基于高速列車輕量化的碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用研究

高靜 姜曉夢(mèng)

摘要：近年來，高速列車結(jié)構(gòu)輕量化已成為發(fā)展趨勢(shì)。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(chǎng)前景，論述了我國對(duì)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(yàn)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)度高、模量大、耐疲勞、耐腐蝕等多種顯著的性能優(yōu)勢(shì)。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(duì)安全、高速、高效、綠色、智能的追求，以及時(shí)速600公里高速磁浮、時(shí)速400公里及以上動(dòng)車組、雙層動(dòng)車組、臥鋪動(dòng)車組、快速貨運(yùn)動(dòng)車組等新產(chǎn)品的研制，高速列車對(duì)結(jié)構(gòu)材料的輕量化、高強(qiáng)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(qiáng)度高、韌性高、重量輕等特性，可以滿足高速列車對(duì)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(jì)

在碳纖維復(fù)合材料研發(fā)全過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)是核心。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指根據(jù)產(chǎn)品性能需求，進(jìn)行合理的材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(dòng)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(dòng)化水平相對(duì)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(dòng)鋪絲/帶、熱塑模壓等自動(dòng)化水平相對(duì)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(shí)驗(yàn)室，加上發(fā)達(dá)國家對(duì)我國碳纖維實(shí)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(shí)驗(yàn)室研制到產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)生產(chǎn)平臺(tái)，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(qiáng)碳纖維應(yīng)用評(píng)價(jià)、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(jì)、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(jì)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(dòng)車組、城軌地鐵、城際車輛、貨車、機(jī)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(yàn)驗(yàn)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(qiáng)度、疲勞、模態(tài)特性、防火性能等設(shè)計(jì)要求，線路運(yùn)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(jìn)行了4500km的線路運(yùn)行試驗(yàn)，滿足安全性要求且性能穩(wěn)定。2016年，4臺(tái)該轉(zhuǎn)向架試用于近郊型直流電車上，已投入運(yùn)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(jìn)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(jī)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(shí)現(xiàn)整車減重13%，節(jié)能15%，是軌道機(jī)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(shí)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(jī)室頭罩的碳纖維復(fù)材結(jié)構(gòu)研制并裝車，減重均達(dá)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(tái)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(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出“要加強(qiáng)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(jìn)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(diǎn)新材料研發(fā)及應(yīng)用”重大項(xiàng)目實(shí)施任務(wù)方向之一?？萍疾空苿?dòng)碳纖維及其復(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(shí)現(xiàn)技術(shù)、工藝裝備和產(chǎn)品創(chuàng)新。多項(xiàng)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(jī)。

2.市場(chǎng)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(chǎng)，按照“十四五”期間中國軌交新造市場(chǎng)需求量，考慮一定比率復(fù)合材料應(yīng)用替代，預(yù)計(jì)軌道交通碳纖維復(fù)合材料需求量可達(dá)到3-5萬噸/年，市場(chǎng)規(guī)模大，應(yīng)用前景廣闊。

五、機(jī)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(yàn)證體系與數(shù)據(jù)庫尚不完善，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證能力有待提升;低成本高效率成型技術(shù)與自動(dòng)化無損檢測(cè)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(jì)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(jī)遇期，針對(duì)上述問題，應(yīng)積極思考、深入研究，推動(dòng)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(jìn)我國高速軌道交通事業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]高奇，新形勢(shì)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(jì)研究，2020，No.1