一、轨道交通市场概述轨道车辆包罗高速铁路、中低速磁悬浮线、地铁、高架城轨、市域快轨、城际高速、市区单轨和磁悬浮车辆等，延续着半个世纪以来的高速化、重载化、电气化的技术进步之路，促进全球多数市圈的都会形态发生重要的演变和转型。尤其是完善的区域和都会的轨道交通系统（地铁、轻轨和城际铁路）改变了都会人口、经济等要素的漫衍和都会职住空间关系的变化。
现在，全球运营高速铁门路路里程已凌驾3万km，主要国家高铁运营里程如表1所示。表 1全球主要国家高铁运营里法式号国家运营里程/km比例/%1中国2500066.32日本27659.23法国20366.84德国15605.2小计3136187.5现在，轨道客运装备每年需求凌驾400亿欧元，未来年均增长速率约3%～4%。
其中，蓬勃国家市场需求以更新换代为主；新兴经济体及生长中国家市场需求以新购为主。预计2020年全国铁路营运里将到达14万~15万km，基本建成高速铁路网骨架，笼罩80%以上的大都会。全球50多个国家的150多座都会开通了地铁，线路凌驾1万km。
停止现在，我国共有35个都会开通都会轨道交通运营线路，运营里程已达5021.7公里。“十三五”期间，我国将完善优化超大和特大都会轨道交通网络，加速300万以上人口都会轨道交通成网，预计2020年我国凌驾50座都会开通运营都会轨道交通，都会轨道交通新增运营里程约3 000km，预计2030年全国城际轨道线路建成运营线路约2万km，我国将进入都会轨道交通快速全面生长的新时期。
简言之，轨道交通装备制造业是我国自主创新水平最高、国际创新竞争力最强、工业动员效应最显着的高端装备制造行业之一。在新的生长时期，绿色、环保、智能、可连续等理念使民众对轨道交通宁静、舒适、环保和可靠的期望不停提高，金属质料制造的传统结构车体在高原、沙漠、高温、高寒和高海拔等庞大多变的服役情况中面临诸多性能挑战。
例如，碳钢车体的易腐蚀、倒霉于轻量化、焊接变形大等问题；不锈钢车体的关闭性、局部屈曲、焊接变形等问题。因此，必须连续吸收和使用包罗质料可续在内的高新科技结果，不停提高轨道交通工程建设和运营水平，质料的多元化则是实现轨道交通性能平衡（强度、振动、噪声、隔热、辐射）的主要途径。二、轨道交通车体质料现在，轨道车辆车体结构主要包罗耐候钢（或低合金）高强度钢车体、铝合金车体和不锈钢车体。
通常，耐腐蚀性的不锈钢车体结构更适合海洋性气候的沿海地域和高原地域；车体底架主要部件（例如，牵引梁、枕梁、缓冲梁等）通常接纳耐候钢和低合金高强度钢制造（具有良好的焊接性能和疲劳强度），大多数我国生产的轨道车辆车体结构端底架部位接纳耐候钢、低合金高强度钢，其余承载部门均接纳SUS301L系列奥氏体不锈钢。近年来，轨道车辆车体选材的重要指标是轻量化和宁静性，差别质料密度和抗拉强度如表2所示。
表 2 差别质料密度和抗拉强度序号质料品种密度/(g/cm3)抗拉强度/(MPa)1钢7.8363～4412铝2.7127～1773玻璃纤维2.51370～14704碳纤维1.82790～31001、轻量化牵引能耗是轨道交通系统能耗的重要组成部门，约占总能耗的50%，主要包罗牵引系统驱动列车运行的能耗、空调照明等车载辅助设备运行的能耗、再生制动反馈回牵引电网的能耗。其中，辅助能耗主要受车载辅助设备、气温、线路敷设方式的影响；再生制动能耗主要由列车到发时刻、列车运行历程、牵引供电电压、能量吸收装置决议。车体结构质量占整车质量比例15%～30%，对牵引能耗的影响水平最大。例如，高速轨道车辆质量减轻100kg，运行历程中可节能约100GJ。
