碳纤维大规模应用要跨过这几大鸿沟

由中车四方股份公司与其在德国的中德研发中心联合设计研制的碳纤维复合材料车体、转向架构架、司机室、设备舱等部件,验证了地铁车辆主要承载结构应用碳纤维复合材料的设想。

与采用钢、铝合金等传统金属材料的地铁车辆相比,CETROVO的车体、司机室、设备舱分别减重30%以上,转向架构架减重40%,整车减重13%。这意味着它的节能可达到多少?团队给出了令人兴奋的答案:15%。

让CETROVO从概念车到在国内落地并实现批量化供应绝非易事。原材料到工艺到市场,举步维艰。特别是国产碳纤维面临材料合格率、一致性不足,技术成熟度、工艺多样性不足,产业链不完善、价格优势微弱等诸多问题,制约着碳纤维轨交列车从概念走向商业的步伐。

碳纤维是突破金属局限的新希望

“中国轨道交通行业充满活力,这为新材料碳纤维的推广带来需求窗口。”丁叁叁感觉到,这是将先进技术变成现实的好机会。

有资料显示,截至2018年5月,国内开通86条高铁,服务里程2.85万公里,在线高速动车组3100多组,运营里程及列车保有量均占世界2/3。服务于4纵4横干线网,正向8纵8横大网发展,覆盖除西藏外的全部省份。预计到2020年营运里程将超过3万公里,列车保有量将达3800组 。

中国国土面积广袤,气侯地理环境多样化,高铁面临的工况从东南沿海的高温高湿的环境到东北高寒、西北沙漠的环境。提升速度与长期服役,都给高铁的设计提出巨大挑战。

大的体量下,安全运行、投入成本、运营效能是中国轨道交通行业最大的任务。

“以轻量化为核心的综合解决方案是解决安全与效能的最好方案。”丁叁叁认为,轻量化的方案摆在业界的有两条路:高强度合金材料和复合材料。

近十几年,合金材料的潜力被逼到了极限。从最早的二十来吨的客车车体重量硬生生被压缩到如今的七八吨。丁叁叁意识到,不断地被力学优化的合金材料真的已经到了极限。“或许我们可以找到一种综合型的优良材料可以突破金属材料的局限。”

CETROVO的诞生,在一定程度上,已经给出了答案。

CETROVO实质上是一个碳纤维在轨交列车应用的技术载体,承载着更高速度、更轻质量、更好室内环境、更高牵引效率、更先进制动系统等等的新概念。

CETROVO虽然诞生,但距离碳纤维梦想照进轨道交通应用的现实距离还很远。

将 CETROVO在国内复制,寻找国内的碳纤维原材料、工艺和技术实现量产和工程推广,“无论是成本还是市场话语权,完全依赖进口碳纤维是不可行的,否则这会变成制约你的东西。”

碳纤维大规模应用要跨过这几大鸿沟

碳纤维在轨交的应用在哪里卡住了?

目前碳纤维在轨道交通的应用卡在什么地方?成本、效率、验证、标准!从研发实验台走向工业化应用,中间隔着巨大的鸿沟。

碳纤维是贵族材料,在目前的国内业界已经达成了这样的共识。

相关资料显示,2017年,中国大陆的碳纤维理论产能为2.60万吨,仅次于美国和日本,占全球产能比重18%,但实际供应仅7400多吨;而铝合金的产量达792.2万吨。“碳纤维的工业化水平远未达到铝合金、钢材的工业化水平。”

有限的规模决定了碳纤维的贵族光环,这也制约了碳纤维在轨交应用上往市场接受方向发展的脚步。

“碳纤维复合材料的体系发展失衡,整个配套的工艺缺乏联动。”从下游行业分布来看,航空航天、体育休闲和工业应用是国内碳纤维的三大应用方向,休闲体育行业占比超过55%,航空航天与汽车等领域的应用加起来仅5%。令丁叁叁忧心的是,国内碳纤维行业雷声大雨点小,仍处于矛盾与观察期,规模效益未现,导致价格优势微弱。

从技术层面来看,国产碳纤维材料面临的短板是,精度和一致性不高,给后端设计带来困难,差异性太大,无法批量化应用。根据相关数据显示,2018年,我国碳纤维产能利用率仅30.77%。国产碳纤维找不到合适的应用领域,轨道交通找不到合适的碳纤维,丁叁叁认为,轨道交通应用的碳纤维定位并不高,但是对结构、工艺的有多样性要求,这需要应用端与供应端的磨合,找到工艺技术的平衡点。

碳纤维在轨道交通应用的行业标准是空白,这影响到碳纤维产业化应用的进程,但这是一项长期的工作。

目前碳纤维在轨道交通的应用主要借鉴的是飞机的标准,但轨道交通的应用有诸多独特的铺层设计、结构设计,从飞机或汽车上借鉴相应的铺层结构设计,缺乏仿真与设计的输入,肯定是不精确、不合适的。

从国际上碳纤维在轨道交通的应用来看,工程运营案例匮乏,无论是材料或是技术,在世界上均未出现批量应用的案例,“这也给我们带来了一定的心理压力。”

上下游融合成为行业突破关键

从实验室走到工厂的工程化之路很长,丁叁叁认为,创新和吸收要做到位。航空航天、风电、汽车等领域的碳纤维应用有多年的成熟运用经验,技术持续发展,在解决材料、结构设计、制造工艺、服役性能及维护技术、经济性等多方面问题具有良好的借鉴意义。

各轨道车辆强国在轨道车辆上的碳纤维复合材料应用探索也取得了一些成果,从非承载内饰件到头罩、吸能元件、过渡车钩及受电弓等零部件,再到司机室、车体、转向架等大型部件均有不同程度的尝试。

国内的轨道交通行业也在紧张卡位,在内饰、车体结构等方面进行积极尝试,如复兴号动车组的设备舱就进行了碳纤维复合材料的试用。研制的碳纤维设备舱较铝合金减重35%,便于组装、维护,可承受振动冲击和高温、高湿、风沙雨雪侵蚀。已完成各项型式试验及60万公里各种气候地理运营考核,最高试验时速420公里。

“这证明碳纤维复合材料在轨道交通的承载结构应用是成立的。”眼下,丁叁叁的团队定下了清晰的规划:一是进行轨交列车材料的替代,二是在通过结构优化把技术催熟,三是凭借成熟技术进行批量化的生产和推广。

一切都是按部就班的,“同时,先做一批能够充分体现碳纤维技术经济性的零部件,进行小批量化的推广,以便把产业链打通,为批量化生产做准备。”

碳纤维能否与轨交碰撞爆发能量,主要看上下游之间融合的程度。比如解决成本问题,轨道交通行业要尽量控制设计成本,碳纤维行业则要研发适合轨道交通技术性能的产品。“事实上轨道交通并非需要强度非常高的碳纤维,更重要的是看中纤维做成复合材料后的综合性能,因此也可以考虑一些多种纤维混合体系,把原材料及工艺的成本进一步往下拉。”

与此同时,碳纤维在轨道车辆上的工程化应用前景是乐观的,中国高速动车组3500组车,碳纤维复合材料的份额若占到30%,将产生50万吨需求。若推广至城轨车辆将达到100万吨的需求,即使只有10% 的应用,也有约30万吨。因此,若碳纤维复合材料能在轨交行业良性发展,预计每年可形成3~5万吨市场规模。