沈真

1 國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的下一個(gè)工業(yè)領(lǐng)域

目前，業(yè)界關(guān)注的國(guó)產(chǎn)碳纖維大量應(yīng)用的工業(yè)領(lǐng)域主要是：風(fēng)電葉片、以氫燃料儲(chǔ)氣罐為主的高壓壓力容器、汽車(chē)和軌道交通車(chē)輛。風(fēng)電葉片目前已然成為超過(guò)民航碳纖維用量的新的碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)碳纖維如何開(kāi)拓在風(fēng)電葉片領(lǐng)域的應(yīng)用將另文討論。壓力容器大量使用碳纖維的關(guān)鍵是碳纖維性能的一致性和穩(wěn)定性，同樣碳纖維價(jià)格也是另一個(gè)制約的要素，相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)件，碳纖維價(jià)格在制品中的占比要高得多，工藝創(chuàng)新有助于降低制件成本，但潛力比其他工業(yè)領(lǐng)域要小。此外碳纖維纏繞壓力容器只是氫燃料罐的組成部分，其價(jià)格只是部分取決于碳纖維價(jià)格，碳纖維纏繞氫燃料儲(chǔ)氣罐的大量應(yīng)用還與其他很多因素有關(guān)，例如加氫站的設(shè)置等。汽車(chē)領(lǐng)域是碳纖維界熱議最多的領(lǐng)域，也是有可能用量多達(dá)幾十萬(wàn)噸的工業(yè)領(lǐng)域，但在量產(chǎn)上有待于設(shè)計(jì)、材料、成型制造工藝及回收技術(shù)的進(jìn)展，近期恐難突破。碳纖維在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用則是由中國(guó)國(guó)情決定的，其用量達(dá)幾萬(wàn)噸是可以預(yù)期的。

由于碳纖維復(fù)合材料高端應(yīng)用首先在航空航天領(lǐng)域，現(xiàn)有的先進(jìn)復(fù)合材料（不同于玻璃鋼）技術(shù)（材料、設(shè)計(jì)、成型工藝、裝配制造及維護(hù)等，以CMH—17《復(fù)合材料手冊(cè)》為代表）主要是基于航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)總結(jié)，因此將碳纖維復(fù)合材料在其他工業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用難易也取決于與航空航天領(lǐng)域應(yīng)用環(huán)境的差異程度（實(shí)際上風(fēng)電葉片的很多設(shè)計(jì)理念來(lái)源于直升機(jī)旋翼槳葉）。節(jié)能減排是當(dāng)前世界各國(guó)發(fā)展的要求，結(jié)構(gòu)輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效措施之一，碳纖維復(fù)合材料又是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的首選材料，從而在交通運(yùn)輸行業(yè)的推廣應(yīng)用碳纖維是國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化首先必須關(guān)注的工業(yè)領(lǐng)域。表1是筆者對(duì)碳纖維在交通運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)的比較，具體包括民航、軌道交通車(chē)輛（包括公交車(chē)輛）和量產(chǎn)汽車(chē)3個(gè)領(lǐng)域。

可以看出，與量產(chǎn)汽車(chē)行業(yè)相比，在中國(guó)軌道交通車(chē)輛結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有可能是首先大量使用國(guó)產(chǎn)碳纖維的工業(yè)領(lǐng)域（當(dāng)然必須由中車(chē)集團(tuán)引導(dǎo)）。筆者的判斷是：①軌道交通車(chē)輛（包括公交車(chē)輛）有可能是繼風(fēng)電葉片后，（在中國(guó)）先于汽車(chē)行業(yè)大量使用碳纖維復(fù)合材料的另一工業(yè)領(lǐng)域；②在中國(guó)，軌道交通車(chē)輛可能是國(guó)產(chǎn)碳纖維實(shí)現(xiàn)其價(jià)值得到大規(guī)模應(yīng)用的首個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。

2 軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化之路

筆者從2011年起開(kāi)始關(guān)注碳纖維復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用，多年來(lái)在江蘇恒神股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“恒神”）參與了多個(gè)國(guó)產(chǎn)軌道交通車(chē)輛碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研制和評(píng)審，對(duì)如何實(shí)現(xiàn)軌道交通車(chē)輛碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用有一些體會(huì)。

