纖維增強聚合物 (FRP) 復合材料及結構在各行各業的應用正在顯著擴展，以滿足對高效、可靠和功能性建筑材料日益增長的需求。由于 FRP 具有較高的強度重量比、可定制的機械性能以及合適的長期使用特性，使用 FRP 可以成為增強鐵路結構和設備性能的絕佳策略。然而，與航空航天等其他運輸行業相比，鐵路行業似乎在采用復合材料方面猶豫不決。FRP 在鐵路應用中充分發揮其潛力似乎還有很長的路要走。

1簡介

復合材料具有比傳統材料高強重比、優異的耐腐蝕性和更優異的疲勞性能，能夠加速地面交通的發展。考慮到對安全、快速和高效的交通系統日益增長的需求，利用 FRP 復合結構可被視為改善軌道交通和滿足這種日益增長的需求的有效解決方案。圖1展示了 FRP 復合材料在鐵路行業的應用。復合結構既可用于鐵路車輛，也可用于基礎設施。表1列出了在鐵路領域使用 FRP 復合材料的諸多潛在優勢以及此類 FRP 金屬替代品仍面臨的障礙 。由于制造工藝和材料的潛在進步，以及玻璃鋼克服上述障礙的潛在優勢，可以預期玻璃鋼在鐵路行業的應用將大幅增加。

圖 1.FRP復合材料在鐵路工業中的應用

表 1. 在鐵路行業使用 FRP 復合材料的潛在優勢和障礙

2 纖維增強塑料在鐵路車輛上的應用

鐵路行業將纖維增強復合材料（FRP）應用于包括轉向架、輪對和車體等主要部件。這些部件的總重量和生命周期特性對鐵路運輸系統的經濟和技術效率影響巨大。

2.1 纖維增強復合材料在車輛轉向架上的應用

轉向架是一種多部件結構，在鐵路運輸系統中用于多種用途。轉向架支撐列車的重量并將其與軌道連接。此外，轉向架提供懸掛系統以提高乘坐舒適度，控制輪對定位并調節車輛轉向。根據用途不同，開發了各種類型的轉向架，用于貨車，客運列車或地鐵車輛。轉向架占車輛總重量的很大一部分（根據車輛類型和轉向架等級為 30%–40%）。因此，轉向架越輕，鐵路系統的運輸效率就越高。圖2顯示了傳統類型的貨運轉向架及其部件的模型。

圖2貨運列車的 (A) 車廂和 (B) 轉向架模型

先進的復合材料和結構不僅減輕轉向架的總重量，而且還可以利用它們的高阻尼特性來降低系統噪音并提高乘客的舒適度。從 1983 年到現在，人們一直在努力利用 FRP 復合材料和結構為鐵路行業提供更高效、功能更多、更具成本效益的轉向架。通過使用 FRP，可以根據復雜的負載情況定制轉向架的機械性能。圖3顯示了三種先前開發的 FRP 轉向架模型。通過在轉向架設計和制造中利用 FRP 復合材料，可以減輕 25% 至 60% 的轉向架重量。

圖3基于 FRP 的轉向架：

（A）AEG/MBB 轉向架（1988）

（B）KRRI 轉向架（2010）

（C）Eurobogie（2012）

2.1.1 梅塞施密特-博爾科-布洛姆 (MBB) 玻璃鋼轉向架

FRP 復合材料轉向架構架首次由MBB于20 世紀 80 年代設計和制造。項目參與者包括德國聯邦鐵路和德國鐵路。他們采用了循序漸進的方法來降低開發轉向架承重部件新材料所帶來的風險。與類似的鋼制轉向架（用于 ICE V 列車）相比，據稱總轉向架重量顯著減輕了25%。這樣的重量減輕可以降低功率需求、能耗、磨損和噪音排放。他們在復合轉向架設計中考慮了靜態和動態參數，包括結構穩定性、導向行為、乘坐舒適度和抗脫軌性。制造的基于 FRP 的轉向架構架如上圖所示。

