产业研究 | 轨道交通先进高分子材料的应用及市场前景（附：PDF）

铁路投资拐点向上，高铁新增营业里程复苏带来动车组等装备采购需求增长。轨交装备行 业作为国家战略性新兴产业，涵盖铁路和城市轨道交通所需的各类高端装备制造。近年来， 随着铁路网络的快速扩张和城市轨道交通的蓬勃发展，国内轨交装备市场规模持续扩大。 2024 年，全国铁路完成固定资产投资8506 亿元，同比增长 11.3%，复苏态势强劲。

根据国铁集团的《铁路动车组运用维修规程》，动车组以里程周期为主，时间期为辅进行 检修。动车组维修共五级，其中一、二级为日常维修，在动车所内进行；三、四、五级为 高级修，需返厂维修；检修周期分别为 120 万公里、240 万公里、480 万公里，或 3 年、 6 年、12 年。目前三级修已基本实现由铁路局动车段承担，四级修由动车段和中车动车组 造修企业共同承担，五级修全部由中车动车组造修企业承担。

高级修密集期来临，维修市场有望快速增长。根据国家铁路局， 12-15 年我国动车组保有量增速较高，CAGR 达 27.2%。考虑到我国动车组车辆检修环节往往提前，预计该批动车投 产十年后，即 22 年后需要五级检修，由于五级检修将对动车部件进行大面积更换，维修 市场有望迎来大幅增长。

图1 12-15年我国动车组保有量CAGR达27.2%

带路沿线高铁建设需求旺盛，国内轨交企业有望打开增长空间。根据商务部、中国一带一  路网，目前一带一路沿线的越南、印度、埃及、土耳其、俄罗斯等国家均已提出高铁建设 规划，例如印度《国家铁路计划》草案提出，到 2051 年在印度全国要修建近 8000 公里高 速铁路。从建设时间上看，捷克、土耳其、印度、南非等国家均已将高铁建设规划至 2050  年及以后。一带一路沿线高铁建设需求旺盛，有望将带动我国轨道交通行业出口规模增加。

表1 “一带一路”沿线国家高铁建设规划

随着我国在高端制造方面新技术的不断涌现和装备制造能力的不断提升，轨交行业自身发展也对材料的特性、功能及安全等各方面也不断提出了更高的要求。

1.1 先进复合材料

复合材料是由基体材料（树脂、金属、陶瓷）和增强体（纤维、晶须、颗粒）复合而成的新型材料，是本世纪中发展最迅速的新材料之一。复合材料轻质高强，比强度较高，耐疲劳性能优异，耐损伤阻抗高，阻尼性能好，具有良好的隔热和耐腐蚀性，比铝合金车体减重至少30%。据估计2020年我国轨道交通用复合材料将达20万吨，约占我国复合材料总产量的2.08%。目前主要的复合材料供应商有国外的CCP、Polynt、AOC LLC、Reinchhold等，国内的新阳科技、天河公司、光威复材、中复神鹰等。

新型的先进复合材料在轨道交通车辆的应用路线一般从非承载件（顶板、侧墙、座椅、内饰）到次承载结构件（设备舱、车端前罩）到主承载结构件（转向架、车体和车钩缓冲）逐步进行，用于主承力结构的材料变更需要进行大量的试验验证之后才能应用到主承载结构中，因此主承载结构材料的轻量化可以一定程度上代表轨道交通车辆的代际变换。目前车体复合材料的主承载结构件的尚处于研发阶段，内饰及非主承力结构件已大量应用于高速列车中，极大的提高了隔音性能和保温隔热性，满足了乘客的舒适性要求和运营商的运营消耗。主承载结构的材料变换代际特征明显。

图2 复合材料的应用示例 

纤维增强树脂基复合材料（FRF）因为高比强度、耐疲劳、耐腐蚀、隔热、阻燃、可设计性强等优点，在英国、日本、德国开始应用于非承载件，并也在越来越多的结构件上使用，例如车体和车头前端采用玻璃钢、芳纶纤维增强环氧树脂等。目前在西欧，制造铁道车辆用的复合材料中，按纤维种类分，玻璃纤维占58%，芳族聚酰胺纤维占20%，碳纤维占20%，其他占20%；按树脂种类分，聚酯占35%，乙烯酯占22%，环氧树脂占21%，酚醛树脂占15%，改性的丙烯酸树脂占4%，其他占3%。据计算，用高性能玻纤复合材料制造夹层结构制成的机车质量比一般钢结构轻25%-35%，但安全性和力学性能远优于钢结构。