以德国ICE动车组为例，轻量化质料部门技术参数如表3所示。表 3德国ICE动车组技术参数序号车型最高速度/（km/h）最大功率/kW列车质量/t车体质料车体结构1ICE12809600849钢不锈钢2ICE22804800442钢钢型材3ICE33308000448铝铝型材4ICE3503508800425铝铝型材因此，通过轻量化选材和结构设计，可实现车体结构质量减轻，提高同等动力装置的运转性能，降低编组列车中的空车比率或缩短运转时间，直接降低运转动力用度，间接淘汰轨道维护用度。2、宁静性轨道车辆的投资用度约占其全寿命周期用度的12%~34%，运营维护用度则占其全寿命周期用度66%~88%，提高车体质料的宁静可靠性水平则可淘汰修复维修用度。现代耐候钢、低合金高强度钢结构车体为骨架蒙皮硬壳式结构（型钢框架支撑蒙皮），质料失效和失稳均易导致结构破坏。
其中，质料失效是载荷凌驾质料的强度能力；质料失稳则体现为大部门质料保持完好，结构以折叠或起皱等方式损坏。通常，结构过载失效往往以局部失稳开始，然后逐步生长到局部断裂或整体结构损坏。
高速铁路涉及大量桥梁和隧道，车辆运行情况比力庞大，容易泛起异物撞击。其中，高速打击（打击速度≥90km/h）会造成显着面板破损；低速打击往往发生目视不行察觉的损伤形态，材质内部则具有大量的损伤，潜在危害影响较大。
三、轨道交通车体质料生长趋势在轨道交通的质料领域，未来重要的复合质料主要包罗高质量低成本的铝合金质料、碳纤维等高强度复合质料、结构/功效一体化的新型夹层质料。1.铝合金质料铝合金以铝为基础元素，合金元素由主加元素（硅、铜、镁、锌、锰）和辅加元素（镍、钛、铬、铁、锂）组成，抗拉强度≥500MPa。
凭据《轨道交通焊接用铝合金线材》（GB/T32181-2015）和《轨道交通用铝及铝合金板材》（GB/T32182-2015）尺度，铝合金分为9个系列，车体结构主要接纳5000、6000和7000系列（AI-Mg-Si），主要接纳5083、6005、6008、6063、6082和7020等牌号。以内装墙板基材为例，都会轨道车辆多接纳复合铝板、铝蜂窝板和玻璃钢等。在满足结构强度和防火环保等技术指标的前提下，复合铝板具有较为显着的轻量化优势，如表4所示。表 4都会轨道车辆内装墙板主要性能对比分析序号指标复合铝板铝蜂窝板玻璃钢1结构强度优优优2防火环保优良良3隔音隔热优优良4外观造型优良优5车辆质量220kg300kg450kg现在，时速凌驾200km的高铁和磁悬浮车辆均已接纳铝合金车体结构，其他轨道车辆厢体的铝化率已凌驾40%（例如，转向架箱体）。
例如，日本新干线、德国ICE和TGV系列已普遍接纳高强度铝合金制造的传动齿轮箱；日本多孔性薄壁空心铝合金型材已应用于机车车辆的侧板、地板和天花板等结构。轨道车辆铝合金车体由底板（大挤压型材焊接）、侧墙、顶板、端墙组成，车厢内装包罗座椅、空调系统、门窗、卫生设施、照明系统、电视、行李架、隔声隔热质料等，车体和台车带有制动器和毗连器。铝合金车体多接纳大型中空挤压型材纵向焊接筒形结构，客运轨道车辆质料消耗量约2.5t质料，如表5所示。