2.1.2 GFRP夾層轉向架構架FRP轉向架

自 2010 年以來，在韓國鐵道研究院 (KRRI)的支持下，對 GFRP 夾層轉向架構架進行了大量研究。復合材料側梁由四個元素組成，包括復合材料蒙皮、弦桿、肋骨和泡沫芯。在 2011 年，他們使用玻璃纖維增強聚合物 (GFRP) 復合材料為地鐵列車制造了整個復合材料轉向架，并通過靜態和疲勞試驗評估了其結構安全性。全轉向架組件中的復合材料轉向架構架如圖3B所示。

2.1.3 EUROBOGIE（生態轉向架）

此種獨特的復合材料轉向架由兩個 GFRP 構架和兩個復合材料軸枕組成（圖3C）。作為 EUROBOGIE 項目（2012 年）的一部分。開發此種轉向架設計的主要思路是利用復合材料構架的可變剛度將一系和二系懸掛集成到轉向架中。

2.1.4 efWING玻璃鋼轉向架

2016年，日本川崎重工推出了新一代基于CFRP的復合材料轉向架。該轉向架設計是第一個采用CFRP彈簧梁的復合材料轉向架。efWING復合材料轉向架的設計將一系懸掛和承載系統組合成一個使用CFRP板簧的集成復合材料轉向架系統。與傳統的金屬轉向架相比，這種轉向架的框架重量減輕了40%，并且完全滿足運行安全要求，包括降低脫軌系數、降低車輪負載率和橫向受力。

2.1.5 CaFiBo碳纖維轉向架

哈德斯菲爾德大學鐵道研究所 (IRR) 于2020推出了一種新型碳纖維基 FRP 轉向架，即碳纖維轉向架項目 (CaFiBo)。從復合材料工業廢料中獲得的再生碳纖維與原始碳纖維一起用于制造 CaFiBo 轉向架，用來降低總成本。嵌入式光纖系統可以實時監測復合轉向架的情況。據報道，與同類型的傳統金屬轉向架 (180 級轉向架) 相比，復合轉向架的重量減輕了 36%。此外，通過用復合材料替換金屬固定裝置，還可以進一步減輕重量，最高可達 60%。

2.1.6 增強塑料轉向架在鐵路行業的現狀概述

與傳統金屬轉向架相比，使用增強塑料轉向架的主要優勢在于其重量顯著減輕。這種輕型轉向架在運營、基礎設施和環境領域也具有一些潛在優勢。這些優勢源于車架結構重量變得更輕或靈活性提升。FRP轉向架的潛在優勢如下：

• 轉向架重量顯著減輕：采用FRP部件代替金屬構架，轉向架框架重量可減輕25% 至50%。

• 通過拆除懸掛彈簧，減少機械部件的復雜性，如 Eurobogie和efWinng。

• 具有改善行駛動態行為（例如增強轉向性能）的潛力。

• 由于轉向更好，損壞更少，從而有可能降低基礎設施維護成本。

• 由于轉向更好，有可能減少噪音排放。

• 由于減輕重量和增強轉向，有可能降低鐵路車輛的燃料消耗。

2.2 玻璃鋼在輪對上的應用

輪對占車輛重量的很大一部分，但與車輛其他部件相比，關于將 FRP 結構用于輕量化的研究項目非常有限。德國機床與產品工程研究所 (IWF) 對 CFRP 車輪進行了調查，報告稱在保持正常力學性能的同時，可減輕 50% 以上的重量。在另一項研究中，英國鐵路公司使用纖維纏繞和樹脂注射技術制造的 CFRP 軸管，與鋼結構相比，制造的 FRP 復合材料管可減輕 70% 的重量。現有 FRP 管的主要缺點是抗沖擊性差，但其對靜態和疲勞載荷的力學性能令人滿意。

最近，在瑞士聯邦環境局 FOEN (BAFU) 的資助下，Carbo-Link AG、PROSE AG（瑞士）和瑞士聯邦材料科學與技術實驗室 (Empa) 合作，在瑞士開展了一項關于 FRP 輪對在鐵路車輛中應用的可行性研究。采用有限元法分析了輪對的靜態、振動和聲學行為。研究重點是與傳統鋼制輪對相比 FRP 輪對的噪音（和重量）降低情況。結果表明，使用 FRP 輪對可使輪對層面的噪音顯著降低 23 dB (A)，而考慮到輪對和軌道的噪音，整體噪音降低約 3 dB (A)。

