干货丨轨交复合材料产业化之路 ——六论国产碳纤维产业化之路

1 国产碳纤维产业化应用的下一个工业领域

目前大家关注的国产碳纤维大量应用的工业领域主要是：风电叶片、以氢燃料储气罐为主的高压压力容器、汽车和轨道交通车辆。风电叶片目前已然成为超过民航碳纤维用量的新的碳纤维应用领域，国产碳纤维如何开拓在风电叶片领域的应用将另文讨论。压力容器大量使用碳纤维的要害是碳纤维性能的一致性和稳定性，同样碳纤维价格也是另一个制约的要素，相对于其他结构件，碳纤维价格在制品中的占比要高得多，工艺创新有助于降低制件成本，但潜力比其他工业领域要小。此外碳纤维缠绕压力容器只是氢燃料罐的组成部分，其价格只是部分取决于碳纤维价格，碳纤维缠绕氢燃料储气罐的大量应用还与其他很多因素有关，例如加氢站的设置等。汽车领域是碳纤维界热议最多，也是有可能用量多达几十万吨的工业领域，但在量产车上的应用有待于设计、材料、成型制造工艺及回收技术的进展，近期恐难突破。轨道交通则是由中国国情决定的领域，几万吨用量是可以预期的。由于碳纤维复合材料高端应用首先在航空航天领域，现有的先进复合材料（不同于玻璃钢）技术（材料、设计、成型工艺、装配制造及维护等，以CMH-17《复合材料手册》为代表）主要是基于航空航天领域应用的经验教训总结，因此将碳纤维复合材料在其他工业领域的推广应用难易也取决于与航空航天领域应用环境的差异程度（实际上风电叶片的很多设计理念来源于直升机旋翼桨叶）。节能减排是当前世界各国发展的要求，结构轻量化是实现节能减排的有效措施之一，碳纤维复合材料又是实现结构轻量化的首选材料，从而在交通运输行业的推广应用碳纤维是国产碳纤维产业化首先必须关注的工业领域，表1是作者对碳纤维在交通运输：民航、轨道交通车辆（包括公交车辆）和量产汽车三个领域应用技术的比较，轨交领域和量产汽车领域，可以看出，与量产汽车行业相比，在中国轨交车辆结构的应用有可能是首先大量使用国产碳纤维的工业领域（当然必须由中车集团引导）。作者的判断是：

1) 轨道交通车辆（包括公交车辆）有可能是继风电叶片后，（在中国）先于汽车行业大量使用碳纤维复合材料的另一工业领域；

2) 在中国，轨交车辆可能是国产碳纤维实现其价值得到大规模应用的首个工业领域。

2 轨道交通复合材料结构产业化之路

作者从2011年起开始关注碳纤维复合材料在轨交领域的应用，多年来在恒神参与了多个国产轨交车辆碳纤维复合材料结构的研制和评审，对如何实现轨交车辆碳纤维复合材料结构产业化应用有一些体会。

轨交行业碳纤维复合材料结构产业化之路可借鉴民机复合材料结构的产业化之路的经验教训。图1给出了民机复合材料结构产业化的进程，图中ACEE（飞机能效）、ACT（先进复合材料技术）、AST（亚声速飞机技术）、CAI（低成本复合材料）、TANGO（应用技术近期目标）和ALCAS（先进低成本机体结构）是美国和欧洲在近40年里赞助的推动碳纤维复合材料在民机结构中大量应用的研究计划，这些计划主要解决产业化过程中遇到的信心（安全）、技术、成本三个难题，其中最关键的是成本，所以“买得起”（affordability）构成了这些计划的核心和目标。从民机应用过程可以看出，分为三个阶段：非承力构件、次承力构件和主承力构件，直至本世纪初以波音787和空客350碳纤维复合材料结构分别占结构总重的50%和52%为标志实现了民机碳纤维复合材料结构产业化的目标。时至今日，波音和空客公司仍在持续追求进一步降低成本的复合材料技术。当然轨交碳纤维复合材料结构的产业化之路相对来说应远远比民航应用要快，用不了30年。

图1 商用飞机复合材料结构产业化之路

根据轨交行业的特点，作者设想了轨交行业碳纤维复合材料结构的产业化之路如图2和图3所示，其中非承力件如裙板等；车体结构包括设备舱、车头罩、全尺寸车厢等；注承力件包括枕梁、转向架等。目前大家关注主要集中在轨交复合材料结构的研制，即首先解决信心（安全性）和技术，成本暂时放在次要地位，迄今已取得显著的成果，比较吸人眼球的如青岛四方和长客的全碳纤维地铁车体、长客的有轨电车车体、长客的枕梁和四方的转向架等，在初始阶段这种策略是正确的，轨交行业已对碳纤维复合材料的认识有了长足的进步，根据作者的体会，复合材料界与轨交行业技术与管理人员的沟通已渐入佳境，为轨交复合材料结构的产业化提供了基础。