1.2.2 芳纶纤维

芳纶复合材料具有阻燃、强度高、耐高温、绝缘等级高、耐潮耐腐蚀、物理化学性质稳定等性质。在高速列车的电机、变压器、列车车体、零部件等都获得广泛应用。

在牵引变压器的制造中，采用芳纶绝缘纸替代普通绝缘纸，能将变压器容量等级降低，从而减小电气设备的运营成本。

芳纶峰窝夹层材料是利用芳纶纸经过一系列的工艺过程制造的材料，将碳纤维面板、玻璃纤维面板、铝板等贴合在芳纶峰窝表面，可制成芳纶峰窝夹层材料。美国BART地铁、意大利的ETR-500和德国的Thyseen磁悬浮车均大量采用这种结构。

一般列车内部配件，如车窗内饰板、小便池、水箱、车前头改版等通常由玻璃纤维和阻燃聚酯树脂制造。而芳纶凭借质量轻、易于加工的优势，逐渐在列车内部设备及辅助上获得应用。

1.2.3  碳纤维

碳纤维是由有机纤维如粘胶纤维、聚丙烯腈纤维或沥青基纤维在保护气氛下热处理碳化成为含碳量90%-100%的纤维。碳纤维复合材料根据基体的不同可以分为以下几类：碳/碳复合材料、碳纤维增强树脂基复合材料、碳纤维增强金属基复合材料（CFRM）、碳纤维增强橡胶复合材料、碳纤维增强陶瓷复合材料等。

与钢、铝材料，碳纤维复合材料为主的先进复合材料在轻量化、节能、电磁屏蔽、碰撞吸能等方面具有明显的优势。例如，采用碳纤维复合材料制作的司机室头罩具，抗冲击性能明显提升，当承受350kN的静载荷时，抵挡1kg铝弹的660km/h的高速冲击。目前碳纤维复合材料在轨道交通领域的使用主要还是在一些零部件，如车体外壳、车头罩、部分高速列车受电工导流罩、城轨车辆司机室头罩、导流罩及司机台、裙板等，见图3。

图3 碳纤维制造的前端头盖

碳纤维远期的主要应用目标可以是制造铁道车辆车或转向架构架中的部分承载构件。2018年9月18日中国中车在柏林国际轨道交通技术展（InnoTrans2018）上正式发布具有全碳纤维复合材料的车体结构的新一代碳纤维地铁车辆“CETROVO”，该全碳车辆结合多种成型工艺如三维编织+RTM工艺、缠绕工艺、拉挤工艺、真空袋辅助成型工艺等，同时进行多重优化设计方案，在外形尺寸不变的情况下，对局部受力结构进行了优化设计，尽量发挥复合材料的高强高模优势，但主要外形及结构都是照抄照搬金属地铁车结构，优化设计受到尺寸外形的限制，即便如此，该地铁车的车体、司机室、设备舱可分别减重30%以上，转向架构架减重40%，整车减重13%。该列车不仅具有主结构材料的变更，同时还结合了多种现代化先进设计理念和新的控制系统、新工艺应用技术，可实现车辆自动驾驶、智能运维与智慧服务，是具有全新代际特征的新一代地铁列车，有力地推动了轨道交通装备的“材质革命”和“技术升级”。

图4 新一代碳纤维地铁车辆“CETROVO”

轨道交通轮轨系统振动和噪声对车体自身及周边环境均有不良影响，也极大地影响了乘客的乘坐体验。通过缓冲隔离和吸收可实现对振动的缓和以及对噪声的控制。目前轨道减振的方法包括线路减振、钢轨减振、道床减振以及扣件减振等，常见轨道交通用减振产品有弹性垫板片、轨道减振器、浮置板式轨道结构、浮式道床、橡胶套靴、转向架橡胶减振器等，这些减振元件分布在车辆、轨道、接触导线、桥梁、隧道中。其中，橡胶是应用最多的材料品种，天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶、硅橡胶等均有使用。

