碳纤维在高铁上的应用,还有多远?

碳纤维在高铁上的应用,还有多远?-CompositesPlus

由于工作的缘故,我得以接触轨道交通领域对碳纤维复合材料的需求。对未来轨道交通领域感兴趣的碳纤维企业不在少数,却总感觉徘徊在门外,不得入门的法则。今天谈一谈对碳纤维在轨道交通领域应用的个人见解,希望给有志于开拓轨道交通市场的朋友参考。

轨道交通轻量化是必然趋势从轨道交通车辆生产企业内部来看,对碳纤维复合材料轻量化的应用决心很大。现在已经到了逢会必谈轻量化,逢轻量化必谈碳纤维应用的阶段。中车青岛四方机车与德国的德累斯顿工业大学成立了中德轨道交通联合研发中心,最主要任务就是研究碳纤维复合材料在轨道交通车辆中的应用。江苏恒神与中车下属长春轨道客车公司签署协议,研发碳纤维车体。为什么轨道交通装备企业这么热衷于碳纤维复合材料?主要还是因为轻量化是一道硬杠杠。目前动车组车厢除了CRH1采用不锈钢车身,其他车型都采用高强度铝合金材料,用以减轻重量。即使这样,一节动车组车体重量也要十多吨。而动车组在启动加速阶段的耗能是最大的,根据著名的F=ma公式,减轻重量可以大幅降低运行能耗,同时重量轻了,对车轴和车轮的磨耗也会减小。

在中车青岛四方机车的技术中心,有数以千计的技术人员,每天做着动车组车辆的优化再设计工作,他们为了减轻1公斤的重量而绞尽脑汁。轻量化包括轻量化材料的使用和轻量化设计。铝合金的轻量化设计已经达到瓶颈,再减轻重量必然会牺牲性能。于是,碳纤维复合材料,成为下一步重点发展的轻量化材料。

碳纤维应用道阻且长

在过去的几年的时间,中车下属企业也做了大量工作,与碳纤维企业联合研发碳纤维的部件。但是目前为止,除了内装使用玻纤复合材料比较多外,没有任何部件大规模使用碳纤维。除了成本因素外,更大的原因是对使用碳纤维复合材料的一种担忧。

这种担忧来源于诸多不确定性。首先,使用碳纤维复合材料之后,能不能达到力学性能要求,怎么做到用最少的材料满足设计需求。这就需要复合材料结构设计所需的原材料性能要可靠,通过试样(单层板和层合板)、元件、组合件、全尺寸部件等多个层次的结构进行验证,才能放心使用。

第二个不确定性来自于安全性。目前高铁动车组跑到一定的公里数要进行不同等级的维护,到最高5级修的时候,需要把车体油漆全部脱离掉,检查车体是否含有裂纹等缺陷。如果换成复合材料车体,那么维护周期要多长?老化寿命有多久?内部出现缺陷如何检测、如何修复?

最后,轨道交通领域还未建立起一套复合材料应用体系。面对诸多不确定问题,缺乏和碳纤维企业一致的对接借口。

碳纤维应用路线图

其实很多轨道交通车辆企业面临的问题,在碳纤维相关企业那里能得到很好的解决方案。但是,缺乏有效的沟通,让这些困难变得难以逾越。中车下属企业非常欢迎相关企业做交流,因为你这是在替他们解决困难。现在很多企业看上轨道交通这个市场,却在门口团团转,甚至不曾探头向里面瞧瞧里面发生了什么。

未来碳纤维在轨道交通领域应用的市场非常大,轨道交通装备企业也为此投入巨大,很多时候有了需求却没有合适的合作对象。对合作伙伴的要求主要有可靠的原材料品质、能够提供技术支持去做结构设计、工艺设计、功能设计。

在轨道交通领域的应用对产品和企业提出了更高的要求,肯定会比很多体育休闲和建筑加固要求更高。那些动辄宣传技术领先的碳纤维企业,敢不敢来吃这块蛋糕?

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