抓住建设城市轨道交通契机--推动复合材料产业发展
随着我国经济和城市建设的发展，城市人口和城市数量剧速增长，城市交通越来越受到人们关注，人们探索通过显著改善城市交通促进经济发展，激发城市活力和提高居民生活质量的途径。参照国外解决都市交通的成功经验，就是建设以大容量快速轨道交通（地下铁道、高架轻轨、以及独轨交通等）为主体，配以其它形式交通工具，彼此协调配合，形成一个综合的包括地面、高架和地下的立体城市公共交通网络。我国政府早就重视发展轨道交通缓解大城市交通问题。1985年发布的技术政策蓝皮书中就提出100万人口以上的城市到2000年时要建成城市轨道交通。国务院（1993）20号文指出“特大城市要逐步建成快速轨道交通和地铁”。建设大容量快速轨道交通系统，形成综合性的立体城市公共交通网络是解决大城市交通拥挤问题的有效办法。
上海规划中的全市轨道交通网由11条地铁线和10条高架轨道交通线组成，共约560公里。同时上海铁路局、公用事业局、浦东新区、闵行区、普陀区等单位都相继提出了要建设高架轨道交通的规划。规划的轨道交通建设费用预计3300亿元，车辆5600辆。流量将达73万人次，小行车间隔时间为5.5分钟，比现有的地铁一号线行车间隔时间缩短了将近50%。到2030年，上海的轨道交通（地铁与高架轻轨）运量约占70%以上，而地面公共汽车交通将被压缩到30%，轨道交通将成为上海城市交通的主体，基本上达到国际大都市的格局。
在我国特别是上海城市轨道交通建设在启动时，借鉴国外成功经验，正确选择轨道交通设施用材，减少材料使用上的盲目性，确保轨道交通工程先进性、高质量、低成本目标的实施，是十分重要。也为复合材料产业的发展创造了机会。
目前有轨道交通处于起始阶段，许多设施制造如车辆制造尚属空白，有的零部件上海虽有生产，但没有围绕轨道交通建设组成一个产品体系。有关部门和专家已经洞察到城市轨道交通发展，必将形成一个新兴产业，也为相关行业带来巨大市场，带动一批产业，如新材料产业、机电产业等的发展复合材料就是其中之一。
一、复合材料是城市轨道交通建设的关键材料之一
复合材料是由基体材料（聚合物材料、金属、陶瓷）和增强体（纤维、晶须、颗粒）复合而成的具有优异综合性能的新型材料，是本世纪中发展迅速的新材料之一。由于它的各种性能和功能可以根据需要进行设计，通过选择合适的基体和增强体，合适的组成配比，排列分布，充分发挥组成材料性能的优势，获得单一材料――金属、聚合物、陶瓷等材料难以达到的综合性能，如高比强度、高比模量、耐腐蚀、隔热、耐磨……等等，为复合材料制品提供了很大的设计自由度。复合材料已在航天、航空、交通运输、基础建设中发挥了巨大的作用，成为这些领域产品性能提高和升级换代的关键材料。表1是复合材料与钢、聚合物材料的力学性能比较。表2是用于复合材料的纤维性能，可见复合材料比一般的钢材、高分子材料的比强度、比模量要高出1～5倍。用复合材料做成的构件，重量轻、强度高、刚性大，是一种理想的结构件。复合材料产品制造工艺多数是近终形成型，制造出的产品，不需进行机械加工，生产效率高，制造成本低。复合材料在轨道交通中有广泛的应用，对减轻车厢重量，降低噪、振动，提高难度安全性、舒适性，减少维修……等均有重要作用。
二、复合材料在国外应用概况及在轨道交通中应用的实例
在八十年代前，复合材料主要用于航天、航空、先进武器系统等军事领域，近十年来随着国际形势的变化、材料制备技术日趋成熟，生产规模迅速扩大，高性能增强纤维价格明显下降，复合材料在交通、建筑、环保、体育用品等方面的应用已占复合材料用量的90%以上。目前复合材料及制品的产量约为600万吨，每年仍以10%的速度在增长。以美国为例，1996年美国复合材料制品产量为146万吨，其中在汽车|客车等交通领域用量为45万吨，占31%。房屋建筑基础设施30万吨，占20%，耐腐蚀化工及环保设备20万吨，占12%，电气、电子设备14万吨，船舶15万吨，航天、航空1.4万吨仅占1%。