2.3 在車身上的應用

車體結構占軌道車輛總重量的20%~30%，是采用FRP結構和輕量化的優先部件。車蓋前端、車門和座椅外殼是FRP在軌道車輛車體上的首次應用。表2總結了先前發表的關于在車體結構中使用FRP的研究成果。

表2. FRP復合材料車身及其性能

2.3.1 Schindler Wagon和Hardcore-Dupont車身

瑞士迅達客車公司（Schindler Wagon）于1995年推出了基于玻璃纖維增強塑料（GFRP）和碳纖維增強塑料（CFRP）以及纖維纏繞制造工藝的玻璃纖維增強塑料（FRP）車體，這是首批利用玻璃纖維增強塑料（FRP）復合材料制造車體結構的主要項目之一。據其報告，該公司展示的車體外殼可將車廂總重量減輕10%。同時，Hardcore-Dupont公司采用玻璃纖維/聚氨酯復合材料和樹脂灌注法制造了復合材料軌道車原型。該公司聲稱，這是最大的一體式灌注成型結構。

2.3.2 擺式列車特快（TTX）

韓國鐵道公司設計并制造了一個全 FRP 復合材料車身結構樣品。基于 FRP 夾層板的車身結構和 FRP 復合材料部件如圖4所示。通過在板芯中填充聚氨酯泡沫，板的能量吸收和局部剛度可分別提高232％和45％，而重量增加僅占車身重量的2％。

圖4韓國TTX列車車體結構

2.3.3 CFRP基車身

近幾年，美國鐵路和航運公司CG Rail（德國德累斯頓）制造并推出了基于CFRP的車身。他們采用拉擠技術制造車身的大型單件部件。與傳統的鋁制車身相比，他們制造的車身重量減輕了30%。CFRP復合材料構成了70%的車身結構，主要用于前艙和地板下面板。

2.3.4 混合FRP-金屬車身

在捷克工業和貿易部資助的一個項目中，介紹了一種由各種材料和結構組成的地鐵列車混合車身。將 GFRP 夾層板和金屬部件混合在車身中，與金屬車身外殼相比，重量減輕了 19%。他們提出了局部加固方法來減少靜態載荷下的不必要撓度。在另一項研究中探討了將輕質拉擠 GFRP 板用于中速鐵路車輛的可行性。他們采用了一種創新的織物拉擠制造方法，利用多軸織物。構造的面板和加強筋如圖5所示。

圖5帶有垂直加固的外部 GFRP 板

2.3.5 XBODY輕量化車身

3A Composites Mobility（瑞士）是Schweiter Technologies AG的一個部門，致力于開發軌道車輛的輕量化結構。2000年，該公司首次推出了用于整車車身的夾層技術，并隨后批量生產車身（XBODY）。車頂、地板、側壁和底盤的制造均符合軌道車輛的標準。此外，他們還使用真空輔助樹脂灌注（VAC）技術生產了大量的FRP結構前端（INNOCAB）。3A Composites于2008年為軌道車輛開發了一套輕量化模塊化地板系統（CONFLOOR）。這種薄夾層板可顯著減輕重量，并使車廂內部的熱量分布均勻。3A Composites近期一直致力于高速列車FRP前端的開發和制造。

3 FRPS在鐵路行業應用面臨的挑戰

盡管 FRP 結構具有優異的力學行為，但在鐵路行業使用這種輕型結構仍然存在一些嚴重的問題。

3.1 經濟挑戰

用輕質FRP結構取代重型結構的主要障礙之一是高昂的制造成本。FRP組件的初始價格通常比傳統金屬結構高得多，包括原材料和制造技術的成本。可以考慮以下策略來優化FRP成本：

