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軌道交通領域碳纖維復合材料未來的發展方向如何？

全碳纖維復合材料、大尺寸車體承載結構的成功研制，驗證了碳纖維復合材料在軌道交通承載結構上應用的可行性。但是，碳纖維復合材料在軌道車輛的應用尚處于起步階段，仍受成本、材料、設計、工藝等限制，尤其是成本問題，是制約其推廣應用的強大壁壘。持續快速發展碳纖維技術，推進軌道交通復合材料車體的應用須從以下幾方面推進。（圖示：碳纖維列車） 1、深入開展碳纖維材料基礎性研究軌道車輛對材料的力學性能、防火性能、環保性能、耐極端環境性能、抗沖擊性能、耐老化性能、減振阻尼性能、隔音隔熱性能、電磁兼容性以及安全可靠性等都有特殊要求，開展滿足軌道車輛應用的材料性能研究，解決目前復合材料存在的防火、隔聲隔熱、抗沖擊性能局限性。挪恩復材也在積極開展碳纖維復合材料創新功能的研究，目前已成功研發以納米改性導電碳纖維復合材料為代表的多種熱塑性碳纖維復合材料，大大提高了碳纖維復合材料的應用廣度。 2、開展碳纖維復合材料結構設計研究可以從簡化結構、材料、集成設計等三方面入手。簡化結構不但能降低成本，還能提高生產效率、滿足批量快速生產的需要。在結構設計中，加強集成設計的理念，充分發揮復合材料可設計性強、易于整體成型的特點，比如將底架與地板集成，將車頂與通風道集成，以及將側墻與內裝材料集成等。復合材料品種多、方向性強，在結構設計中應根據實際需要來選擇材料，通過優化層板中各鋪層的鋪設角、層數比( 層板中具有相同鋪設角的鋪層數占總層敷的比例) 和鋪疊順序，設計出具有不同強度以及彎、扭剛度要求的層合板，增加了設計的自由度，提高了結構性價比。設計時還可以考慮多種材料混合使用，比如次承力結構采用碳纖/玻纖混雜設計，主承力結構如牽枕緩、邊梁等采用碳纖維材料，做到結構和材料合理匹配，盡可能地降低原材料成本。集成設計則能從整車層面降低車體質量，同時提高車體剛度，是復合材料車體研究的一個重點方向。 3、加強復合材料結構成型工藝的優化研究目前，應用于軌道車輛承載結構的復合材料中，碳纖維復合材料是比較受關注的一類材料，但其制造成本高、生產周期長，制約了該材料的推廣應用。如果能將成型工藝和材料研究結合起來，在不降低產品性能的前提下，優化出更適合軌道車輛結構的低成本、高效率的成型工藝，在自動鋪帶、集成自動生產等方面實現更新換代，滿足批量生產的需要，那么低成本、自動化的生產工藝必將推動復合材料在軌道交通行業的應用。 4、建立適用軌交行業的復合材料標準體系體系包括設計標準、材料評價標準、計算驗證標準、生產工藝標準、質量檢測標準和運用維護標準等，使復合材料在軌道交通領域的應用有據可依、規范化、系統化，從而促進軌道交通行業的節能減排和綠色轉型升級。 5、提高碳纖維生產能力和水平目前，我國相關產業的發展離世界先進水平還有一定的差距，投入商用的碳纖維材料大都來自國外。國內應加大相關產業的投資力度、更新技術水平、擴大生產能力，使相關產品質量盡快趕超世界先進水平。碳纖維在軌道交通車輛車體上的推廣應用是復合材料行業的一大機遇和挑戰，雖然目前受制造成本、成型工藝、生產效率等方面的制約，難以在短期內實現批量生產，但隨著新材料、新技術日新月異的進步，相信在不久的將來，中國將迎來軌道交通車輛車體新材料應用的又一次變革。