图5 减振降噪的基本方法

2.1 天然橡胶

在橡胶减振领域中，用量最大的是天然橡胶(NR)，实际使用过程中常常与其他橡胶进行复配以实现其他性能互补。例如，采用N R和氯丁橡胶(CR)共混制成减振橡胶，硫化促进剂选择性地促进其中的 NR硫化，使得CR组份发挥减振橡胶的减振特性，并可提升整体耐寒性；采用NR和丁基橡胶(BR)为基础胶料，共混炭黑、二氧化硅 、石油树脂制备得到组合物，其具备高阻尼性能而不会影响材料的耐低 温性能和机械性能，可用于防震减振功能；将NR和含有不饱和键的顺丁橡胶以及碳原子数大于4的含有羟基基团有机酸的金属盐与添加剂混合制成减振材料，具备宽温度范围内的耐久性和优良的阻尼性 能，可用于车辆的减振吸音功能。总体来说，天然橡胶由于突出的弹性 、耐寒性及加工性能，滞后损失又小在减振降噪领域广泛使用。

2.2 三元乙丙橡胶

三元乙丙橡胶(EPDM)也是轨道交通用合成材料中用量较大的一类材料。采用三元乙丙橡胶为基料制备轨道车辆用挤出型阻燃环保减 振垫，所采用的三元乙丙橡胶能够在提高分子量的同时保持窄的分子量分布，从而保持好的抗变形塌陷性，产品硫化形状保持良好。复合阻燃剂中不含欧盟的ROHS和REACH指令中规定的任何限用危险物质和38种高度关注物质(SVHC)；不仅阻燃环保，而且生产工艺简单 ，生产效率高，减振效果好，安装方便。

2.3 热塑性聚酯弹体

聚酯弹性体包括热塑性弹性聚酯弹性体（TPEE）和聚氨酯（TPU）。热塑性弹性体是一类特种合成橡胶，其产品既具备传统交联硫化橡胶的高弹性、耐老化、耐油性各项优异性能，同时又具备普通塑料加工方便、加工方式广的特点。

由于TPEE具有优异的物理机械性能和化学性能使其自问世以来就获得了较高关注度，在很多领域取代了橡胶、皮革和金属等材料，取得了良好效果。如今，随着轨道交通的高速发展，TPEE在轨道减振、轨道与车辆的缓冲、减振等方面获得了应用。

弹性垫板是一种安装在钢轨和轨枕之间的提供弹性的隔振装置，适用于铁路和城市轨道交通区间扣件，需有良好的减振性、耐候性和耐低温性，见图表2-10。TPEE发泡材料兼有热塑性弹体良好的物化性能又具备良好的减振性能，能够满足轨交交通装备技术要求。

图6 发泡弹性垫板在扣件系统

车钩缓冲装置主要用来传递或缓冲列车运行时产生的纵向力或冲击力，这就要求其具有耐高速冲击或吸收储存加大冲击的能力，以往主要采用钢质弹簧结构或橡胶缓冲器，其工艺性和结构性较为负责，能量吸收能力已不适应目前的轨交运输体系。TPEE弹性体缓冲件性能稳定，结构简单，用量少，质量轻，可显著提高缓冲容量，能适应重载、高速的需要。当前TPEE弹性体缓冲垫的主要代表为DUREL高速生产的DFC-E100型缓冲垫和美国Miner公司生产的TF-880型缓冲垫。我国时代新材公司历经2年的研发，成为第三家能够生产该类型产品的公司。经过综合测试比较，时代新材TPEE车钩缓冲器产品的载荷和回弹性均优于国外样品。

2.4 聚氨酯高分子材料

聚氨酯高分子材料是一类在其分子主链中含有氨基甲酸酯基团的聚合物。聚氨酯材料因其优异的物理化学性能，满足高速铁路用材料的要求，以聚氨酯为基础，可制成的产品有泡沫塑料、弹性体、涂料、粘合剂等，在轨道交通的减振、防水、灌封等方面有着广泛的应用。目前聚氨酯在高速铁路中应用主要包括：无砟轨道灌封填充，道砟胶，弹性垫板，防水涂料，弹性轨枕，调高支架。