將低成本纖維和樹脂（例如玻璃/聚酯）與昂貴的纖維和樹脂（例如先進的碳/環氧復合材料）混合，制成FRP部件。

開發混合金屬/復合材料設計，利用回收的纖維和聚合物。

使用經濟高效的制造方法大規模生產復合材料（例如拉擠、拉繞等）。

值得注意的是，復合材料較高的初始成本可以通過大幅降低生命周期成本來部分抵消。在大多數情況下，FRP 結構的使用壽命長，維修和保養成本低。此外，對于軌道車輛而言，通過減輕車輛重量可以大幅降低油耗。因此，根據速度范圍、車輛類型和路徑剖面，柴油軌道車輛重量減輕 10%， 可節省高達 15% 的能源。通過考慮 30 年的使用壽命和燃料的估計價格，可以計算出節省的成本在 72元/公斤（電動汽車）到 608元/公斤（郊區柴油車輛）之間。其他有效參數包括更少的鐵軌或輪對磨損、更長的維護周期以及政府可能因減少噪音和二氧化碳排放而頒發的獎勵，也可以計算為成本節約。

3.2 可燃性和耐火性的挑戰

考慮到鐵路行業材料和結構的防火性能的現有標準，設計和制造具有可接受防火性能的聚合物復合材料是一個具有挑戰性的問題。作為該領域的參考，DIN EN 45545 標準定義了鐵路車輛材料防火性能的要求。一般而言，FRP制造商可以通過兩種選擇來遵守防火性能法規：(1) 采用本質上阻燃的聚合物；

(2) 使用阻燃劑改性商用聚合物體系。表 3從技術和經濟角度對上述方法進行了比較。

表3. 用于鐵路工業的耐火聚合物。

3.3 低抗沖擊性的挑戰

在鐵路行業中，復合材料結構可能經常受到異物的低速沖擊。這種情況可能發生在服役期間（例如碎片的沖擊）或維護期間（例如工具掉落）。由于大多數復合材料的脆性，它們更容易受到異物沖擊的損壞。基體裂紋和分層是主要的損傷模式，連續沖擊也會導致基體開裂造成的層間損傷。復合材料的抗沖擊性能主要受樹脂韌性和纖維結構的影響。環境影響、堆疊順序以及纖維和基體混雜等次要參數也會影響復合材料的損傷容限行為。人們已進行了大量嘗試，試圖通過增強主要和次要有效因素來提高復合材料的抗沖擊性能。一些增強方法如下：

嵌入SMA合金增強材料以吸收更多能量：例如將SMA合金嵌入復合材料結構中，由于SMA的超塑性特性，可顯著吸收沖擊能量。研究表明，當僅0.2%體積分數的SMA嵌入復合材料梁中時，梁的變形可減少56% 。

使用 3D 纖維：對 3D 編織基底/芳綸復合材料的實驗表明：增強的相互作用特性使能量吸收率提高了 67%，

使用保護涂層：在 CFRP 層壓板上涂抹保護性熱塑性聚氨酯涂層，可以阻止損傷在整個層壓板上蔓延，從而提高材料抵抗沖擊損傷的能力。

使用納米增強材料：采用多壁碳納米管來增強以玻璃鋼 (FRP) 為表面、鋁芯為芯材的夾層板的抗沖擊性能后。結果表明，在膠粘劑中添加納米顆粒可以增強剪切和彎曲變形的能量吸收。

3.4 回收挑戰和廢物管理

隨著纖維增強塑料在工業應用中的日益普及，其回收利用已成為一項重大的環境挑戰。盡管近年來已開發出多種回收技術（包括機械回收、化學回收和熱回收），但對于熱固性復合材料而言，回收仍然是一項挑戰，而鐵路中使用的大多數纖維增強塑料均由熱固性復合材料制成。回收成本高、回收材料機械性能一般以及回收產品缺乏市場是該領域的關鍵問題。例如，每個纖維增強塑料基轉向架構架約由 400 至 800 公斤的碳纖維增強塑料和/或玻璃纖維增強塑料組成。鑒于鐵路運輸所需的轉向架數量，應考慮對數千噸纖維增強塑料在其使用壽命結束后進行管理。這個問題已在其他纖維增強塑料應用中提出，例如風力渦輪機，并且已提出了回收和處置技術，例如將纖維增強塑料廢料研磨并將其用作填料或增強材料。