复合材料已在轨道交通中广泛应用。随着轨道车辆综合性能的提高，其使用材料也逐渐发生了变化。法国国营铁路公司（SNCF）对于未来的TGV高速列车，考虑到迫切需要进一步减轻车体重量，认为只能采用复合材料的双层TGV挂车，并进行线路运行试验，对其耐火性、抗冲击强度等进行运行测试。在此前他们对称作为T1的辆样车上进行了次计算模型考核试验，证实了复合材料车体的制造工艺是有效的，同时也证实了复合材料车体在振动性能、透声性能和绝热性能方面的优点，提高了车体的舒适性。他们得出的结论，复合材料不可避免终将取代铝合金。
在客车生产中有成效的是Schindler Waggon公司，该公司应用玻纤或碳纤维缠绕制成轻型的承载结构车体。1995年次装于SIG活动侧倾式转向架上的3辆试验车体在瑞士联邦铁路线上进行运行试验，运行速度达到140km/h，结果令人满意。这种车体的特点是使用纤维、树脂和硬泡沫芯的复合材料，车体外壳内包含电缆和空气管路，省去了内衬装饰，只需在模具上涂上所要求的面层。它比铝制或钢制车体的强度大，用碳纤维复材预计可比铝制车的重量减少25%。轨道车辆车体结构可以使用复合材料，其技术已达到实用化程度。复合材料车体结构具有重量轻、舒适度好、安全性高、成本低等优良特性，可以取代铝合金结构进行实用化生产。
在车厢内饰件方面，日本新干线的高速客车中，采用GFRP（玻璃纤维增强塑料）复合材料制作车窗内饰、洗漱间、厕所、小便池、水箱、集便箱、车前头盖板；双层客车两端顶、兼作空调风道的天花板，餐车空调盖板的天花板等部位亦被采用。为了减少受电弓周围的空气动力噪声，而在车顶上安装的受电弓内亦采用GFRP材料制造。在轨道交通的站台、轨线设施中还需用大量绝缘、耐腐蚀的复合材料型材构件、制品。国外复合材料在轨道交通中的应用，我们按车辆体、轨线设施和车厢内饰件三部分分别综述如下：
1、车辆车体
FRP复合材料在轨道交通的一些次结构上的应用在国内、国外已有多年历史。但在车辆车体结构上的应用，目前只有国外有应用实例。
车辆车体结构的重量在整车中所占的比例较大，通常在15～30%左右。因此，提高车辆速度要解决车辆轻量化，就必须优先考虑车体结构的轻量化。过去人们习惯把铝合金作为车体轻量化的选材料，由于车辆轻量化的要求越来越高，于是人们把目光注视到复合材料上来。
车体结构是保证安全、快速运送旅客所需空间的重要部件，必须达到以下性能和条件：
足够的强度、高刚性；轻量化；不燃性；容易维修或不需维修；制造费用低；气密性高。
用FRP复合材料制造轨道的车体，能达到上述条件要求。其优点概括如下：
（1）轻质高强、复合材料的密度在1.4～2.2g/cm3，它的密度仅是钢的1/4～1/5，而强度不减小；比强度为铝合金的2倍，是钢的4倍，符合轨道车辆轻量化的要求。
（2）工艺简单，成本低，可一次成型。生产设备投资费用约为铝合金的1/30～1/40。
（3）可设计性。为车体结构的优化设计提供了广阔自由度。
（4）耐腐蚀，使用寿命长。它具有的耐酸、耐碱、耐大气腐蚀性，使用寿命超过不锈钢材料。
（5）导热系数低，只有金属的1/100～1/1000，是一种优良的绝热材料。它的膨胀系数小，在有温度差下工作时所产生的热应力比金属小得多。此外，通过合理的选择和改性，能容易地达到轨道车辆的防火性能要求。
（6）有抗磁、绝缘、隔音等多种性能。
FRP复合材料在国外城市轨道交通车辆中应用实例：
（1）瑞士Schindler车辆公司在汉诺威博览会上展示了采用缠绕技术制造的泡沫夹芯三明治结构FRP整体铁路车辆车体。该车体成型使用一台专门设计的重35吨、长25米的缠绕机和一个重16吨、直径3.8米的矩形模芯，电缆管和空调管在成型时敷设在泡沫层中，窗口待脱膜后切出。与铝制车体相比，这种采用FRP整体缠绕成型的车体，可减轻车体20～25%的重量。另外用钢或铝制作车体，在焊接地板、车顶和侧墙时需大量的手工作业，只有很少的部位可以使用焊接机器人。用本工艺可实现生产高度自动化，构件数量大大减少，使车辆制造减少计划、设计和后勤费用，并缩短生产时间，车辆车体重量的降低，也降低了机车能源消耗和轮、轨的磨损。目前该公司对车体按标准进行一系列试验，包括耐火实验、车体的三点弯曲实验和整段车体的结构承载能力实验等，结果令人满意。目前该公司计划将这种车辆打入欧洲轻轨交通市场。
