报告摘要

n中国铁路营业里程达 13.9万公里以上，同比增长 6.11%，呈现逐年递增趋势。目前我国已是高铁大国，长期来看，“八纵八横”的中长期高铁网建设规划完成率不足60%，我国高铁发展空间依然足够大，远期还有近 2 万公里的通车目标。n城轨领域发展迅速，已开通里程接近7000公里，但相比于欧美国家，我国人均地铁拥有量还比较低，一线城市人口运营密度比较高。目前已开通城轨的城市达到40余个。随着发改委规划和批复，未来城市轨道交通建设依然处于中高速成长阶段。n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，我们的轨道交通装备行业发展迅速，更新换代的速度越来越快。新材料推动着轨道交通行业向轻量化、平台化、智能化、绿色化方向发展。n新材料如铝合金、先进复合材料、聚氨酯材料等在轨道交通车辆结构、车辆内饰、路基建设方面都有较大的应用前景和拓展空间。

近年来，我国轨道交通行业发展迅速，从2004年高铁技术引进和启动以来，中国轨道交通得到长足发展。以市场换技术的同时进行战略性开发研究，完成了对于高端制造技术的“引进、消化、吸收、再创新”的过程。《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》和《中国制造2025》明确提出，轨道交通装备产业要持续以智能、绿色、轻量为目标，坚持系列、标准、平台化发展，加快新材料、新技术和新工艺的应用，重点突破体系化安全保障、节能环保、数字化智能化网络化技术围绕系统全寿命周期，向用户提供整体解决方案，建立世界领先的现代轨道交通产业体系。“安全可靠、高效便捷、绿色环保、经济舒适”是轨道交通装备未来的主要发展趋势，各种新材料、新技术、新工艺的应用为轨道交通装备的升级换代提供有力支撑。

其中材料是制造业的基础，而新材料的研发和应用为轨道交通行业绿色化、轻量化、智能化的发展提供强有力的支撑。本文将对轨道交通行业涉及到的几类材料进行分别阐述。

轨道交通行业发展现状

铁路行业

据中国国家铁路集团公司在2019年12月23日公布的数据显示，截至 2019 年末，中国铁路营业里程达 13.9万公里以上，同比增长 6.11%，呈现逐年递增趋势，其中高铁里程达到3.5万公里，稳居世界第一。全国铁路路网密度144.79公里/万平方公里，比上年增加 7.89 公里/万平方公里。“十二五”期间，铁路完成固定资产投资 3.58 万亿元、新线投产3.05 万公里，较“十一五”期间分别增长 47%、109%，投资规模和投产规模达到历史高位。2018 年我国铁路固定资产投资总额达到 8,029 亿元，自2014年我国铁路固定资产投资总额超过 8,000 亿元以来，已连续六年保持 8,000 亿元以上投资规模。

图表1-1：2011-2019年中国铁路运营里程

图1-2：2011年-2019年中国铁路固定资产投资

“十三五”时期，我国交通运输发展正处于支撑全面建成小康社会的攻坚期、优化网络布局的关键期、提质增效升级的转型期，将进入现代化建设新阶段。铁路建设作为交通运输建设的重要组成部分，在未来具有巨大的增长潜力。根据《中长期铁路网规划（2016-2030）》及《铁路“十三五”发展规划》，到 2020 年，一批重大标志性项目建成投产，铁路网规模达到15万公里，其中高速铁路3万公里，覆盖 80%以上的大城市；到2025年，铁路网规模达到17.5万公里左右，其中高速铁路3.8万公里左右；展望到2030年，基本实现内外互联互通、区际多路畅通、省会高铁连通、地市快速通达、县域基本覆盖。远期铁路网规模将达到20万公里左右，其中高速铁路 4.5万公里左右。另外，2020年前我国在国外规划高铁项目中将承建约1.6万km。