3.5 機械退化和化學老化帶來的挑戰

目前，在包括鐵路運輸系統在內的不同行業中使用的 FRP 的耐久性方面，仍然缺乏通過實驗獲得的數據源。對于大多數鐵路應用，預計結構具有較高的生命周期（例如，轉向架的使用壽命超過 30 年）。另一方面，此類結構暴露在不同的環境條件下，具有不同的溫度、紫外線輻射和濕度水平。因此，有必要根據長期環境條件預測 FRP 的機械性能。使用此類數據也可以估算 FRP 結構的剩余壽命。在結構應用的設計階段，應考慮 FRP 的長期機械退化，通過選擇合適的基質、增強材料以及可能的添加劑和填料來改善 FRP 結構的長期性能。考慮到材料特性所需的數據、所需增強材料的成本以及預測壽命的需要，機械退化和化學老化可能對用 FRP 結構替代金屬結構構成一大挑戰。

3.6 維修挑戰和維護流程

復合材料結構通常可以修復（例如，使用柔性或剛性粘接補片）。根據 FRP的類型、受損部件和應用需求，修復通常比更換整個結構更具成本效益。然而，與設計和分析階段一樣，FRP 結構的維修和保養也比金屬結構更為復雜。FRP 結構維修的主要步驟包括：損傷檢測（使用健康監測系統）、設計維修方法（粘接或機械螺栓連接的補片）、使用數值、分析或實驗方法分析結構性能和耐久性，以及最終對結構進行維修。在使用粘接補片、粘接或機械螺栓連接的接頭之前，應考慮其對結構的影響和預期耐久性。如果沒有明確的維修和保養程序，就不可能在鐵路運輸系統中用 FRP 結構取代金屬結構。

4.玻璃鋼在鐵路行業應用的5大未來趨勢

由于當今交通運輸行業對快速出行的需求日益增長，鐵路運輸正在經歷顯著的改進。考慮到與航空運輸等其他交通運輸系統的激烈競爭，鐵路行業的研究和工程部門必須提前規劃，投資新技術，以實現未來的目標。開發自動駕駛系統、綠色鐵路、高速列車以及提高乘客舒適度，可以被視為鐵路行業預期的一些改進。從這個意義上講，超級高鐵項目（真空管道高速運輸系統）和被動磁懸浮系統就是鐵路運輸進步的典范。

• 復合材料科學與技術能夠提供合適的材料、結構以及滿足未來需求的設計方法，從而促進鐵路行業的發展。與傳統鐵路系統相比，減輕重量對于現代高速列車和電池驅動的軌道車輛而言更為重要。在這種情況下，先進的復合材料結構可能是實現必要減重的關鍵。

• 通過使用復合技術進行功能集成，例如將阻尼和懸掛系統納入 FRP 承重結構，可以減少組件的復雜性、降低噪音排放并減輕重量。

• 未來的鐵路行業可以將智能復合材料和結構用作傳感器和執行器。例如，形狀記憶合金增強復合材料能夠根據環境刺激調整其機械特性，可用于加固結構、提高能量吸收率，甚至構建可用于自主系統的無電機執行器。

• 復合材料3D打印等先進制造技術可作為一種實用、快速且可靠的制造方法，用于生產先進高速軌道車輛的復雜幾何結構。目前，3D打印玻璃鋼部件的機械性能可能無法完全滿足承重部件的技術規格。然而，隨著3D打印技術和打印參數優化的進步，玻璃鋼結構的增材制造技術有望獲得顯著改進。

• 使用天然和可回收纖維和樹脂來建造功能性復合結構可以大大減少溫室氣體排放并創建更可持續的鐵路系統。

未來幾年，隨著纖維增強復合材料行業材料和制造工藝的不斷發展，以及企業和政府對溫室氣體排放和噪音等環境問題的日益關注，增強塑料預計將在鐵路應用中發揮更大的作用。預計鐵路行業將出臺有關環境方面的限制性規定，以逐步替代在鐵路運輸中使用過時且不環保的結構（例如，老式的轉向架設計）。

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