当前面临的主要是如何使碳纤维复合材料结构制件低成本化，以及总结研制阶段获得的经验教训，制订轨交行业碳纤维复合材料结构所需的材料、设计、成型、制造规范标准和相应的管理文件。顺便说一句，民航飞机的验收标准是由欧美制订的适航条例，中国缺乏经验只能遵照执行；而中国轨交车辆的设计、制造和使用量已远远超过了欧美等其他先进制造大国，取得的经验教训是其他国家无法获得的，标准规范就是设计、制造和使用的经验教训总结，如果好好总结提高，可以制定出领先于其他国家的标准规范（起码可以根据中国的实践，增加若干体现中国特色的条款），何至于在国际上招标还要执行欧标。俗话说一流企业做标准，二流企业做品牌，三流企业做产品，中车集团应该在世界上是轨交领域的一流企业，但没有中国标准就配不上一流企业。

切记轨交复合材料结构产业化来不得大跃进，低成本化之路是一条艰辛之路，需要由主机厂牵头将复合材料原材料生产、结构设计、成型工艺、结构制造、设备制造等厂商（团队）等组成紧密配合的工作队，按研发 低成本化 批量化生产的路线，朝着实现轨交复合材料结构全寿命成本（制造成本+使用成本+维护成本+回收成本）优于金属结构方向努力，可以在不太长的时间实现轨交复合材料结构产业化生产，同时实现国产碳纤维在轨交行业大批量应用，到那时，几万吨碳纤维的年需量不会是梦。

复合材料界经常说；设计是龙头、材料是基础、制造是关键、应用是目的、维护是保障，其中低成本化突破的关键首先是设计，回顾碳纤维复合材料风电叶片实现产业化的关键就是VESTAS在结构设计思路上的突破，轨交行业碳纤维复合材料应用产业化的突破也必须首先在设计理念上的突破，既要继承航空航天的碳纤维复合材料技术，又必须跳出航空航天固定思维的理念，才可能实现。同时很多研发人员往往忽视应用是目的，在开发过程中没有始终把批量生产作为目标，当下我国科研项目成果颇丰，但实现产业化的很少，原因之一就是我国很多科研项目在制订时没有明确的产业化目标。

目前从事轨交碳纤维复合材料结构的研发人员来源于各种不同的行业，表2列出了他们各自的优点和弱点，因此这些研发人员要对此有所认识，发扬优点，克服自身的弱点，才有可能在轨交碳纤维复合材料结构的设计中进行创新。表中提及的碳纤维复合材料结构的精细设计与制造主要源于碳纤维复合材料是一种高成本的材料，其用途主要是追求轻量化、对安全性要求极高的结构，势必需要对结构设计和制造做到精细化，才能充分利用材料的优势，表现为：对材料性能测试尽可能准确，结构设计的安全裕度在满足结构完整性要求的前提下尽可能小，在主承力方向0°方向纤维尽可能多，碳纤维在复合材料中所占的比例尽可能高，制件中的缺陷尽可能少等等。

总之，在前期已开展大量预研的基础上，当前轨交碳纤维复合材料结构研制应转向下列重点：

1) 建立轨道交通复合材料结构适用的标准、规范和手册；

2) 以轨道交通车辆制造商牵头，组成包括原材料供应商、复合材料结构设计专业团队、设备供应商、复合材料结构生产厂等紧密结合的全产业链联盟；

3) 集中精力开发具有产业化前景的结构件（即买得起的复合材料轨道交通复合材料结构件），首先着重对已有研发基础的结构开展低成本化研究，在取得阶段性成果（即全寿命成本接近市场可接受水平）后进行小批量生产和试运行，同时开展产业化研究，建立大批量生产的生产线。

图2 轨道交通复合材料结构产业化之路

图3 设想的轨道交通复合材料结构产业化进程

3 轨交碳纤维复合材料结构的研发体会

如CMH-17《复合材料手册》中指出的碳纤维复合材料结构研发特点：“并行工程，由设计师、应力分析、材料和工艺、制造、质量控制、后勤保障工程师（可靠性、维护性和生存性）以及成本估算师组成的团队联合、并行地研制新产品或新系统，现已成为公认的设计方法。”这里列出了作者接触到，目前轨交复合材料结构研发中出现的一些问题和今后的设想。

