沈真

1 國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化應用的下一個工業(yè)領域

目前，業(yè)界關注的國產(chǎn)碳纖維大量應用的工業(yè)領域主要是：風電葉片、以氫燃料儲氣罐為主的高壓壓力容器、汽車和軌道交通車輛。風電葉片目前已然成為超過民航碳纖維用量的新的碳纖維應用領域，國產(chǎn)碳纖維如何開拓在風電葉片領域的應用將另文討論。壓力容器大量使用碳纖維的關鍵是碳纖維性能的一致性和穩(wěn)定性，同樣碳纖維價格也是另一個制約的要素，相對于其他結構件，碳纖維價格在制品中的占比要高得多，工藝創(chuàng)新有助于降低制件成本，但潛力比其他工業(yè)領域要小。此外碳纖維纏繞壓力容器只是氫燃料罐的組成部分，其價格只是部分取決于碳纖維價格，碳纖維纏繞氫燃料儲氣罐的大量應用還與其他很多因素有關，例如加氫站的設置等。汽車領域是碳纖維界熱議最多的領域，也是有可能用量多達幾十萬噸的工業(yè)領域，但在量產(chǎn)上有待于設計、材料、成型制造工藝及回收技術的進展，近期恐難突破。碳纖維在軌道交通領域的應用則是由中國國情決定的，其用量達幾萬噸是可以預期的。

由于碳纖維復合材料高端應用首先在航空航天領域，現(xiàn)有的先進復合材料（不同于玻璃鋼）技術（材料、設計、成型工藝、裝配制造及維護等，以CMH—17《復合材料手冊》為代表）主要是基于航空航天領域應用的經(jīng)驗教訓總結，因此將碳纖維復合材料在其他工業(yè)領域的推廣應用難易也取決于與航空航天領域應用環(huán)境的差異程度（實際上風電葉片的很多設計理念來源于直升機旋翼槳葉）。節(jié)能減排是當前世界各國發(fā)展的要求，結構輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的有效措施之一，碳纖維復合材料又是實現(xiàn)結構輕量化的首選材料，從而在交通運輸行業(yè)的推廣應用碳纖維是國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化首先必須關注的工業(yè)領域。表1是筆者對碳纖維在交通運輸領域應用技術的比較，具體包括民航、軌道交通車輛（包括公交車輛）和量產(chǎn)汽車3個領域。

可以看出，與量產(chǎn)汽車行業(yè)相比，在中國軌道交通車輛結構的應用有可能是首先大量使用國產(chǎn)碳纖維的工業(yè)領域（當然必須由中車集團引導）。筆者的判斷是：①軌道交通車輛（包括公交車輛）有可能是繼風電葉片后，（在中國）先于汽車行業(yè)大量使用碳纖維復合材料的另一工業(yè)領域；②在中國，軌道交通車輛可能是國產(chǎn)碳纖維實現(xiàn)其價值得到大規(guī)模應用的首個工業(yè)領域。

2 軌道交通復合材料結構產(chǎn)業(yè)化之路

筆者從2011年起開始關注碳纖維復合材料在軌道交通領域的應用，多年來在江蘇恒神股份有限公司（以下簡稱“恒神”）參與了多個國產(chǎn)軌道交通車輛碳纖維復合材料結構的研制和評審，對如何實現(xiàn)軌道交通車輛碳纖維復合材料結構產(chǎn)業(yè)化應用有一些體會。

軌道交通行業(yè)碳纖維復合材料結構產(chǎn)業(yè)化之路可借鑒民機復合材料結構的產(chǎn)業(yè)化之路的經(jīng)驗教訓。圖1給出了民機復合材料結構產(chǎn)業(yè)化的進程。圖1中飛機能效（ACEE）、先進復合材料技術（ACT）、亞聲速飛機技術（AST）、低成本復合材料（CAI）、應用技術近期（目標TANGO）和先進低成本機體結構（ALCAS）是美國和歐洲在近40年里贊助的推動碳纖維復合材料在民機結構中大量應用的研究計劃，這些計劃主要解決產(chǎn)業(yè)化過程中遇到的信心（安全）、技術、成本3個難題，其中最關鍵的是成本，所以“買得起（affordability）”構成了這些計劃的核心和目標?？梢钥闯觯祭w維產(chǎn)品在民機上的應用經(jīng)歷了3個階段，先是非承力構件，然后是次承力構件，最后是主承力構件。直至20世紀初以波音787和空客350碳纖維復合材料結構分別占結構總重的50%和52%為標志，實現(xiàn)了民機碳纖維復合材料結構產(chǎn)業(yè)化的目標。時至今日，波音和空客公司仍在持續(xù)追求進一步降低成本的復合材料技術。當然軌道交通碳纖維復合材料結構的產(chǎn)業(yè)化之路相對來說應遠遠比民航應用要快，用不了30年。

根據(jù)軌道交通行業(yè)的特點，筆者設想了軌道交通行業(yè)碳纖維復合材料結構的產(chǎn)業(yè)化之路，如圖2和圖3所示。其中，非承力件如裙板等，車體結構包括設備艙、車頭罩、全尺寸車廂等，主承力件包括枕梁、轉向架等。目前大家的關注點主要集中在軌道交通復合材料結構的研制，即首先解決信心（安全性）和技術，成本暫時放在次要地位，迄今已取得顯著的成績，比較吸人眼球的成果如青島四方機車車輛股份有限公司和中車長春軌道客車股份有限公司（以下簡稱“長客”）的全碳纖維地鐵車體，長客的有軌電車車體、長客的枕梁和四方的轉向架等。在初始階段這種策略是正確的，軌道交通行業(yè)已對碳纖維復合材料的認識已經(jīng)有了長足的進步。根據(jù)筆者的體會，復合材料界與軌道交通行業(yè)技術與管理人員的溝通已漸入佳境，為軌道交通復合材料結構的產(chǎn)業(yè)化提供了基礎。