图表1-3：我国“十三五”规划铁路建设目标

图表1-4：我国中长期铁路建设目标示意图

数据来源：《铁路“十三五”发展规划》、《中长期铁路网规划（2016-2030）》

城市轨道交通行业

城市轨道交通是现代城市交通系统的重要组成部分，也是城市公共交通系统的骨干。近年来，城市规模的不断扩大给城市轨道交通行业注入动力，部分大型城市相继建成了一批项目，使城市交通状况有了明显改善，对充分发挥城市功能、改善环境、促进经济和社会发展起到了重要作用，我国城市轨道交通行业也迎来了高速发展时期。

中国城市轨道交通协会2020年1月1日发布统计，2019年中国内地新增城轨运营线路长度共计968.77公里，创历史新高。中国内地城轨2018年新增运营里程为728.7公里，2017年新增里程880公里，2016年新增534.8公里；而在“十二五”（2011-2015）期间，累计新投运线路2019公里，平均每年约400公里。2019年新增的近千公里线路，大幅超过近十年的年增量。

截至2019年12月31日，中国内地累计有40个城市开通城轨交通运营线路6730.27km。城市轨道交通包括地铁、轻轨、单轨、市域快轨、有轨电车、磁浮交通等多种制式，其中地铁占比最高，达到77.07%，其次是市域快轨10.63%，现代有轨电车6.03%。其中以A、B型车为主，L和C型车相对占比比较少。

图表1-5：历年内地城轨新增里程

截止2019年12月27日，国家发改委共批复了12个轨道交通重大建设规划项目，总投资额约10,202.98亿元，里程合计4,574.57公里。其中城市轨道交通建设项目总计4个，共涉及30条城轨线路，总里程684.82公里，车站数365座，投资总额4,926.07亿元；铁路建设项目总计7个，共涉及9条城轨线路，总里程2,303.15公里，车站数69座，投资总额3,976.91亿元；另外国家发改委今年还发布了2019-2020年127个铁路专用线重点项目，预计投资金额为1,300亿元。

对比欧美发达国家，我国的城市轨道交通的人均拥有量依然比较低，例如2019年人均地铁拥有量北京为0.314km/万人，上海0.277km/万人，而纽约约为0.48km/万人，伦敦0.46km/万人，汉堡0.52km/万人。同时国内日均客流量超过百万人次的地铁线大约30条，随着地铁客流强度逐年增加和发车间隔的逐渐缩短，印证了城市轨道的加密需求的不断扩张。所以综上分析，我们认为大型城市的线路密化需求仍较强，并会进一步推进城轨的发展。

图表1-6：2019年前十名客流量突破百万人次的地铁线

图表1-7：28个中心城市城市轨道运营情况

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，我们的轨道交通装备行业发展迅速，更新换代的速度越来越快。特别是近年来各种新材料在轨交行业的试验和应用，推动轨交行业的快速发展。同时，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。但材料本身的开发、设计、应用的难度众所皆知。我国在新材料行业投入巨大的物力人力，在产业规模、技术水平、发展机制等方面取得了巨大的进步，但依旧存在创新能力不足，研发与应用存在脱节，产品性能与价格无法匹配，科研转化效果一般等无法回避的问题。

伴随着生活水平和节奏的提高，人们对交通工具的内部环境、舒适性及营运速度提出了更高的要求，而轨道交通涉及的材料范围广、需求大、标准高、准入门槛严等。目前复合材料在轨交行业的应用不到10%，且关键材料基本都依赖国外技术。国内主要通过与国外成立合资公司或者代理模式进入轨交装备制造行业。由于在技术储备、研发平台、检测检验及产业化应用等方面缺乏有效的机制，所以国内企业比较难进入该领域。虽然面临着诸多挑战，但目前国内企业在新材料的研发应用依然投入巨大，我们坚信未来国内也一定会诞生伟大的公司。基于轨道交通涉及的材料种类较多，本文将对材料进行简单的分类，涉及的材料包括轻量化材料、绿色环保材料、减振降噪材料、防火阻燃材料及关键零部件材料等。

