高靜 姜曉夢

摘要：近年來，高速列車結(jié)構(gòu)輕量化已成為發(fā)展趨勢。碳纖維及其復(fù)合材料因在減重和節(jié)能方面的優(yōu)異特性，逐漸應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域。本文闡述了碳纖維復(fù)材在技術(shù)與應(yīng)用方面的現(xiàn)狀，從高速列車輕量化發(fā)展的角度，分析了碳纖維復(fù)材的政策支持與市場前景，論述了我國對碳纖維材料的重視以及在碳纖維復(fù)材技術(shù)方面的技術(shù)突破與試驗成果，闡明了發(fā)展過程中面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：高速列車輕量化 ?碳纖維復(fù)合材料 ?技術(shù)分析 ?機遇與挑戰(zhàn)

一、研究背景

碳纖維復(fù)合材料是以碳纖維為核心增強體材料與樹脂、金屬、陶瓷、高分子聚合物等基體材料經(jīng)成型工藝制成的復(fù)合材料，相比金屬材料，具有密度小、強度高、模量大、耐疲勞、耐腐蝕等多種顯著的性能優(yōu)勢。碳纖維及其復(fù)材廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)以及高性能民用領(lǐng)域，是一種應(yīng)用前景廣闊的戰(zhàn)略性新材料。

隨著中國軌道交通對安全、高速、高效、綠色、智能的追求，以及時速600公里高速磁浮、時速400公里及以上動車組、雙層動車組、臥鋪動車組、快速貨運動車組等新產(chǎn)品的研制，高速列車對結(jié)構(gòu)材料的輕量化、高強度、高模量等性能要求不斷提升。由于碳纖維復(fù)合材料具有強度高、韌性高、重量輕等特性，可以滿足高速列車對材料的指標(biāo)要求，所以軌道交通用碳纖維復(fù)合材料的需求近年來不斷增長。

二、技術(shù)分析

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計

在碳纖維復(fù)合材料研發(fā)全過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)是核心。結(jié)構(gòu)設(shè)計是指根據(jù)產(chǎn)品性能需求，進行合理的材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析，通過迭代優(yōu)化，確定最佳的結(jié)構(gòu)方案和成型工藝方案。

2.成型工藝

在碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品制造過程中，成型工藝技術(shù)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。成型工藝涉及生產(chǎn)效率、質(zhì)量控制、成本控制等多方面因素。目前的成型工藝按自動化水平的高低，可以分為包括手糊成型、噴射成型、模壓成型、熱壓罐成型、真空導(dǎo)入等自動化水平相對較低的成型工藝，以及纏繞成型、拉擠成型、樹脂傳遞模塑成型（RTM）、高壓RTM、三維編織、自動鋪絲/帶、熱塑模壓等自動化水平相對較高的成型工藝。

3.國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

我國碳纖維研究制造最早始于20世紀(jì)60年代，在“十一五”之前，產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)一直未能突破，基本局限在實驗室，加上發(fā)達國家對我國碳纖維實行技術(shù)和產(chǎn)品雙重封鎖，使我國碳纖維事業(yè)一直處于受制于人的狀態(tài)。經(jīng)過20年的有序發(fā)展，我國初步形成了從實驗室研制到產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)生產(chǎn)平臺，形成了仿形編織、變徑變厚變密度等復(fù)雜形狀編織、濕法針刺工藝，建立了高強碳纖維應(yīng)用評價、復(fù)合材料制備與應(yīng)用體系，并培育了一批骨干企業(yè)。但整體而言，我國碳纖維復(fù)合材料的設(shè)計、制造、標(biāo)準(zhǔn)體系尚處于起步階段，與國外相比，高性能碳纖維及復(fù)合材料在提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)，控制技術(shù)與成本方面落后很多。

三、應(yīng)用研究

碳纖維復(fù)合材料可應(yīng)用于高速磁浮、高速動車組、城軌地鐵、城際車輛、貨車、機車等軌道交通裝備領(lǐng)域的大部分主要、次要承載結(jié)構(gòu)及車內(nèi)部件等非承載結(jié)構(gòu)，減重節(jié)能效果顯著。世界主要軌道交通裝備企業(yè)積極開展了碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用研究與試驗驗證工作。