（2）德国Adtranz公司开发了一种命名为Regio Shuttle的FRP和金属混合结构的客车车体。该车体采用钢型材做车身构架（采用钢材是因为钢材比铝合金容易焊接）。用酚醛FRP三明治夹芯板做车体板，车体板采用特殊的弹性粘合剂固定在钢结构框架上。这种新设计的车体结构充分发挥了这两种材料的长处，使这种新车体具有下列特点：
――车体的重量比传统的车体减轻35%；
――FRP的隔音特性和车体板与钢结构框架的弹性粘结，使车厢内非常安静；
――车身板修理替换方便；
――由于是框架结构，可随意安排车上座椅；
――安装方便、快速，可减少制造、生产费用。
该公司至少获得80辆这种新结构客车的订单。
（3）公司为减轻轨道机车重量，解决金属材料整体成型复杂三维结构的困难及费用高的问题，在一些轨道机车上使用FRP整体成型的驾驶室端盖。这种驾驶端盖采用FRP夹芯三明治复合材料，结构具有很好的抗冲击和支持能力。
（4）英国的Intercity125是早采用FRP整体成型的驾驶室端盖的机车之一，其芯材料使用聚胺酯泡沫，外蒙皮整体成型，内蒙皮分三件拼合，电线和各种导管固定在泡沫芯材中。采用这种方法制造的驾驶室比传统钢结构驾驶室重量轻30～35%，同时这种FRP整体成型的驾驶室端盖具有很好的抗冲击能力，能承有客观存在重0.9kg的立方体钢块以350m/h的速度冲击。
（5）意大利ETR500高速列车的车头前突部分采用的是芳纶纤维增强环氧树脂的FRP复合材料，用这种材料模型成型的符合空气动力学线型要求的车头具有优异的抗冲击能力，当列车以300m/h速度行驶时有很好的尺寸稳定性。
（6）英国的38Le Shuttle是穿越英吉利海底隧道的电动列车，为满足英国严格的海底隧道行驶列车所用的阻燃规范，该车采用阻燃性能优异的酚醛FRP复合材料做驾驶室端盖，制品的成型重量约240kg。该制品模型时的尺寸差控制在±2mm，在工艺上克服了酚醛FRP复合材料成型时易变形的问题。
（7）德国Talbot公司将考虑今后的新概念列车Talent上使用拉挤成型的FRP复合材料侧壁板取代原型车上已使用的铝合金挤出型材。主要原因是：
1)空气中腐蚀介质并在铝型材的空腹中浓缩，使客车的侧壁板易腐蚀。使用耐腐蚀性能优异的FRP复合材料可彻底解决侧壁板腐蚀问题。
2)铝合金挤出型材侧壁板没有好的粘结安装方案，只能焊接，产生的焊缝影响车厢表面美观。FRP复合材料侧壁板具有多种粘接安装解决方案，使安装非常方便；
3)铝合金挤出型材侧壁板焊接时会产生收缩变形。FRP复合材料侧壁板粘接安装不存在此问题；
4)采用FRP复合材料粘接安装侧壁板可使车厢更为宁静。
另外，采用拉挤复合材料而不用模塑成型复合材料，是因为拉挤型材可提供更复杂、更精确的截面积尺寸和更快的批量生产速度。
2 、轨线设施
（1）电缆槽、电缆架
英吉利海峡隧道中使用FRP复合材料电缆槽，总长度450公里，总重量超过2200吨。其技术要求、非常严格，要求耐蚀、防火、高强、绝缘，且外形较复杂，终选择了FRP复合材料拉挤型材，取得了满意的绳索果（拉挤成型工艺）。
城市轨道交通的环境条件比海峡隧道相对要好一些，对电缆槽的某些技术要求可能低一些；国内的生产设备和工艺已有一定的基础，惟原材料选择余地较小需要做些研究工作，或者开始时使用部分进口材料，使用国产电缆槽是完全可行的。
下图为国外常用的架空电缆架和第三轨护套，国内也可以生产。
（2）走道格栅、护栏格栅
走道格栅、护栏格栅采用复合材料拉挤型材具有外形美观、耐腐蚀、免维修等优点，虽然价格略高于普通碳钢格栅，但低于不锈钢格栅，是一种常见的复合材料制品，在国外应用普遍，国内可以生产。
（3）其他设施
复合材料与轨道交通有关的产品种类很多，如各种电器箱、防噪板、防眩板、灯罩、灯柱、电话亭、售货亭、复合枕木等。
电器箱、防爆灯罩、普通灯罩多数采用SMC模压工艺制作，国内已有较多应用，有取代铁皮材料的趋势。
FRP复合材料电话亭等车站设施国外已很普遍，一般用手工或半机械化生产。国内有的地方也出现了一些类似产品基本上是仿制品。国内制造技术上问题不大，但要有好的总体设计。