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前沿軌道交通科技亮相碳纖維地鐵列車亮點多

25日上午，“北京國際城市軌道交通展覽”在京開幕，一批前沿軌道交通科技成果亮相，中國中車發布的碳纖維地鐵列車CETROVO和北京地鐵正在進行測試的人臉識別檢票閘機吸引了不少參觀者。據主辦方中國城市軌道交通協會介紹，截至去年年底，全國共有35個城市開通城市軌道交通，運營線路185條，總長度5700余公里。其中，北京市軌道交通客運量最高，達到38.5億人次。地鐵3號線實現全自動駕駛 25日，中國中車集團旗下中車株洲電力機車研究所有限公司（以下簡稱“中車株洲所”）發布全自主CBTC（基于通信的列車自動控制）信號系統。目前，這套系統支持最小90秒的發車間隔，停車精準度能達到99.999％。CBTC信號系統是保證城市軌道交通正常運行的中樞控制系統，是基于現代控制、計算機和通訊技術的大型分布式實時控制系統，堪稱是城市軌道交通運營的“大腦”和“神經系統”。據中車株洲所時代電氣總經理劉可安介紹，今年5月，由中車株洲所提供CBTC信號系統的長沙地鐵4號線成功開通試運營，刷新不足17個月工期開通試運營的“行業速度”。應用中車株洲所研制的全自主CBTC后，長沙地鐵4號線列車的運行效能得到了進一步的提升，其中系統支持最小90秒的發車間隔，列車出入車輛段時間提升到100秒以內，停車精準度能達到99.999％。此外，中國通號控股企業——卡斯柯信號有限公司也發布“面向智慧地鐵的全自動運行2.0系統”。據介紹，目前正在建設中的北京地鐵3號線就將使用這套系統中的部分功能，實現全自動駕駛。目前，3號線已全線開工建設，預計2021年12月開通試運營。碳纖維列車減重13％平均能耗降15％ 25日，中車四方公司還首次面向國內觀眾展出了更輕盈節能的“下一代地鐵”列車CETROVO。其車體采用碳纖維復合材料，并采用構架等輕量化技術，同時，還具備無人駕駛、智能空調、主動運維等多項功能。目前，這一型號的列車正在廣州進行廠內測試。近十幾年地鐵列車越做越輕，從最初的二十余噸壓縮到現在的七八噸。與采用鋼、鋁合金等傳統金屬材料的列車相比，采用碳纖維復合材料的CETROVO地鐵列車整車減重13％。經測算，在多項節能新技術的配合下，平均能耗降低15％。在智能化方面，該列車具備無人駕駛、智能空調、智能照明、主動運維等諸多功能。步入CETROVO列車車廂，首先看到的是一體模塊化的司機室：司機室與客艙融為了一體，乘客可以站在車頭處，零距離感受地鐵列車行駛中的速度感。“下一代地鐵”列車具有無人駕駛能力，為了應對突發情況，司機室儀表臺前方設有備用升降屏，隨時可切換成手動駕駛模式。列車兩側還安裝有透明顯示車窗，它還是可以連接互聯網的觸控式電腦，能實現虛擬場景、瀏覽網頁、查詢線路等網上服務、媒體播放、廣告呈現等多種功能，同時具備自動清潔與隔熱功能。相較于以往地鐵列車“直吹式”出風口，CETROVO列車車廂的出風口設置得更加分散，呈環形分布。現場工作人員介紹說，列車安裝有智能空調，可以根據設定溫度自動調節，以確保乘客體感溫度舒適。刷臉進站用時不到1秒在“北京地鐵”展區，北京地鐵正在進行內部測試的人臉識別檢票閘機首次面向公眾亮相。記者體驗后發現，相較于刷卡、刷手機進站等方式，“刷臉”進站效率更高，平均用時不到1秒。在展區中，放置有兩臺具備人臉識別功能的檢票閘機。其中一臺組合式設備下方為傳統閘機，上面裝有比手機略大的人臉識別設備；另一臺是一體化設備，外觀類似于機場自助驗票機。據了解，人臉識別設備正在軌道交通機場線進行小范圍內部實驗。據北京市軌道交通指揮中心相關負責人透露，“目前測試主要是驗證照片庫的精確度，在確保扣款成功率穩定的前提下，才會在全路網鋪開。” 記者體驗發現，為了實現“刷臉”進站并有效扣費，需要將用戶的面部信息、身份信息與乘坐地鐵的支付賬戶進行綁定，待系統核驗成功后，閘機門將自動開啟，人臉識別設備的屏幕上會彈出綠色的小笑臉，上面還標注有進站者的姓名。未來北京地鐵有望通過生物識別等方式進站乘車。目前身份驗證的“生物識別”技術主要包括指紋識別、人臉識別、聲音識別等，而人臉識別技術在地鐵中更容易實現。（裴劍飛）