1.國外主要研制成果

韓國現(xiàn)代TTX列車應(yīng)用了碳纖維復(fù)合材料車頂、側(cè)墻以及端墻，滿足靜強度、疲勞、模態(tài)特性、防火性能等設(shè)計要求，線路運營表現(xiàn)良好日本川崎重工碳纖維轉(zhuǎn)向架efWING在美國交通技術(shù)中心進行了4500km的線路運行試驗，滿足安全性要求且性能穩(wěn)定。2016年，4臺該轉(zhuǎn)向架試用于近郊型直流電車上，已投入運營，有效降低輪重減載率，提高車輛穩(wěn)定性與乘坐舒適性。英國Intercity125最早采用碳纖維整體成型駕駛室端蓋，抗擊能力優(yōu)良。德國Voith研制的碳纖維過渡車鉤，結(jié)構(gòu)緊湊，減重效果顯著，單人就可攜帶進行安裝。

2.國內(nèi)主要研制成果

2018年初，中車長客研制出世界首輛全碳纖維復(fù)合材料材質(zhì)的地鐵車體，較同類地鐵金屬車體減重約35%。2019年6月中車四方股份研制的下一代地鐵，車體、司機室、構(gòu)架及設(shè)備艙等承載部件采用碳纖維復(fù)材，相比標(biāo)準(zhǔn)配置A型車，實現(xiàn)整車減重13%，節(jié)能15%，是軌道機車大規(guī)模應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的典范。2020中車四方股份研制的時速600公里高速磁懸浮列車完成懸浮架橫梁、磁鐵U形箱、裙板、導(dǎo)流罩、司機室頭罩的碳纖維復(fù)材結(jié)構(gòu)研制并裝車，減重均達30%以上。

四、應(yīng)用前景

1.擁有政策支持

自21世紀(jì)以來，碳纖維得到國家高度重視，碳纖維等新材料產(chǎn)業(yè)被列為國家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，政府陸續(xù)出臺一系列政策支持碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2021年，國務(wù)院《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標(biāo)綱要》提出“要加強碳纖維等高性能纖維及其復(fù)合材料的研發(fā)應(yīng)用”，為未來碳纖維行業(yè)的技術(shù)進步提供了良好的政策環(huán)境。碳纖維及其復(fù)合材料被列為“科技創(chuàng)新2030重點新材料研發(fā)及應(yīng)用”重大項目實施任務(wù)方向之一?？萍疾空苿犹祭w維及其復(fù)合材料國家技術(shù)創(chuàng)新中心建設(shè)，支撐碳纖維及其復(fù)合材料企業(yè)實現(xiàn)技術(shù)、工藝裝備和產(chǎn)品創(chuàng)新。多項政策支持為碳纖維復(fù)材產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了良好的契機。

2.市場需求量大

當(dāng)前中國已經(jīng)成為世界上最大的城市軌道交通市場，按照“十四五”期間中國軌交新造市場需求量，考慮一定比率復(fù)合材料應(yīng)用替代，預(yù)計軌道交通碳纖維復(fù)合材料需求量可達到3-5萬噸/年，市場規(guī)模大，應(yīng)用前景廣闊。

五、機遇與挑戰(zhàn)并存

碳纖維復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域推廣應(yīng)用過程中，也面臨諸多問題，主要表現(xiàn)在：缺乏適用于軌道交通裝備領(lǐng)域的專用材料技術(shù)體系;復(fù)合材料的積木式驗證體系與數(shù)據(jù)庫尚不完善，實驗室測試驗證能力有待提升;低成本高效率成型技術(shù)與自動化無損檢測技術(shù)有待深入研究;軌道交通裝備復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)基本空白;缺乏既掌握軌道交通裝備設(shè)計又掌握復(fù)材技術(shù)的專業(yè)人才;復(fù)合材料的回收和有效再利用問題仍未得到有效解決。在碳纖維復(fù)材發(fā)展與應(yīng)用的重要機遇期，針對上述問題，應(yīng)積極思考、深入研究，推動碳纖維復(fù)合材料在軌交領(lǐng)域的應(yīng)用和技術(shù)突破，促進我國高速軌道交通事業(yè)的發(fā)展。

參考文獻：

[1]高奇，新形勢下我國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展探討，2019，42（5）：58

[2]常樹民，申永勇，石得春，城市軌道交通車輛輕量化設(shè)計研究，2020，No.1