轻量化材料

随着轨道交通技术的发展，其对材料的轻量化需求也愈加显著。轻量化对于车辆减重、提速、降噪、降低能源消耗具有重要的意义。通过轻量化结构设计、新材料的替换以及材料工艺技术的进步，可有效提升装备的轻量化水平。目前，国内外轨道交通车辆的车体材料包括耐候钢（或低合金）高强度钢、铝合金、不锈钢等，但也逐步以新型轻量化材料-铝合金和不锈钢替代碳钢和低合金钢，这两种轻量化材料在动车组、城轨车车体结构上已得到广泛应用。通常，耐腐蚀的不锈钢车体结构更适合海洋性气候的沿海地区和高原地区；车体底架主要部件（例如，牵引梁、枕梁、缓冲梁等）通常采用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采用耐候钢、低合金高强度钢，其余承载部分采用SUS301L系列奥氏不锈钢。不同系列动车组的车体结构材质和重量对比见图表2-1。

图表2-1：不同系列动车组的车体结构材质和重量对比

近年来，轨道车辆车体选材的重要指标是轻量化和安全性，不同材料密度和抗拉强度如图表2-2所示。

图表2-2：不同材料物理性能对比

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。根据《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》（GB/T32182-2015）标准，铝合金分为9个系列，车体结构主要采用5000（AI-Mg）、6000（AI-Mg-Si）和7000系列（AI-Zn-Mg），主要采用5083、6005、6008、6063、6082和7020等牌号。德国ICE主要采用6005和5083；日本主要采用6N01、7N01和7003等；英国主要采用6005、6082、5083等；法国主要采用5754等。

1.1铝合金材料

由于铝型材具有质量轻、强度高、耐腐蚀性能好等突出优点，使得其在轨道交通领域的应用非常广泛。在轨道车辆上，铝合金主要用作车体结构，在铝合金车体上型材约占总重的70%，板材约占27%，铸、锻件约占3%左右。在适应车身轻量化方面，铝合金的相对体积质量约为普通钢的1/3。铝合金车体的自重一般可达到普通钢车体的1/2。在强度方面，优质铝合金的抗拉强度大于480MPa，完全能符合高铁列车车厢的强度标准。在塑性方面，相比合金钢铝合金的塑性优势更加明显，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性。因此在列车上使用铝型材代替钢材具有突出的优点，可以大幅降低车身重量，提升运行速度和运输效率，满足节能减排要求，同时也使得列车在密封性、抗腐蚀性等方面性能有所提升。

在高铁领域，运行速度大于250km/h的列车必须采用铝合金车体，大于350km/h的列车车厢除底盘外全部使用铝型材。用于高铁车厢的多是6000系列铝合金，其合金是镁和硅两种元素，是一种铝镁硅合金。我国五种铁路客运专线动车组CRH1，CHR2，CRH3、CRH5和CRh380A/B/C当中，除CRH1为不锈钢/低碳钢材质外，其余四种车体均为大型中空铝合金材质，所以我国目前90%以上的高铁车辆都采用了铝合金车体，平均一辆高铁车厢使用铝型材约为6.5吨。

图表2-3:动车组外型图

在地铁、轻轨、市域快轨等领域，50%以上的列车均使用铝合金车体，见图表2-4。主要可以应用在车身（车顶、侧壁、端壁、地板）、配件（包括空调部件、水箱、结构板、仪器机架、空气散流器、列车门、上落踏板等）、装饰件（座椅骨架及部件、行李架、通风格栅）等处，平均每辆车使用铝型材约为4.5吨。在有轨电车领域，和其他领域类似，铝型材取代不锈钢是发展的趋势，预计未来几年新增有轨电车中60%以上均为铝型材车体。一列有轨电车大概3-5辆车组成，每辆车大约重6吨，平均用铝型材4.5吨。