軌道交通行業(yè)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化之路可借鑒民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)化之路的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。圖1給出了民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。圖1中飛機(jī)能效（ACEE）、先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)（ACT）、亞聲速飛機(jī)技術(shù)（AST）、低成本復(fù)合材料（CAI）、應(yīng)用技術(shù)近期（目標(biāo)TANGO）和先進(jìn)低成本機(jī)體結(jié)構(gòu)（ALCAS）是美國(guó)和歐洲在近40年里贊助的推動(dòng)碳纖維復(fù)合材料在民機(jī)結(jié)構(gòu)中大量應(yīng)用的研究計(jì)劃，這些計(jì)劃主要解決產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中遇到的信心（安全）、技術(shù)、成本3個(gè)難題，其中最關(guān)鍵的是成本，所以“買(mǎi)得起（affordability）”構(gòu)成了這些計(jì)劃的核心和目標(biāo)?？梢钥闯?，碳纖維產(chǎn)品在民機(jī)上的應(yīng)用經(jīng)歷了3個(gè)階段，先是非承力構(gòu)件，然后是次承力構(gòu)件，最后是主承力構(gòu)件。直至20世紀(jì)初以波音787和空客350碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分別占結(jié)構(gòu)總重的50%和52%為標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)了民機(jī)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)。時(shí)至今日，波音和空客公司仍在持續(xù)追求進(jìn)一步降低成本的復(fù)合材料技術(shù)。當(dāng)然軌道交通碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)化之路相對(duì)來(lái)說(shuō)應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比民航應(yīng)用要快，用不了30年。

根據(jù)軌道交通行業(yè)的特點(diǎn)，筆者設(shè)想了軌道交通行業(yè)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)化之路，如圖2和圖3所示。其中，非承力件如裙板等，車(chē)體結(jié)構(gòu)包括設(shè)備艙、車(chē)頭罩、全尺寸車(chē)廂等，主承力件包括枕梁、轉(zhuǎn)向架等。目前大家的關(guān)注點(diǎn)主要集中在軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研制，即首先解決信心（安全性）和技術(shù)，成本暫時(shí)放在次要地位，迄今已取得顯著的成績(jī)，比較吸人眼球的成果如青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司和中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“長(zhǎng)客”）的全碳纖維地鐵車(chē)體，長(zhǎng)客的有軌電車(chē)車(chē)體、長(zhǎng)客的枕梁和四方的轉(zhuǎn)向架等。在初始階段這種策略是正確的，軌道交通行業(yè)已對(duì)碳纖維復(fù)合材料的認(rèn)識(shí)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。根據(jù)筆者的體會(huì)，復(fù)合材料界與軌道交通行業(yè)技術(shù)與管理人員的溝通已漸入佳境，為軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)化提供了基礎(chǔ)。

當(dāng)前，碳纖維在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用所面臨的主要問(wèn)題有如下幾點(diǎn)：使碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制件低成本化，總結(jié)研制階段獲得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，制訂軌道交通行業(yè)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)所需的材料、設(shè)計(jì)、成型、制造規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的管理文件。目前，民航飛機(jī)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是由歐美制訂的適航條例，中國(guó)缺乏經(jīng)驗(yàn)只能遵照?qǐng)?zhí)行；而中國(guó)軌道交通車(chē)輛的設(shè)計(jì)、制造和使用量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了歐美等其他先進(jìn)制造大國(guó)，取得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)是其他國(guó)家無(wú)法獲得的，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范就是設(shè)計(jì)、制造和使用的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)總結(jié)，如果好好總結(jié)、提高，就可以制定出領(lǐng)先于其他國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（起碼可以根據(jù)中國(guó)的實(shí)踐，增加若干體現(xiàn)中國(guó)特色的條款），何至于在國(guó)際上招標(biāo)還要執(zhí)行歐標(biāo)。俗話(huà)說(shuō)，“一流企業(yè)做標(biāo)準(zhǔn)，二流企業(yè)做品牌，三流企業(yè)做產(chǎn)”，中車(chē)集團(tuán)應(yīng)該在世界上是軌道交通領(lǐng)域的一流企業(yè)，但沒(méi)有中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)就配不上一流企業(yè)的稱(chēng)謂。

軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化切忌大躍進(jìn)。低成本化之路是一條艱辛之路，需要由主機(jī)廠牽頭將復(fù)合材料原材料生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成型工藝、結(jié)構(gòu)制造、設(shè)備制造等廠商（團(tuán)隊(duì)）等組成緊密配合的工作隊(duì)，按研發(fā)→低成本化→批量化生產(chǎn)的路線，朝著實(shí)現(xiàn)軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)全壽命成本（制造成本+使用成本+維護(hù)成本+回收成本）、優(yōu)于金屬結(jié)構(gòu)方向努力。在不太長(zhǎng)的時(shí)間里，可以實(shí)現(xiàn)軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)碳纖維在軌道交通行業(yè)大批量應(yīng)用，到那時(shí)，幾萬(wàn)噸碳纖維的年需量絕不會(huì)是夢(mèng)。

復(fù)合材料界經(jīng)常說(shuō)，設(shè)計(jì)是龍頭、材料是基礎(chǔ)、制造是關(guān)鍵、應(yīng)用是目的、維護(hù)是保障，其中低成本化突破的關(guān)鍵首先是設(shè)計(jì)。回顧碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵就是VESTAS在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路上的突破，軌道交通行業(yè)碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的突破也必須首先在設(shè)計(jì)理念上的突破，既要繼承航空航天的碳纖維復(fù)合材料技術(shù)，又必須跳出航空航天固定思維的理念，才可能實(shí)現(xiàn)。同時(shí)很多研發(fā)人員往往忽視應(yīng)用是目的，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中沒(méi)有始終把批量生產(chǎn)作為目標(biāo)，當(dāng)下我國(guó)科研項(xiàng)目成果頗豐，但實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的很少，原因之一就是我國(guó)很多科研項(xiàng)目在制訂時(shí)沒(méi)有明確的產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)。

目前從事軌道交通碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研發(fā)人員來(lái)源于各種不同的行業(yè)，表2列出了他們各自的優(yōu)點(diǎn)和弱點(diǎn)，因此這些研發(fā)人員要對(duì)此有所認(rèn)識(shí)，發(fā)揚(yáng)優(yōu)點(diǎn)、克服自身的弱點(diǎn)，才有可能在軌道交通碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中進(jìn)行創(chuàng)新。表中提及的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的精細(xì)設(shè)計(jì)與制造主要源于碳纖維復(fù)合材料是一種高成本的材料，其用途主要是追求輕量化、對(duì)安全性要求極高的結(jié)構(gòu)，勢(shì)必需要對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造做到精細(xì)化，才能充分利用材料的優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)為：對(duì)材料性能測(cè)試盡可能準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全裕度在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)完整性要求的前提下盡可能小，在主承力0°方向纖維盡可能多，碳纖維在復(fù)合材料中所占的比例盡可能高，制件中的缺陷盡可能少等等。

總之，在前期已開(kāi)展大量預(yù)研的基礎(chǔ)上，當(dāng)前軌道交通碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制應(yīng)轉(zhuǎn)向下列重點(diǎn)：①建立軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適用的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和手冊(cè)；②以軌道交通車(chē)輛制造商牽頭，組成包括原材料供應(yīng)商、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)、設(shè)備供應(yīng)商、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠等緊密結(jié)合的全產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)盟；③集中精力開(kāi)發(fā)具有產(chǎn)業(yè)化前景的結(jié)構(gòu)件（即買(mǎi)得起的復(fù)合材料軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件），首先著重對(duì)已有研發(fā)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)開(kāi)展低成本化研究，在取得階段性成果（即全壽命成本接近市場(chǎng)可接受水平）后進(jìn)行小批量生產(chǎn)和試運(yùn)行，同時(shí)開(kāi)展產(chǎn)業(yè)化研究，建立大批量生產(chǎn)的生產(chǎn)線。

3 軌道交通碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研發(fā)體會(huì)

如CMH—17《復(fù)合材料手冊(cè)》中指出的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研發(fā)特點(diǎn)：“并行工程，由設(shè)計(jì)師、應(yīng)力分析、材料和工藝、制造、質(zhì)量控制、后勤保障工程師（可靠性、維護(hù)性和生存性）以及成本估算師組成的團(tuán)隊(duì)聯(lián)合、并行地研制新產(chǎn)品或新系統(tǒng)，現(xiàn)已成為公認(rèn)的設(shè)計(jì)方法。”這里列出了筆者接觸到，目前軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研發(fā)中出現(xiàn)的一些問(wèn)題和今后的設(shè)想。

