和轉型。尤其是完善的區域和城市的軌道交通系統（地鐵、輕軌和城際鐵路）改變了城市人口、經濟等要素的分布和城市職住空間關系的變化。

近10年來，全球各國都在發展高速鐵路。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，發達國家市場需求以更新換代為主；新興經濟體及發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展的新時期。

簡言之，軌道交通裝備制造業是我國自主創新程度最高、國際創新競爭力最強、產業帶動效應最明顯的高端裝備制造行業之一。在新的發展時期，綠色、環保、智能、可持續等理念使公眾對軌道交通安全、舒適、環保和可靠的期望不斷提高，金屬材料制造的傳統結構車體在高原、沙漠、高溫、高寒和高海拔等復雜多變的服役環境中面臨諸多性能挑戰。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，必須持續吸收和利用包括材料可續在內的高新科技成果，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，軌道車輛車體結構主要包括耐候鋼（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構更適合海洋性氣候的沿海地區和高原地區；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），大多數我國生產的軌道車輛車體結構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能耗的重要組成部分，約占總能耗的50%，主要包括牽引系統驅動列車運行的能耗、空調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。

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

表3德國ICE動車組技術參數

因此，通過輕量化選材和結構設計，可實現車體結構質量減輕，提高同等動力裝置的運轉性能，降低編組列車中的空車比率或縮短運轉時間，直接降低運轉動力費用，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。

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

高速鐵路涉及大量橋梁和隧道，車輛運行環境比較復雜，容易出現異物撞擊。其中，高速沖擊（沖擊速度≥90km/h）會造成明顯面板破損；低速沖擊往往產生目視不可察覺的損傷形態，材質內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展趨勢

在軌道交通的材料領域，未來重要的復合材料主要包括高質量低成本的鋁合金材料、碳纖維等高強度復合材料、結構/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《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，車體結構主要采用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。在滿足結構強度和防火環保等技術指標的前提下，復合鋁板具有較為明顯的輕量化優勢，如表4所示。

表4 城市軌道車輛內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構，其他軌道車輛廂體的鋁化率已超過40%[[i]]（例如，轉向架箱體）。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板、地板和天花板等結構。

軌道車輛鋁合金車體由底板（大擠壓型材焊接）、側墻、頂板、端墻組成，車廂內裝包括座椅、空調系統、門窗、衛生設施、照明系統、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構，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、空調系統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

根據國家相關發展規劃，我國新材料產業將加強上下游協作配套，在航空鋁材等領域開展協同應用試點示范，搭建協同應用平臺。

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

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構零部件向主承載結構發展。例如，碳纖維增強環氧樹脂材料的比強度和比模量是現有結構材料中是最高的，主要性能如表7所示。

表7 碳纖維增強環氧樹脂材料的主要性能

與傳統的軌道車輛材料（例如，鋼、鋁等）相比，碳纖維復合材料在輕量化、節能、電磁屏蔽、碰撞吸能等方面具有較強的優勢和較突出的特點。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；高速列車車體和轉向架采用碳纖維復合材料可實現減重49%，帶來的輕量化和節能效果顯著。

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、轉向架、車外設備和車內內裝領域。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）成功開發世界首例主構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”，剛性焊接轉向架構架改為碳纖維側梁的柔性構架，經過美國交通技術中心（TTCI）時速150km的4500公路的線路運行試驗，輪重減載率下降50%，車體外殼總質量降低40%。

③ 德國SIEMENS（西門子公司）在新開發的列車車體側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，總質量約23kg，比鋼鐵過渡車鉤減重50%（結構緊湊），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大型結構件（2015年6月出廠），設備艙減重35%（相對于鋁合金結構），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，狀態良好，其主要結構件包括：

①彎梁（箱型梁結構）：設備艙主承載結構件（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（工字梁結構）：設備艙的主承載結構件，選用T300級CFRP，采用真空導入技術成型，主要組裝方式為膠接和鉚接。

根據國家相關發展規劃，我國將加強新材料產業上下游協作配套，在碳纖維復合材料等領域開展協同應用試點示范，搭建協同應用平臺。

自2016年以來，根據工業和信息化部的規劃指示，我國重點發展高強和高模碳纖維，加快開發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、連續穩定、規模化生產技術，加快高強中模、高強高模級碳纖維產業化突破，加快高強碳纖維穩定工業化生產等技術的產業化和推廣應用。

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成，具有較明顯的材料界面，宏觀上呈現各向異性和非均質性，特別是層剪性能遠低于層內性能等。中空夾芯復合材料是面板（高強度、高模量材料）、芯子（蜂窩、泡沫等輕質材料）和連接膠層組成的輕質多功能結構材料，面層材料和芯層材料整體連接成型，面壓縮和沖擊性能優異，具有較好的隔音、隔熱和耐疲勞等性能，顯著彌補傳統蜂窩、泡沫芯材等夾芯復合材料易分層、耐沖擊性能差的缺點，其優異特性如表9所示。 

表9 中空夾芯復合材料的優異特性

方面具有突出優勢，已應用于軌道交通的車門、內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鋼結構減重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）制造內部結構邊墻、天花板和行李艙。

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

④玻璃纖維夾層復合材料內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，經常溫真空袋技術壓制成型，均勻傳遞荷載（有利于沖擊荷載的擴散），多用于替代傳統的玻璃鋼材料，同結構減重30%。

自2016年以來，根據工業和信息化部規劃指示，我國重點加快樹脂基復合材料設計制造技術。

四、結語

隨著現代材料技術和生產工藝的發展，軌道車輛車體的可選材料將日益增多，應根據具體用途和應用環境考量耐候鋼、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、變厚度軋制技術和型材設計。

③部件：軌道車輛車體結構優化、力分布均衡化、加強筋設計。

④結構：改變以材料強度為基本依據的設計理念，整車結構集成優化設計綜合反映材料性能、加工工藝和組織結構等因素，不同材料性能對應不同構件功能要求和標準