图表2-4：成都地铁5号线A型铝合金车体

我国的轨道交通不仅致力于实现国产化，也积极进军海外市场。同时我国轨道交通建设未来发展还有一定潜力，对铝合金车辆和车体铝型材的需求还有一定空间。目前国内主要的铝型材生产企业包括辽宁忠旺、麦达斯、丛林铝业、利源精制等。

图表2-5：轨交行业铝合金需求测算

当然对于车辆轻量化来讲，仅考虑车体显然是不够的，因为车体的重量在整车中所占的比例仅占15%-30%左右，大部分质量集中再转向架上，而转向架的质量又主要取决于牵引电机、轮对、构架和制动系统。在国外，具有代表性的高速动车组如日本的新干线系列、德国的ICE系列、法国TGV系列等，已普遍采用高强度铝合金制造的传

动齿轮箱、空气弹簧托座、转向架枕梁、轴向体、电机端盖等。

1.2 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。

图表2-5：复合材料的应用示列

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。

1.2.1 玻璃纤维

新型玻璃钢材料比传统金属材料密度更低，是钢材的1/4-1/5，铝合金材料的2/3，其力学性能高于传统金属材料，并且具备良好的阻燃、隔音性能，得以在轨道交通应用中普及，并迅速发展。

司机室头罩一般采用整体式非饱和聚酯玻璃钢材料的泡沫夹芯结构，与车体采用胶结方式连接。国内地铁客座椅面通常采用不饱和聚酯或酚醛树脂。对比酚醛树脂玻璃钢和不饱和聚酯玻璃钢，可知酚醛树脂玻璃钢优于前者。

接触网牵引网系统是传统的供电牵引模式，中国北京、武汉、台湾和新加坡等国家和地区也采用了该模式。玻璃钢接触轨防护罩也已经成熟，中材科技膜材料高速研制的城市轨道交通用玻璃钢接触轨防护罩产品性能满足冲击强度≥700J/m，弯曲强度≥350MPa，电击穿强度≥5.5kV/mm，并具备良好的耐燃性。国内地铁还广泛应用玻璃钢材料制作门立柱罩，司机操纵台、客室侧墙板、受流器等零部件。

加拿大庞巴迪公司实现用玻纤代替不锈钢制作高速列车主承载结构—车体，质量降低30%以上，极大地节约了运营能耗，节能效果良好。美国在弗罗里达州的单轨列车上采用碳纤维/玻璃纤维增强树脂基复合材料、蜂窝材料等研制的全复合材料列车车体，质量比铝合金结构减轻40%，并已经实现批量生产和运营。

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，见图表2-6。

图表2-6：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”。

图表2-7：新一代碳纤维地铁车辆“CETROVO”

尽管全球轨道交通行业在利用先进复合材料进行轻量化研究方面做出了很大的努力，但是碳纤维等先进复合材料的应用与推广，仍然受到了很大的限制。从发展现状可以看出，碳纤维等先进复合材料在轨道交通领域的应用还存在很大问题：研发处于早期阶段，技术发展比较慢，工艺成本高，成本高、研制周期长，效率低，共性技术研究严重不足，量产率低，未形成统一研制流程规范，缺乏统一的产品平台，资源共享不足。

1.3 镁合金材料

镁合金是将其他元素加入金属镁基而形成的合金。镁（Mg）的密度为1.8g/cm3，是铝（Al）的2/3，只有铁（Fe）的1/4，是使用金属中密度最小的。同时，Mg具有较高的比强度、弹性模量，并且导热性好，制成镁合金后，相比铝合金等，镁合金抵抗振动和降低噪声能力也十分优异。同时镁合金具备良好的机械加工和铸造性能。镁合金的切削阻力较小，是加工难度非常小的合金材料。并且切削后表面光洁不需后期加工。镁合金压铸件的尺寸较铝合金提高25%的加工精度，加工能耗降低50%。