与PC板比较复合材料防噪板具有许多优点，欧洲TG公司的FRP复合材料防噪板产品，具有轻质、高强、防噪、隔音、耐蚀、绝缘、隔热、透波、安装容易、无需维护等优点。目前国内尚未有同类产品。这方面的发展宜引进国外技术，或者国内组织联合研制。
3 、车辆车厢内饰件
车厢内饰件的制造要求是造型复杂和采用高比刚度的板材，其主要应用部位及部分国外车辆应用情况如下：
（1）车门 国外客车车门主要采用FRP复合材料制作。这种车门具有重量轻、强度高、使用可靠、制造方便等优点。英国XP64型客车、MKIII型客车均安装了聚酯FRP复合材料门。法国的Mistra客车采用FRP复合材料夹层模制整体车门。前苏联26m长的轻型客车车门为三层夹层结构，中间填充泡沫塑料，内外壳为FRP复合材料。丹平等铁路IR，新型电动车的车门为双扇车门，用FRP复合材料、峰窝夹层材料及铝框组成。
（2）车窗 法国制造的欧洲标准客车Y型车的内窗框用FRP复合材料制造。英国客车车窗装饰外包层采用阻燃的聚脂树脂和E玻璃纤维。日本京浜800型快车上先使用FRP复合材料整体成型的内框。日本681系电动车客室内是使用FRP复合材料多的车辆，其中就包括内窗框。
（3）座椅 国外FRP复合材料座椅较为普遍。如英国XP64型客车、MKIII型客车、法国“珊瑚号”、日本部分富车和30系地铁车、前苏联二等客车等均用FRP复合材料制造座椅。
（4）客车墙板、顶板、地板 国外客车墙板一般采用FRP复合材料和泡沫塑料夹层结构。如德国汉堡高速铁路上的客车墙板，捷克、瑞士、荷兰等国也用FRP复合材料做客车内墙板。
英国有的客车上内顶板采用白色FRP复合材料。日本特快电动车上的内顶采用的是FRP复合材料大型部件。法国新型Mistra客车上采用FRP复合材料顶板。瑞士标准客车、奥地利BM02系列空调车侧走廊顶板也都采用FRP复合材料制造。
采用FRP复合材料制造客车地板因成本高，国外只有少数采用。如英国的XP64型客车采用FRP复合材料制作地板。
（5）厕所、盥洗间、集便箱 是极易腐蚀部件，适于采用FRP复合材料制造。国外客车的厕所、盥洗间地板及集便箱大都采用FRP复合材料。德国新研制的客车卫生间大量使用FRP复合材料，其墙板、地板、便器及便器盖均采用FRP复合材料。美国、英国、日本、荷兰等国使用FRP复合材料整体卫生间。卫生间的顶板、墙板、地板均采用FRP复合材料制造，粘结连接为一整体。整体卫生间能可靠地保护相连接的金属构件，使之不会产生腐蚀破坏。集便箱采用FRP复合材料制造可提高使用寿命。日本新干线车辆的集便箱由FRP复合材料制造，其结构为在FRP复合材料制椭圆形外壳周围，用加热方法粘接聚氯乙烯泡沫塑料，并在上面再手糊一层FRP复合材料的夹层结构。
（6）卧铺、茶桌、行李架 日本12系14型卧车的上铺和中铺采用FRP复合材料制作。581系电动车的卧铺框架也是FRP复合材料。法国的大西洋TGV-A装用的可折叠式茶桌采用FRP复合材料制造，重量只有铝茶桌的1/2。德国Apm123型空调客车和高速运输的客车及一、二等混编列车都是采用FRP复合材料层压板制造。
（7）空调风道及其他部件 德国城间运输用的新型二等空调开敞式客车都是采用FRP复合材料层压板制成。
另外国外客车还用FRP复合材料制造其他的小部件，如法国国际联运用的二等客车毛巾架和垃圾箱、德国开敞式客车的窗帘框及槽等。
根据上海500km的轨线发展规划，如果其中50%建立噪音屏障，平均每公里面轨线采用FRP复合材料40吨，总共约3420吨。上面提到的FRP复合材料部件总用量约为10000余吨。如果再考虑轨线站台设施的FRP复合材料使用，用量将会更大。
从总体上讲，轨道交通中的车辆车体、轨线设施和车厢内饰件的复合材料用量很大，为复合材料产业的发展提供了广阔的空间。
三、结束语
上海研究开发、生产复合材料构件已有40年的历史，在研究开发技术力量，复合材料制品生产技术设备，原材料生产等方面均有优势，具备发展复合材料产业的良好基础。针对城市轨道交通发展的总体要求和具体目标，以轨道交通建设项目为龙头，采取相应的为轨道交通提供构件材料和零部件的确保措施，在为轨道交通工程的服务进程中，促进产业发展.