3.1 設(shè)計(jì)規(guī)范

結(jié)構(gòu)安全性的標(biāo)準(zhǔn)是滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)完整性要求，飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性的定義是：“影響飛機(jī)安全使用和成本費(fèi)用的機(jī)體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、損傷容限、耐久性和功能的總稱(chēng)?！本唧w體現(xiàn)就是飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度設(shè)計(jì)規(guī)范，該定義基本上適用于對(duì)安全性有較高要求的其他工業(yè)領(lǐng)域。各工業(yè)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)都必須按各自的強(qiáng)度剛度設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估，但只有少數(shù)工業(yè)領(lǐng)域的規(guī)范包含復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，如表3所示。其中航空領(lǐng)域的條款是針對(duì)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，而船舶和風(fēng)電葉片的規(guī)范主要是玻璃鋼應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，不一定適用于碳纖維復(fù)合材料，其他工業(yè)領(lǐng)域基本沒(méi)有復(fù)合材料的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有適用的的設(shè)計(jì)規(guī)范要求。目前多數(shù)軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師或者通過(guò)增加安全系數(shù)，或者是遵照玻璃鋼風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)際上這種設(shè)計(jì)方法存在很大的安全隱患。根據(jù)筆者對(duì)飛機(jī)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與使用及飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度設(shè)計(jì)規(guī)范編制過(guò)程中的體會(huì)，飛機(jī)規(guī)范中的下列要點(diǎn)應(yīng)適用于其他工業(yè)領(lǐng)域以桿板殼形式出現(xiàn)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，參見(jiàn)表4。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 整體化結(jié)構(gòu)與工藝成本的權(quán)衡

復(fù)合材料成型工藝的特點(diǎn)是適合于整體成型復(fù)雜形狀零件，可以減少裝配工作量和緊固件，但會(huì)增加模具的復(fù)雜性和加工成本，同時(shí)過(guò)分整體化給維修帶來(lái)隱患，必須適度。

3.2.2 充分利用復(fù)合材料鋪層的可設(shè)計(jì)性

很多缺乏碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師不會(huì)利用復(fù)合材料鋪層的可設(shè)計(jì)性，習(xí)慣于按準(zhǔn)各向同性材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，只是利用密度小的優(yōu)勢(shì)，往往達(dá)不到最佳的減重效果；此外，習(xí)慣于采用夾層結(jié)構(gòu)來(lái)提高結(jié)構(gòu)剛度，不習(xí)慣采用加筋結(jié)構(gòu)來(lái)滿(mǎn)足剛度要求。

3.2.3 創(chuàng)新的連接方法

連接一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無(wú)法采用金屬結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)連接方式，采用航空結(jié)構(gòu)的連接方式往往比較昂貴，如何在二者當(dāng)中取得平衡，可能必須采用創(chuàng)新的連接方式。

3.2.4 多種材料/多種工藝混用

有2個(gè)層次的混用，即組件結(jié)構(gòu)級(jí)和零件級(jí)。組件級(jí)中零件可以采用不同材料和工藝制造，然后將不同材料（工藝）制造的零件進(jìn)行組裝，其中關(guān)鍵零件可能需要使用碳纖維復(fù)合材料，其他零件可以采用玻璃纖維、工程塑料、片狀模塑料（Sheet Molding Compound，SMC）、長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性材料（Long Fiber reinforced Thermoplastics，LFT），甚至金屬制造，然后組裝在一起。零件級(jí)也可以采用多種材料/工藝一次成型（圖 4），也可以像風(fēng)電葉片一樣，由不同材料/工藝生產(chǎn)出半成品零件最后整體成型（圖5）。

3.2.5 結(jié)構(gòu)功能一體化

傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要考慮中結(jié)構(gòu)力學(xué)性能要求，其他功能，例如保溫、減震降噪、電磁性能、導(dǎo)電性能等采用其他方法解決，今后可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)利用復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性（包括功能）的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)特種纖維、樹(shù)脂或夾芯材料及材料設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)成型的同時(shí)滿(mǎn)足其特種功能需求。

3.2.6 結(jié)構(gòu)組件標(biāo)準(zhǔn)化

風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新在于將復(fù)雜大型整體成型的葉片分解為將若干標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行組裝后整體成型，其中的標(biāo)準(zhǔn)件可以采用傳統(tǒng)工藝高效生產(chǎn)，其性能優(yōu)于一次整體成型的大型零件。這種設(shè)計(jì)思路同樣可以在軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中采用。

