城市地铁节能新星：碳纤维地铁
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2025/11/17
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碳纤维是由有机纤维经过一系列热处理转化而成，含碳量高于90%的无机高性能纤维，是一种力学性能优异的新材料，具有碳材料的固有本性特征，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
碳纤维是由有机纤维经过一系列热处理转化而成，含碳量高于90%的无机高性能纤维，是一种力学性能优异的新材料，具有碳材料的固有本性特征，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，其比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。
碳纤维50年代之初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生。碳纤维复合材料优势在于：高强度（是钢铁的5倍）、出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)、出色的抗热冲击性、低热膨胀系数(变形量小)、热容量小（节能）、比重小（钢的1/5）、优秀的抗腐蚀与辐射性能。
传统的轨道交通车辆车体材料主要有铝合金、不锈钢和碳钢，铝合金车体存在应力腐蚀、外表处理困难、焊接要求高、疲劳强度低等问题；不锈钢车体存在密封性差、局部屈曲、焊接变形等问题。碳钢车体存在易腐蚀、不利于轻量化、焊接变形大等问题。碳纤维增强复合材料因其优异的特性受到广泛关注，其中碳纤维增强树脂基复合材料(碳纤维复合材料)是目前最受青睐的一种。
地铁碳纤维复合材料转向架构架使用了先进的自动化成型技术，侧梁采用编织预成形体+RTM工艺，横梁采用干法缠绕预成形体+RTM工艺，自动化程度高，产品质量稳定，较传统碳钢构架减重44.4%，经第三方实验机构检测，其静态及疲劳性能优异。我们面前这辆碳纤维地铁由中车青岛四方机车车辆股份有限公司设计，列车运行全过程为全自动驾驶。据公开资料显示：车辆设置强大的智能监测和预警系统，实时感知列车状态，实现在途故障预警。该列车还具有客室噪声降低5分贝以上、可根据客流变化灵活编组等特点。碳纤维复合材料代替传统金属材料进行地铁车厢的制作，车体总质量降低了40%，列车采用先进的碳纤维技术，车体、转向架构架、司机室、设备舱等，均使用碳纤维复合材料制造，整车减重13%。同时，牵引系统采用新型高效节能的碳化硅逆变器和永磁同步牵引电机，车辆更轻，牵引系统更高效，跑起来节能15%以上。各项性能指标均完全达到设计要求，并且在噪声、车体震动以及形变方面都获得大幅改善。
地铁建设投资巨大，其后期的运行维护成本也相当的大。大比例地采用碳纤维复合材料将有效降低地铁的自重，可以减少不必要的能耗和轨道磨损等。碳纤维高性能比让列车使用寿命延长，后期维护成本也更低。
据交通运输部数据，截止2020年底我国城市轨道交通运营里程7545.5公里，如果城市地铁都更换为碳纤维地铁，按节约15%的能耗计算，节约量将是非常可观的数字。
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关键词：
嘉盛碳素
锂电池负极材料
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