镁合金已经出现在国外高速列车的很多场合。德国西门子公司的ICE高速列车和法国TGV Duplex双层高铁列车均采用镁合金制作了座椅。其中，法国TGV Duplex列车共制作了4.5万个座椅，并且制作了小桌板、扶手、踏板和座椅的侧面等零部件。相比传统的铝合金座椅，每个双人座椅的质量减小了6kg，占总质量的1/5。日本新干线N700系类高速列车的座椅和支架、靠背和扶手、地垫、底座等都已经使用镁合金制造。由于镁合金相对铝合金成本相当，列车运行时能耗得到降低，综合来说总体上降低了列车的运行成本。韩国KTX特快列车座椅在过去使用玻璃钢和铝合金作为材料。在使用了镁合金板材零件后，单个座椅相比之前质量降低了5kg，同时还减少了8%～10%的材料成本。

我国轨道交通装备的镁合金应用也正在迅速推进。当前镁合金在国内主要应用在空调通风口格栅、车窗防护栏杆、座椅和地板、卧铺床架和支架、行李架边框、内部仪表盘框架等零部件。轨道交通装备上常用的镁合金型号包括AZ31B、AZ61A、AZ91D、ZK60、AM60B等。镁合金零部件的承重能力需求越来越大，已经开始制造主要承重部件。因此，未来镁合金开发的一大重要方向就是开发高强高韧、耐疲劳和减震铁道车辆零部件。

图表2-7：镁合金应用案例

尽管镁合金有许多其他材料不具备的优势，但由于镁合金的化学结构和现阶段工艺技术条件，限制了镁合金的大规模应用。目前成都天智轻量化科技有限公司、山东华盛荣镁业、云海金属及宝钢股份等企业都积极的研究镁合金在轨交行业的应用。

1.4铝峰窝板

铝峰窝板作为重要的轻量化材料广泛应用于航空制造业，在国外的轨道车辆上也早有应用，其用途相当广泛，如法国TGV系列、意大利ETR系列高速列车。国内也仅在最近几年才开始使用铝峰窝板，虽然取得了一定的结果，其应用范围还很有限。行业类公司主要欧Hexcel，广东佛山市利铭蜂窝复合材料有限公司，上海丰丽等。

蜂窝板材通常由上下面板和蜂窝芯材组成。由于蜂窝芯材密度极小(约只有同厚度材料的1/10),重量轻、刚度大，而且具有优良的隔音、隔热性能，故在高速列车的内装结构上得到广泛的应用，如用于地板、顶板、间壁、设备舱底板、舱门等。由于用不同材料制造，蜂窝分铝蜂窝、芳纶蜂窝、玻璃钢蜂窝、碳纤维防外窝等。有时面材和芯材也用不同材料，为复合蜂窝，例如，飞机地板就采用单向碳纤维面板、芳纶蜂窝芯的复合蜂窝板，其强度、刚度和抗冲击能力极好。在蜂窝的装饰面可用粘贴、真空吸附等方法覆装饰膜，装饰效果很好。

在国内，铝峰窝板最早的应用是制造25A型软卧客车的包间间壁，由于当时对制造技术掌握的不到位，应用效果不是十分理想。后来在动车组开发过程中又进一步加强了铝蜂窝板材料的开发研究和产业化。但是真正使铝蜂窝板的应用取得突破性进展的还是CRH系列动车组。

随着CRH系列动车组国产化进程的不断深化，国内对铝蜂窝板加工成型技术有了较高的提升。但是铝蜂窝板的规模应用方面还有诸多挑战，比如还应该对铝蜂窝板的特性与适用性、应用涉及方法、制造工艺性和具体的制造方法和手段进一步加强研究，真正掌握铝峰窝板的特性和应用设备方法，以进一步扩大铝蜂窝板的应用范围，促进轨道交通进一步的轻量化。

图表2-8：蜂窝材料与传统材料重量比较