3.1 设计规范

结构安全性的标准是满足结构完整性要求，飞机结构完整性的定义是：“影响飞机安全使用和成本费用的机体结构的强度、刚度、损伤容限、耐久性和功能的总称。”具体体现就是飞机结构强度与刚度设计规范，该定义基本上适用于对安全性有较高要求的其他工业领域。各工业领域的结构都必须按各自的强度刚度设计规范进行结构安全性评估，但只有少数工业领域的规范包含复合材料结构的内容，如表3所示，其中航空领域的条款是针对碳纤维复合材料的应用，而传播和风电叶片的规范主要是玻璃钢应用经验的总结，不一定适用于碳纤维复合材料，其他工业领域基本没有复合材料的应用经验，没有适用的的设计规范要求。目前多数轨交复合材料结构设计师或者通过增加安全系数，或者是遵照玻璃钢风电叶片的设计规范来进行设计，实际上这种设计方法存在很大的安全隐患。根据作者对飞机碳纤维复合材料结构设计与使用及飞机复合材料结构强度与刚度设计规范编制过程中的体会，飞机规范中的下列要点应适用于其他工业领域以杆板壳形式出现的复合材料结构，参见表4。

3.2 结构设计

1) 整体化结构与工艺成本的权衡

复合材料成型工艺的特点是适合于整体成型复杂形状零件，可以减少装配工作量和紧固件，但会增加模具的复杂性和加工成本，同时过分整体化给维修带来隐患，必须适度。

2) 充分利用复合材料铺层的可设计性

很多缺乏碳纤维复合材料结构设计经验的设计师不会利用复合材料铺层的可设计性，习惯于按准各向同性材料进行设计，只是利用密度小的优势，往往达不到最佳的减重效果。此外习惯于采用夹层结构来提高结构刚度，不习惯采用加筋结构来满足刚度要求。

3) 创新的连接方法

连接一直是结构设计的难点，轨交复合材料结构无法采用金属结构的传统连接方式，采用航空结构的连接方式往往比较昂贵，如何在二者当中取得平衡，可能必须采用创新的连接方式。

4) 多种材料/多种工艺混用

有两个层次的混用，即组件结构级和零件级。组件级中零件可以采用不同材料和工艺制造，然后将不同材料（工艺）制造的零件进行组装，其中关键零件可能需要使用碳纤维复合材料，其他零件可以采用玻璃纤维、工程塑料、SMC、LFT甚至金属制造，然后组装在一起；零件级也可以采用多种材料/工艺一次成型，如图4和图5所示，也可以像风电叶片一样，由不同材料/工艺生产出半成品零件最后整体成型。

材料：热塑单向带+LFT 工艺：模压+注射

图4 用不同材料/工艺制造的汽车零件

5) 结构功能一体化

传统碳纤维复合材料结构主要考虑中结构力学性能要求，其他功能，例如保温、减震降噪、电磁性能、导电性能等采用其他方法解决，今后可以在结构设计时利用复合材料可设计性（包括功能）的优势，通过特种纤维、树脂或夹芯材料及材料设计，在结构成型的同时满足其特种功能需求。

6) 结构组件标准化

风电叶片的结构设计创新在于将复杂大型整体成型的叶片分解为将若干标准件进行组装后整体成型，其中的标准件可以采用传统工艺高效生产，其性能优于一次整体成型的大型零件。这种设计思路同样可以在轨交复合材料结构中采用。

图5 风电叶片结构

3.3 选材和材料性能确定方法

1) 阻燃性能

轨交结构对阻燃性能有很高的要求，目前可用的树脂体系很难满足，当然通过研发可以获得满足轨交阻燃标准的材料体系，但满足阻燃要求的材料体系的成本及工艺性可能无法接受，必要时需要将阻燃要求与工艺性及成本进行权衡。毫无疑问结构的阻燃要求是完整性要求的一部分，必须满足，但是否可以由材料体系本身与其他结构设计途径各分担一部分，而不是全部归为材料体系的要求。

2) 材料性能分散性

金属的性能在离开材料供应商之后基本确定，后续的加工（除热处理、锻造外）对材料性能基本没有影响；而复合材料的特点是材料与结构同时形成，没有结构也没有材料，材料性能分散性的来源包括材料组分与生产以及结构成型工艺两部分，性能分散性比金属要大，因此对设计用材料性能数据的确定方法也不同于金属，要借鉴航空领域的方法建立碳纤维复合材料体系稳定性的评估方法与后续供料一致性的管理体系，不能简单地采用增加安全系数的习惯方法。民机咨询通报AC20-107B《飞机复合材料结构》中提出的原则：“要建立覆盖材料、材料工艺和制造方法的标准，确保制造可重现和可靠结构的基础。需要材料规范来保证所采购材料的一致性，并用批次验收试验或统计过程控制来保证材料性能任何时候都不会出现偏离。应建立覆盖工艺方法的规范来保证能生产出可重现且可靠的结构，在每一材料规范中定义的工艺鉴定与验收试验的方法应代表拟采用的制造工艺，生产试验件的工艺参数应与制造真实产品零件所用的工艺参数尽可能相一致，试验件与产品零件都必须符合材料与工艺规范。”同样适用于对安全性有很高要求的其他工业领域。