2.4.1 合成弹性轨枕

传统的轨枕是用上等木材制成的，有易朽坏，维修费用高的缺点，目前使用的水泥轨枕刚性大，列车运行时振动大，寻求一种高强度、高弹性，使用寿命大的轨枕是铁路业界的追求。玻纤增强的硬质聚氨酯微孔弹性体，是一种以玻璃长纤维和硬质聚氨酯材料为主要成分，成型板压缩粘结制造的产品。与其它材料相比，该材料具备强度大、减震、降噪、耐电气绝缘、耐腐蚀和环保等优良性能，且使用寿命长，可达50年以上，更换频率低，可降低周期成本。产品在狭窄的隧道空间内灵活安装，可以极大减少安装工作量，并且该合成轨枕重量轻，其重量仅为混凝土的1/3，其废品经粉碎加压后仍可循环利用，制成新的再循环利用产品。

日本和西欧已进行该领域的研究和应用，此种枕木在日本使用25年，用量达300万根，日本产的这种枕木已用于广州、上海和台湾地区，此种聚氨酯枕木也应用在奥地利维也纳地铁上。拜耳公司的Bayflex品牌的微孔聚氨酯弹性枕木，将来可能用于我国高铁建设。

图7 复合轨枕

当前国内企业开发出轨道交通用一体成型树脂合成轨枕，该合成轨枕是一种由连续玻璃纤维增强聚氨酯硬泡成型的复合材料，拥有涵盖配方、结构、设备、工艺在内的多项独立自主的知识产权，在国际范围内首次实现最大厚度300mm一次成型，彻底解决了合成轨枕在疲劳载荷下粘接开裂的问题，消除了列车运行的安全隐患。该公司合成的一体成型合成轨枕与传统的木枕和混凝土枕相比，具有轻质高强、耐腐蚀、疲劳性好、寿命长、绝缘性好等诸多优点，也解决了传统合成轨枕存在的道钉抗拔性能差、道钉易松弛、树脂和纤维浸润不均匀、轨枕本体局部开裂、连接部位易出现磨损等弊端，在国内外铁路、城市轨道交通线路中得到了广泛的应用。

2.4.2 弹性垫板

高速铁路的钢轨和混凝土轨枕之间在列车运行时产生振动，引起噪音，这时需要使用弹性垫板，以降低振动和噪音，并提高道轨的使用寿命。国内轨道交通线路减振垫板主体材料多采用三元乙丙橡胶，丁苯橡胶、天然橡胶等，使用这些材料制成的垫板，在低湿的条件下，刚性达，弹性差，降低了列车运行安全性，增加了列车脱轨的危险性。与前述材料相比，聚氨酯微孔弹性体的力学性能优异，耐油和耐疲劳性好。在低温时，该种材料的仍能保持强度高、韧性好的特性，在高应变条件下，压缩压力传递均匀平稳。该种材料另一个最大优点是具有耐冲击力可广泛用于制造防振缓冲产品，因此在高铁和城市轨道交通中广泛应用。据报道，这种微孔弹性垫片已用于日本新干线、韩国高速铁路、德国高速铁路以及上海地铁。此种材料减振效果较好，可以提高了列车在高速运行中的安全系数，大大降低了噪音对人们的危害。我国武广、郑西客运专线已试用聚氨酯微孔弹性垫片，效果较好。

图8 聚氨酯微孔弹性垫板

轨道交通材料的主要防火功能是指当轨道交通发生火灾时，车体或轨道上所使用的材料能够有效降低火势，控制蔓延的效果，使得车辆和人员的损失能降到最低。

我国目前没有对于轨道交通中防火材料的应用具体标准，主要是参考西方国家对于乘客人身安全的考虑，按照发生火灾时对乘客人身安全的危害等级进行划分，特别是对轨道交通这种大载客量的设施更为重要。火灾中，大多数人员伤亡主要是因为燃烧浓烟，对于材料的烟密度和毒性气体，我国颁布的TB/T3138-2006《机车车辆阻燃材料技术条件》中进行了规定，但是我国在具体的实践过程中仍然存在诸多挑战。对于新型环保防火材料的研发和产业化，科研界和产业界都在孜孜不倦的投入，未来阻燃材料或阻燃剂发展的方向也必然低烟、低毒及多功能等。下面介绍几种新型环保防火材料在轨道交通中的应用。