车体、座椅架、行李架、门窗、空调系统等也可接纳铝合金制造，如表6所示。表 5客运轨道车辆的制造耗材序号型材制成件1大型材车体模块、白车、车辆、编组列车2中小型材门窗、行李架、装饰件、贮柜、推车3其他板材、箔材、管材、锻件表 6客运轨道车辆铝材类型序号型材比例/%1挤压型材742平轧型材233压铸件、铸件和锻件3合计100凭据《“十三五”国家战略性新兴工业生长计划》，我国新质料工业将增强上下游协作配套，在航空铝材等领域开展协同应用试点示范，搭建协同应用平台。2016年，科技部国家重点研发计划重点专项“重点基础质料技术提升与工业化”立项支持《高性能铝合金大规格板带材制造与应用技术》项目（2016YFB0300800），将开展轨道交通高性能铝合金挤压材，以及铝合金车体结构关键应用技术与示范的研究，解决高性能挤压材产物多种性能协同调控难题、大规格产物组织性能匀称性差、大型庞大构件在制造与使用历程中性能退化严重等关键技术问题。
2.碳纤维复合质料碳纤维复合质料（CFRP）具有密度低、无蠕变、耐超高温、耐疲劳性和耐腐蚀性等优异性能，可以满足车体设计的阻燃、隔热保温和减震等设计指标，应用规模正逐渐由次承载结构零部件向主承载结构生长。例如，碳纤维增强环氧树脂质料的比强度和比模量是现有结构质料中是最高的，主要性能如表7所示。
表 7碳纤维增强环氧树脂质料的主要性能序号性能指标数量备注1抗拉强度/MPa＞3500钢的7~9倍2抗拉弹性模量/MPa23000~43000＞钢3密度/（g/cm3）~1.6＜钢的1/4与传统的轨道车辆质料（例如，钢、铝等）相比，碳纤维复合质料在轻量化、节能、电磁屏蔽、碰撞吸能等方面具有较强的优势和较突出的特点。例如，接纳碳纤维复合质料制作的司机室头罩具有优良的抗打击性能，能蒙受350kN的静载荷，可以抵抗1kg铝弹的660km/h的高速打击；高速列车车体和转向架接纳碳纤维复合质料可实现减重49%，带来的轻量化和节能效果显著。
以车辆电气接线箱为例，轨道交通质料性能对比分析如表8所示。表 8 轨道交通质料性能对比分析序号指标单元不锈钢铝碳纤维1质量kg371712.52相对成本以不锈钢为基准11.57~83生产模具—不需要不需要需要现在，碳纤维复合质料在轨道列车的应用主要集中在车体、转向架、车外设备和车内内装领域。
例如：①日本新型新干线N700系高速列车CFRP部件包罗部门车体蒙皮、绝缘子（导电弓架边缘）和客车窗框等。②日本KAWASAKI（川崎重工）乐成开发世界首例主结构接纳碳纤维复合质料增强树脂基复合质料的第一代铁道车辆用列车“efwing”，刚性焊接转向架构架改为碳纤维侧梁的柔性构架，经由美国交通技术中心（TTCI）时速150km的4500公路的线路运行试验，轮重减载率下降50%，车体外壳总质量降低40%。③ 德国SIEMENS（西门子公司）在新开发的列车车体侧部使用了碳纤维复合质料。④ Voith故障列车牵引操作过渡车钩接纳碳纤维增强复合质料，总质量约23kg，比钢铁过渡车钩减重50%（结构紧凑），单人可举行携带安装操作。
我国中车青岛四方机车车辆股份有限公司首次在高速列车中应用CFRP大型结构件（2015年6月出厂），设备舱减重35%（相对于铝合金结构），各项指标满足时速350km运营要求，可蒙受振动、地面效应、风沙打击、高温、高湿和风雪侵蚀，已在大西线举行350km试验考核和恒久跟踪，状态良好，其主要结构件包罗：①弯梁（箱型梁结构）：设备舱主承载结构件（断面矩形），接纳CFRP预浸料交织铺覆设计和袋压成型工艺制造，样品制品率较高，相应降低制造成本。②横梁（工字梁结构）：设备舱的主承载结构件，选用T300级CFRP，接纳真空导入技术成型，主要组装方式为胶接和铆接。