3.3 選材和材料性能確定方法

3.3.1 阻燃性能

軌道交通結(jié)構(gòu)對(duì)阻燃性能有很高的要求，目前可用的樹(shù)脂體系很難滿(mǎn)足，當(dāng)然通過(guò)研發(fā)可以獲得滿(mǎn)足軌道交通阻燃標(biāo)準(zhǔn)的材料體系，但滿(mǎn)足阻燃要求的材料體系的成本及工藝性可能無(wú)法接受，必要時(shí)需要將阻燃要求與工藝性及成本進(jìn)行權(quán)衡。毫無(wú)疑問(wèn)結(jié)構(gòu)的阻燃要求是完整性要求的一部分，必須滿(mǎn)足，但是否可以由材料體系本身與其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)途徑各分擔(dān)一部分，而不是全部歸為材料體系的要求。

3.3.2 材料性能分散性

金屬的性能在離開(kāi)材料供應(yīng)商之后基本確定，后續(xù)的加工（除熱處理、鍛造外）對(duì)材料性能基本沒(méi)有影響；而復(fù)合材料的特點(diǎn)是材料與結(jié)構(gòu)同時(shí)形成，沒(méi)有結(jié)構(gòu)也沒(méi)有材料，材料性能分散性的來(lái)源包括材料組分與生產(chǎn)以及結(jié)構(gòu)成型工藝2部分，性能分散性比金屬要大，因此對(duì)設(shè)計(jì)用材料性能數(shù)據(jù)的確定方法也不同于金屬，要借鑒航空領(lǐng)域的方法建立碳纖維復(fù)合材料體系穩(wěn)定性的評(píng)估方法與后續(xù)供料一致性的管理體系，不能簡(jiǎn)單地采用增加安全系數(shù)的習(xí)慣方法。民機(jī)咨詢(xún)通報(bào)AC20-107B《飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)》中提出的原則：“要建立覆蓋材料、材料工藝和制造方法的標(biāo)準(zhǔn)，確保制造可重現(xiàn)和可靠結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。需要材料規(guī)范來(lái)保證所采購(gòu)材料的一致性，并用批次驗(yàn)收試驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制來(lái)保證材料性能任何時(shí)候都不會(huì)出現(xiàn)偏離。應(yīng)建立覆蓋工藝方法的規(guī)范來(lái)保證能生產(chǎn)出可重現(xiàn)且可靠的結(jié)構(gòu)，在每一材料規(guī)范中定義的工藝鑒定與驗(yàn)收試驗(yàn)的方法應(yīng)代表擬采用的制造工藝，生產(chǎn)試驗(yàn)件的工藝參數(shù)應(yīng)與制造真實(shí)產(chǎn)品零件所用的工藝參數(shù)盡可能相一致，試驗(yàn)件與產(chǎn)品零件都必須符合材料與工藝規(guī)范。”同樣適用于對(duì)安全性有很高要求的其他工業(yè)領(lǐng)域。

3.3.3 原材料國(guó)產(chǎn)化

第一，原材料國(guó)產(chǎn)化除是軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定生產(chǎn)的安全保障外（雖然不像軍機(jī)與民機(jī)原材料供應(yīng)安全性那么重要），同時(shí)也是作為戰(zhàn)略物資的國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的良機(jī)。航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用原材料需要在飛機(jī)結(jié)構(gòu)研發(fā)階段同時(shí)完成原材料的鑒定及材料規(guī)范的制訂，飛機(jī)取得適航后其他來(lái)源供應(yīng)商進(jìn)入供應(yīng)鏈?zhǔn)欠浅Ｍ纯嗟倪^(guò)程，甚至不一定再有機(jī)會(huì)，國(guó)產(chǎn)碳纖維若是無(wú)法在軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制階段進(jìn)入圖紙，研制完成后進(jìn)入也將是極其痛苦的進(jìn)程，甚至就此失去機(jī)會(huì)。

第二，作為軌道交通結(jié)構(gòu)所用的原材料，必須同時(shí)提供碳纖維和滿(mǎn)足軌道交通使用要求相匹配的樹(shù)脂，滿(mǎn)足使用要求（包括性能與工藝性）的樹(shù)脂通常無(wú)法從市場(chǎng)上直接獲取，必須專(zhuān)門(mén)研發(fā)。

