碳纤维复合材料在轨道交通上的应用前景诱人。

这是“2019中国轨道交通智能制造产业峰会——暨新材料、新工艺及新装备创新发展论坛”上,中车唐山机车车辆有限公司主任工程师王力的判断。

的确,2011年,恒神制造的采用复合材料车头罩的高速列车在青岛四方落成,并于2014年试跑成功,最近恒神又透露长达19米的全碳纤维地铁车厢研制成功。

“碳纤维复合材料作为新一代高速轨道列车车体选材的重点,它不仅可以满足轨道列车车体轻量化要求,还可以改进列车运行性能、降低能耗、减轻环境污染、增强安全性、舒适性等。”

国家“十三五”规划中,对轨道交通装备明确要求和既有产品相比:减重3%~5%,减阻5%~8%,单位人公里能耗低10%。

据王力分析,列车时速达到200KM/H时,每牵引一吨重的重量,大约要消耗电力12千瓦,到时速300KM的时候,每牵引一吨要消耗16至17KW,他认为,轻量化是必经之路。

中车唐山公司专家王力:市场潜力巨大!碳纤维复材应用已从内饰向车体构件扩展-复合材料网

碳纤维复合材料与传统轻量化材料相比,密度小,强度高,模量高,适合用作轨道交通的轻量化、环保材料。

碳纤维复合材料与其他轻量化材料性能对比分析

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资料来源:《高速动车组碳纤维复合材料应用研究》

由于车载设备轻量化空间有限,此前碳纤维复合材料在轨道交通轻量化的应用主要集中在车身和内部装饰方面。

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地铁车辆重量分配比例

资料来源:《碳纤维增强复合材料在轨道车辆中的应用》

不过,当前碳纤维复合材料在轨道车辆领域的应用趋势呈现出新的趋势:从车体内部、车内设备等非承载结构零件向车体、车外、构架等承载构建扩展。“且还处于刚刚起步的阶段,未来市场潜力巨大。”王力说。

国内碳纤维复合材料在轨道交通领域的应用起步较晚,但发展迅速。据了解,国内中车集团及相关院所开展了大量试验研究工作,取得了长足的进步,目前在司机室、头罩、控制台、内饰板、设备舱、导流罩、车体等方面已经获得应用。

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王力

“确定能保证安全吗,工艺方法要合理,监测手段要有,要环环相扣保证质量,安全问题第一位。今后发展以及向车体发展,对复合材料要求越来越高。”王力在对国内碳纤维复合材料行业的发展定位时强调碳纤维复合材料产品应多关注应用安全的考量。

据悉,目前碳纤维产品量产与应用的存在如下难题:

首先,业内缺乏基于结构性能的复合材料设计,碳纤维复合材料具有自身的材料特性,目前国内主机厂对于新材料新技术的了解不够深入,复材生产和应用脱节,同时设计及验证技术处于起步阶段。

其次,碳纤维复合材料成本高,成型效率低,工业化低,目前国内复合材料行业普遍大于30分钟每件,无法满足轨道交通行业工业批量化生产需求。

王力认为,碳纤维复合材料在轨道交通领域的巨大发展潜力,同时也对复合材料制造技术提出了高质量、低成本、高效率的要求,因此成型工艺作为复合材料制造的关键技术就显得尤为重要。

他指出,复合材料的制造还需要根据设计结构类型、承载要求选择合理的成型工艺,才能满足高质量、高效率、低成本的要求,因此在设计阶段充分考虑成型工艺,使复合材料设计和成型工艺充分结合,才能算是成功的复合材料设计及制造方案。

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