凭据《“十三五”国家战略性新兴工业生长计划》，我国将增强新质料工业上下游协作配套，在碳纤维复合质料等领域开展协同应用试点示范，搭建协同应用平台。凭据工业和信息化部公布的《石化和化学工业生长计划（2016-2020年）》，我国将重点生长高强和高模碳纤维，加速开发碳纤维增强尼龙复合质料（≥200℃）等耐高温高强度工程塑料，重点突破高强碳纤维的低成本、一连稳定、规模化生产技术，加速高强中模、高强高模级碳纤维工业化突破，加速高强碳纤维稳定工业化生产等技术的工业化和推广应用。3.中空夹芯复合质料纤维增强树脂基复合质料由基体和增强质料组成，具有较显着的质料界面，宏观上出现各向异性和非均质性，特别是层剪性能远低于层内性能等。
中空夹芯复合质料是面板（高强度、高模量质料）、芯子（蜂窝、泡沫等轻质质料）和毗连胶层组成的轻质多功效结构质料，面层质料和芯层质料整体毗连成型，面压缩和打击性能优异，具有较好的隔音、隔热和耐疲劳等性能，显著弥补传统蜂窝、泡沫芯材等夹芯复合质料易分层、耐打击性能差的缺点，其优异特性如表9所示。表 9中空夹芯复合质料的优异特性序号性能指标性能特点1高性能保温、隔音、阻燃2高强度比强度、比刚度、抗打击、耐疲劳3可填充与预埋填充泡沫、埋设导线、探头4可设计纤维体系、芯体结构形式、树脂体系5易于成型平面、拐角、异形曲面该质料具有突出优势，已应用于轨道交通的车门、内装饰板和整流罩等部件。例如：① 英国Intercity125驾驶室外蒙皮整体成型和内蒙皮3件拼合，中空芯材接纳聚氨酯泡沫，司机室整体总量较传统钢结构减重30%～35%，可耐时速的300km的0.9kg钢块的打击。
②意大利高速列车ETR500接纳高比刚度复合质料夹层板（2层Tedlar聚氟乙烯塑料薄层，中间层为Nomex蜂窝芯材）制造内部结构边墙、天花板和行李舱。③瑞典斯德哥尔摩地铁列车的侧墙、地板和顶盖均为不锈钢夹聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）泡沫芯结构。
其中，侧墙总厚度淘汰120mm，增加车体内部空间。④玻璃纤维夹层复合质料内外蒙皮接纳玻纤增强不饱和聚酯树脂，芯材为阻燃低密度泡沫，经常温真空袋技术压制成型，匀称通报荷载（有利于打击荷载的扩散），多用于替代传统的玻璃钢质料，同结构减重30%。凭据工业和信息化部公布的《石化和化学工业生长计划（2016-2020年）》，我国将重点加速树脂基复合质料设计制造技术。
四、结语随着现代质料技术和生产工艺的生长，轨道车辆车体的可选质料将日益增多，应凭据详细用途和应用情况考量耐候钢、低合金高强度钢、不锈钢、铝合金和碳纤维等质料的综合性能指标，在满足轻量化、宁静性和环保性的基础上，最大限度的满足市场对轨道交通舒适性和雅观性的日益增长的需求。未来5~10年，轨道车辆车体质料的生长偏向主要包罗4个方面：①质料：以高强、超高高强度钢、铝镁合金和碳纤维等为主的复合质料。
②制造：接纳激光拼焊技术、变厚度轧制技术和型材设计。③部件：轨道车辆车体结构优化、力漫衍平衡化、增强筋设计。④结构：改变以质料强度为基本依据的设计理念，整车结构集成优化设计综合反映质料性能、加工工艺和组织结构等因素，差别质料性能对应差别构件功效要求和尺度。
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