3) 原材料国产化

a) 原材料国产化除是轨交复合材料结构稳定生产的安全保障外（虽然不像军机与民机原材料供应安全性那么重要），同时也是作为战略物资的国产碳纤维产业发展的良机。航空复合材料结构用原材料需要在飞机结构研发阶段同时完成原材料的鉴定及材料规范的制订，飞机取得适航后其他来源供应商进入供应链是非常痛苦的过程，甚至不一定再有机会，国产碳纤维若是无法在轨交复合材料结构研制阶段进入图纸，研制完成后进入也将是极其痛苦的进程，甚至就此失去机会。

b) 作为轨交结构所用的原材料，必须同时提供碳纤维和满足轨交使用要求相匹配的树脂，满足使用要求（包括性能与工艺性）的树脂通常无法从市场上直接获取，必须专门研发。

3.4 适合轨道交通行业特点的成型工艺

1996年在由美国国家科学院、国家工程院和国家医学研究院下属先进民用飞机新材料专业委员会编制的《下一代民用运输机用的新材料》中明确指出：“虽然复合材料的市场销量增长缓慢往往归因为原材料的高成本，但材料成本实际上仅占复合材料构件总成本的8%~10%。事实上工艺制造成本是总成本中最高的单项成本。过去性能因素推动着复合材料在航空航天中的应用研究，但近年来成本则起到了更大的作用。这样，开发下一代民用运输机工艺的一个基本准则是低成本制造的可能性。委员会相信，在可预见的将来，发展趋势是不断开发低成本的制造工艺。” 该建议同样适用于轨交复合材料结构。复合材料结构成型工艺通常包括下列几类：热压罐工艺、液体成型工艺、模压工艺、真空袋（非热压罐）、拉挤工艺和缠绕工艺成型工艺等。在民机结构成型工艺传统以热压罐工艺为主，在低成本化过程中，液体成型（VARI、RFI、RTM等）工艺正在开始替代热压罐工艺；航天领域大量采用缠绕工艺，在其他行业出于成本考虑采用了很多低成本的工艺；轨道交通碳纤维复合材料结构目前多采用液体成型和非热压罐工艺，少量也使用热压罐工艺，考虑到降低成本的要求，不是所有的结构都有很高的性能要求，因此除碳纤维外还会采用多种其他材料制造的结构（或结构组分），同时也可以采用其他低成本的成型工艺，如图5所示。风电叶片的使用经验已为其他工业领域碳纤维复合材料的使用提供了启示。

图6 不同工业领域采用的成型工艺

3.5 复合材料回收技术

对于目前年产量几百万吨的玻璃钢废弃物、年用量超过2万吨的碳纤维复合材料飞机结构、超过2万吨的碳纤维复合材料风电叶片，复合材料回收技术是更加迫切的问题。好在复合材料的回收技术近年来已取得很大进展，例如最近网上流传“碳纤维回收性里程碑ELG与波音携手共筑”，波音公司将从2017年3月开始每年向ELG发送454吨的废料，由ELG公司回收在加工，今年11月10日在北京召开了“首届纤维复合材料回收国际论坛”并成立了纤维复合材料再生分会，从会议报道及群中的交流可以看出，纤维复合材料回收再利用技术在国际和国内都取得了突破性进展，为轨交领域使用碳纤维复合材料没有了后顾之忧。

4 结束语

所有的新材料从研发到实现产业化应用都要经过漫长的历程，碳纤维如此，纳米材料和石墨烯材料也是如此，研发人员要首先意识到所开发新材料的优势和劣势，找寻最适用的应用领域，并与该领域的应用对象密切合作开发出可以实现性价比优于原用材料的示范产品，然后沿此方向继续扩大应用，才能实现在工业领域的大规模应用。新材料的开发者不应寄希望由用户首先开发出适用的产品，因为新材料开发者最清楚这种材料的优缺点，也只有开发者主动与用户一起实现从材料到产品的工艺路线，才能实现新材料的最初应用。回顾碳纤维的发展历史，如果不是东丽首先在高尔夫球杆上实现产业化应用，就不可能会有民用飞机碳纤维复合材料应用的今天。