3.1 聚碳酸酯板

由聚氨酸酯为主要原料制成的吸塑成型内饰板在轨交行业运用越来越广泛。聚氨酸酯板常用缩写PC板，它是一种无定型、环保的热塑性工程材料，具有良好的物理机械性能，以及耐热性和耐低温性，能在-60℃-120℃温度区间内保持稳定的力学性能和尺寸稳定性。无明显熔点，在220-230℃呈熔融状态；吸水率下，收缩率小，保证了内饰板部件长期使用的稳定性。它作为真空吸塑成型工艺继续产品制作，从上世纪40年代延续到当代。随着真空吸塑成型工艺及设备的不断创新，以及具有吸塑成型性能PC板材的开发及提高，其在轨道交通内饰的应用越来越广泛，采用PC板进行真空吸塑成型工艺的项目也逐渐增多，整合了PC板材料的韧性及机械性能，主要应用部件包括内装部件的侧顶板、中顶板、座椅、门立柱罩板、侧墙板等等。

图9 聚氨酸酯轨交行业案例

3.2 环氧树脂

轨道交通常用的普通热固性树脂主要由不饱和聚酯树脂、酚醛树脂和环氧树脂三大常见树脂。图表2-14列出了三种热固性树脂的特点。图表2-15比较着三种材料的力学性能。轨道交通用的树脂体系不同于普通的热固性树脂体系，它具有一定阻燃要求，最初的阻燃型树脂主要是不燃或难燃。但是实践中，大多数火灾事故中的死者是由毒烟熏至窒息而死，所以制定了烟、火、毒等保护措施和条款来界定热固性复合材料作为轨道交通使用材料的安全系数。

表2 轨交常用热固性树脂的特点 

4.1 刹车片新材料

制动系统是高速列车动车组九大关键技术之一，制动性能的好坏将直接影响列车的行车安全及运行品质。制动闸片要求具有制动平稳、高抗粘着性、高强韧性、高耐磨性、热物理性能优异、结构可靠、噪音小等特性。根据列车的运行速度和设计要求，目前在应用的闸片材料主要有铸铁闸片、树脂基材料闸片和粉末冶金闸片三大类。由于制动闸片和制动盘是易损部件，需要定期更换，具有巨大的市场需求，因此，制动闸片已成为各工业国家及有关公司激烈竞争的高技术领域。

图10 制动闸片

随着列车高速化，制动负荷也会越来越大，制动时产生的热能及热冲击也大大增加，对制动闸片和制动盘的性能要求也越来越高。为了满足未来高铁制动技术要求，目前国内外科研工作者都在努力研制开发高性能制动闸片材料，以满足市场要求。其中 C/C复合材料是近几年开发出来的新型制动材料，是一种碳纤维增强、以碳为基体的新型结构材料，它具有质量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸震性好等一系列的优良性能，C/C 复合材料的这些独特性能使之能同时完成摩擦副的三项功能，即提高摩擦、传递机械载荷、吸收动能.C/C复合材料与其他制动材料特性对比见表3。

表3 列车制动材料的相对特性指标

C/C 复合材料制动闸片由于成本高，目前主要用于飞机制动器，但是随着近年来高速铁路的发展，国内外科技工作者开始研制开发用于高速铁路的碳陶复合材料摩擦副。碳陶复合材料是一种国际上重点开发的摩擦副材料，我国已有企业取得了不错的进步，突破了碳陶制动盘面临的制造成本高、结构可靠性低、紧固连接困难等诸多问题。未来具有巨大的市场前景。

铁路的不断发展势必会对其制动装置中摩擦材料的性能提出更高的要求，行驶速度的提升要求摩擦材料能够在较宽的速度、温度范围内具有稳定的摩擦性能。国内外对此进行了广泛的研究，从铸铁摩擦材料、合成摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、C/C 复合摩擦材料到碳陶复合材料，其中优良导热性、稳定摩擦系数、耐高温抗冲击、耐磨减磨、质量轻便是制动闸片的重要发展方向，是抢占未来发展制高点的重点。

研报大纲：

1.轨道交通领域：动车组新增需求、维修市场和海外拓展三者共同驱动景气向上

2. 工业与工程：“城市群”打开轨交减振降噪行业成长空间

3.车辆、路线和桥梁减振降噪和车体轻量化

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