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一文看懂碳纖維在軌道交通領域應用

軌道交通工具正經歷著從“鋼鐵時代”、“鋁材時代”到“碳材時代”的跨越。近日，中車長客股份公司在軌道交通領域獲重大突破，研制出具有完全自主知識產權的世界首輛全碳纖維復合材料地鐵車體，驗證了碳纖維復合材料在軌道交通承載結構上應用的可行性，也為碳纖維復合材料在軌道交通大批量工業化生產應用打下了重要基礎。相關數據顯示到2025年，中國高鐵里程將超過3.8萬公里，且現役的高鐵列車超過了2500輛。列車的節能性、環保性、舒適性、便利性已成為高鐵列車未來的發展方向。而碳纖維因其優秀的性能越來越受到軌道車輛研制企業的關注及采用，發展潛力巨大。圖片來源：網絡公開資料碳纖維復合材料與傳統輕量化材料相比，密度小，強度高，模量高，適合用作軌道交通的輕量化、環保材料。碳纖維復合材料與其他輕量化材料性能對比分析資料來源：《高速動車組碳纖維復合材料應用研究》由于車載設備輕量化空間有限，碳纖維復合材料在軌道交通輕量化的應用主要集中在車身和內部裝飾方面。地鐵車輛重量分配比例資料來源：《碳纖維增強復合材料在軌道車輛中的應用》碳纖維復合材料在軌道交通領域應用優勢碳纖維復合材料在軌道交通應用領域優勢資料來源：《碳纖維材料在軌道交通行業中應用淺析》碳纖維復合材料在軌道交通領域應用難點分析碳纖維復合材料在軌道交通領域應用難點資料來源：《碳纖維增強復合材料在軌道車輛中的應用》碳纖維復合材料在軌道交通具體應用碳纖維復合材料在軌道交通具體應用實例碳纖維復合材料的應用已逐步由車體內飾、車內設備等非常承載結構零件向車體、構架等承載構件發展，從裙板、導流罩等零部件向頂蓋、司機室、整車車體等大型結構發展。碳纖維復合材料在軌道交通領域應用分布碳纖維復合材料在軌道交通應用領域專利分析碳纖維復合材料在軌道交通領域應用專利情況資料來源：《從專利分析角度看碳纖維復合材料在軌道車輛上的應用》 2009年以后，專利的申請量明顯增加，這歸功于碳纖維復合材料在軌道交通領域的應用發展迅速。碳纖維復合材料在軌道車輛上的專利國內外對比圖資料來源：《從專利分析角度看碳纖維復合材料在軌道車輛上的應用》國內碳纖維復合材料在軌道交通領域的發展較晚，但發展速度很快。碳纖維復合材料在軌道交通上專利分布資料來源：《從專利分析角度看碳纖維復合材料在軌道車輛上的應用》碳纖維復合材料在軌道列車上的專利主要集中在車體、轉向架、車外設備、內裝四個方面。其中車體和轉向架的開發和應用專利比較多。