3.4 適合軌道交通行業(yè)特點(diǎn)的成型工藝

1996年，在由美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、國(guó)家工程院和國(guó)家醫(yī)學(xué)研究院下屬先進(jìn)民用飛機(jī)新材料專(zhuān)業(yè)委員會(huì)編制的《下一代民用運(yùn)輸機(jī)用的新材料》中明確指出：“雖然復(fù)合材料的市場(chǎng)銷(xiāo)量增長(zhǎng)緩慢往往歸因?yàn)樵牧系母叱杀?，但材料成本?shí)際上僅占復(fù)合材料構(gòu)件總成本的8%～10%。事實(shí)上工藝制造成本是總成本中最高的單項(xiàng)成本。過(guò)去性能因素推動(dòng)著復(fù)合材料在航空航天中的應(yīng)用研究，但近年來(lái)成本則起到了更大的作用。這樣，開(kāi)發(fā)下一代民用運(yùn)輸機(jī)工藝的一個(gè)基本準(zhǔn)則是低成本制造的可能性。委員會(huì)相信，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，發(fā)展趨勢(shì)是不斷開(kāi)發(fā)低成本的制造工藝?！痹摻ㄗh同樣適用于軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型工藝通常包括下列幾類(lèi)：熱壓罐工藝、液體成型工藝、模壓工藝、真空袋（非熱壓罐）、拉擠工藝和纏繞工藝成型工藝等。在民機(jī)結(jié)構(gòu)成型工藝傳統(tǒng)以熱壓罐工藝為主，在低成本化過(guò)程中，液體成型（VARI、RFI、RTM等）工藝正在開(kāi)始替代熱壓罐工藝。航天領(lǐng)域大量采用纏繞工藝，在其他行業(yè)出于成本考慮采用了很多低成本的工藝。軌道交通碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)目前多采用液體成型和非熱壓罐工藝，少量也使用熱壓罐工藝，考慮到降低成本的要求，不是所有的結(jié)構(gòu)都有很高的性能要求，因此除碳纖維外還會(huì)采用多種其他材料制造的結(jié)構(gòu)（或結(jié)構(gòu)組分），同時(shí)也可以采用其他低成本的成型工藝，如圖6所示。風(fēng)電葉片的使用經(jīng)驗(yàn)已為其他工業(yè)領(lǐng)域碳纖維復(fù)合材料的使用提供了啟示。

3.5 復(fù)合材料回收技術(shù)

對(duì)于目前年產(chǎn)量幾百萬(wàn)噸的玻璃鋼廢棄物、年用量超過(guò)2萬(wàn)t的碳纖維復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)、超過(guò)2萬(wàn)t的碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片，復(fù)合材料回收技術(shù)是更加迫切的問(wèn)題。好在復(fù)合材料的回收技術(shù)近年來(lái)已取得很大進(jìn)展。波音公司將從2017年3月開(kāi)始每年向ELG發(fā)送 454t的廢料，由ELG公司回收在加工。2018年11月10日， “首屆纖維復(fù)合材料回收國(guó)際論壇”在北京召開(kāi)，并成立了纖維復(fù)合材料再生分會(huì)。纖維復(fù)合材料回收再利用技術(shù)在國(guó)際和國(guó)內(nèi)都取得了突破性進(jìn)展，為軌道交通領(lǐng)域使用碳纖維復(fù)合材料解除了后顧之憂(yōu)。

4 結(jié)語(yǔ)

回顧碳纖維的發(fā)展歷史，如果不是東麗首先在高爾夫球桿上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，就不可能會(huì)有民用飛機(jī)碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的今天。所有的新材料從研發(fā)到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用都要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的歷程，碳纖維如此，納米材料和石墨烯材料也是如此。研發(fā)人員要首先意識(shí)到所開(kāi)發(fā)新材料的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，找尋最適用的應(yīng)用領(lǐng)域，并與該領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)象密切合作開(kāi)發(fā)出可以實(shí)現(xiàn)性?xún)r(jià)比優(yōu)于原用材料的示范產(chǎn)品，然后沿此方向繼續(xù)擴(kuò)大應(yīng)用，才能實(shí)現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。新材料的開(kāi)發(fā)者不應(yīng)寄希望由用戶(hù)首先開(kāi)發(fā)出適用的產(chǎn)品，因?yàn)樾虏牧祥_(kāi)發(fā)者最清楚這種材料的優(yōu)缺點(diǎn)，也只有開(kāi)發(fā)者主動(dòng)與用戶(hù)一起實(shí)現(xiàn)從材料到產(chǎn)品的工藝路線，才能實(shí)現(xiàn)新材料的最初應(yīng)用。