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目前碳纖維復合材料為何不能在軌道交通中普及？

隨著碳纖維市場的逐步擴大，碳纖維復合材料應用的領域也在不斷增加。除了汽車、高端醫療、航空航天等高精尖領域出現碳纖維的身影，在軌道交通方面，碳纖維也有所涉及。在國外軌道交通領域中，針對碳纖維的研究開展較早，目前已擁有一定是科研成果和工藝積累。（圖示：軌道交通碳纖維車輛）與國外相比，國內開展碳纖維在軌道交通領域的研究較晚，整體工藝也與國外存在差距，但仍有不少企業積極開展有關碳纖維在軌道交通領域的研究，蘇州挪恩復合材料就是其中之一。隨著《中國制造2025》的提出，國家開始注重發展科技產業，碳纖維也借此得到大力發展。但目前在軌道交通領域中，碳纖維的發展還比較緩慢，為此，小編邀請了對碳纖維軌道交通很有研究的挪恩復材陳工，來聽聽他的說法吧。為什么軌道交通企業這么熱衷于碳纖維復合材料？其實主要還是因為輕量化。目前動車組車廂除了CRH1采用不銹鋼車身，其他車型都采用高強度鋁合金材料，用以減輕重量。即便這樣，一節動車組車體重量也要十多噸。而動車組在啟動加速階段的耗能是最大的，根據著名的F=ma公式，減輕重量可以大幅降低運行能耗，同時重量輕了，對車軸和車輪的磨耗也會減小。據了解，國內幾家知名的軌道交通車輛廠商針對輕量化投入不計其數的人力、財力，就是想要尋找一個好的解決方案。軌道交通車輛輕量化的研究分為兩個方向，一個是輕量化設計，另一個則是輕量化材料的使用。目前鋁合金的輕量化設計已到達瓶頸，再進行減重勢必會影響到其他性能，至此，碳纖維復合材料成為了人們新的選擇。軌道交通輕量化是必然趨勢從軌道交通車輛生產企業內部來看，對碳纖維復合材料輕量化的應用決心很大。現在已經到了逢會必談輕量化，逢輕量化必談碳纖維應用的階段。碳纖維復合材料不僅可以滿足軌道交通車輛輕量化需求，在強度、耐沖擊性、防火等其他性能方面表現出色。距離碳纖維應用普及還有很長的路要走在過去的幾年的時間，國內的軌道交通車輛企業也做了大量工作，與碳纖維企業聯合研發碳纖維的部件，挪恩復材就曾為國內某軌道交通車輛廠商定制碳纖維部件。但是目前為止，大部分屬于內裝使用玻纖復合材料較多，在外部大規模使用碳纖維復合材料非常少見，這其中有成本因素，也有其他因素。首先，如何保證使用的碳纖維復合材料一定能夠達到軌道交通車輛的力學要求，怎么做到用最少的材料滿足設計需求。這就需要復合材料結構設計所需的原材料性能要可靠，通過試樣(單層板和層合板)、元件、組合件、全尺寸部件等多個層次的結構進行驗證，才能放心使用。其次是在安全性放。目前高鐵動車組跑到一定的公里數要進行不同等級的維護，到最高5級修的時候，需要把車體油漆全部脫離掉，檢查車體是否含有裂紋等缺陷。如果換成復合材料車體，那么維護周期要多長？老化壽命有多久？內部出現缺陷如何檢測、如何修復？最后，軌道交通領域目前還未建立起一套復合材料應用體系。面對諸多不確定問題，缺乏和碳纖維企業一致的對接理由。其實很多軌道交通車輛廠商遇到的問題，在碳纖維企業都能找到解決方案，但受制于產業鏈的不完整、碳纖維企業水平層次不齊等諸多因素，導致兩者未能產生良好的聯動效應。結合以上的介紹，可以預見未來碳纖維在軌道交通領域的應用潛力非常巨大。如若軌道交通廠商與碳纖維企業能夠及時對接，不僅能夠幫助廠商打破自身碳纖維應用的僵局，兩者的合作還能加速碳纖維在軌道交通領域的應用，典型雙贏局面。

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