當前，碳纖維在軌道交通領域應用所面臨的主要問題有如下幾點：使碳纖維復合材料結構制件低成本化，總結研制階段獲得的經(jīng)驗教訓，制訂軌道交通行業(yè)碳纖維復合材料結構所需的材料、設計、成型、制造規(guī)范標準和相應的管理文件。目前，民航飛機的驗收標準是由歐美制訂的適航條例，中國缺乏經(jīng)驗只能遵照執(zhí)行；而中國軌道交通車輛的設計、制造和使用量已遠遠超過了歐美等其他先進制造大國，取得的經(jīng)驗教訓是其他國家無法獲得的，標準規(guī)范就是設計、制造和使用的經(jīng)驗教訓總結，如果好好總結、提高，就可以制定出領先于其他國家的標準規(guī)范（起碼可以根據(jù)中國的實踐，增加若干體現(xiàn)中國特色的條款），何至于在國際上招標還要執(zhí)行歐標。俗話說，“一流企業(yè)做標準，二流企業(yè)做品牌，三流企業(yè)做產(chǎn)”，中車集團應該在世界上是軌道交通領域的一流企業(yè)，但沒有中國標準就配不上一流企業(yè)的稱謂。

軌道交通復合材料結構產(chǎn)業(yè)化切忌大躍進。低成本化之路是一條艱辛之路，需要由主機廠牽頭將復合材料原材料生產(chǎn)、結構設計、成型工藝、結構制造、設備制造等廠商（團隊）等組成緊密配合的工作隊，按研發(fā)→低成本化→批量化生產(chǎn)的路線，朝著實現(xiàn)軌道交通復合材料結構全壽命成本（制造成本+使用成本+維護成本+回收成本）、優(yōu)于金屬結構方向努力。在不太長的時間里，可以實現(xiàn)軌道交通復合材料結構產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，同時實現(xiàn)國產(chǎn)碳纖維在軌道交通行業(yè)大批量應用，到那時，幾萬噸碳纖維的年需量絕不會是夢。

復合材料界經(jīng)常說，設計是龍頭、材料是基礎、制造是關鍵、應用是目的、維護是保障，其中低成本化突破的關鍵首先是設計?；仡櫶祭w維復合材料風電葉片實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關鍵就是VESTAS在結構設計思路上的突破，軌道交通行業(yè)碳纖維復合材料應用產(chǎn)業(yè)化的突破也必須首先在設計理念上的突破，既要繼承航空航天的碳纖維復合材料技術，又必須跳出航空航天固定思維的理念，才可能實現(xiàn)。同時很多研發(fā)人員往往忽視應用是目的，在開發(fā)過程中沒有始終把批量生產(chǎn)作為目標，當下我國科研項目成果頗豐，但實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的很少，原因之一就是我國很多科研項目在制訂時沒有明確的產(chǎn)業(yè)化目標。

目前從事軌道交通碳纖維復合材料結構的研發(fā)人員來源于各種不同的行業(yè)，表2列出了他們各自的優(yōu)點和弱點，因此這些研發(fā)人員要對此有所認識，發(fā)揚優(yōu)點、克服自身的弱點，才有可能在軌道交通碳纖維復合材料結構的設計中進行創(chuàng)新。表中提及的碳纖維復合材料結構的精細設計與制造主要源于碳纖維復合材料是一種高成本的材料，其用途主要是追求輕量化、對安全性要求極高的結構，勢必需要對結構設計和制造做到精細化，才能充分利用材料的優(yōu)勢，表現(xiàn)為：對材料性能測試盡可能準確，結構設計的安全裕度在滿足結構完整性要求的前提下盡可能小，在主承力0°方向纖維盡可能多，碳纖維在復合材料中所占的比例盡可能高，制件中的缺陷盡可能少等等。

總之，在前期已開展大量預研的基礎上，當前軌道交通碳纖維復合材料結構研制應轉向下列重點：①建立軌道交通復合材料結構適用的標準、規(guī)范和手冊；②以軌道交通車輛制造商牽頭，組成包括原材料供應商、復合材料結構設計專業(yè)團隊、設備供應商、復合材料結構生產(chǎn)廠等緊密結合的全產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)盟；③集中精力開發(fā)具有產(chǎn)業(yè)化前景的結構件（即買得起的復合材料軌道交通復合材料結構件），首先著重對已有研發(fā)基礎的結構開展低成本化研究，在取得階段性成果（即全壽命成本接近市場可接受水平）后進行小批量生產(chǎn)和試運行，同時開展產(chǎn)業(yè)化研究，建立大批量生產(chǎn)的生產(chǎn)線。

3 軌道交通碳纖維復合材料結構的研發(fā)體會

如CMH—17《復合材料手冊》中指出的碳纖維復合材料結構研發(fā)特點：“并行工程，由設計師、應力分析、材料和工藝、制造、質量控制、后勤保障工程師（可靠性、維護性和生存性）以及成本估算師組成的團隊聯(lián)合、并行地研制新產(chǎn)品或新系統(tǒng)，現(xiàn)已成為公認的設計方法。”這里列出了筆者接觸到，目前軌道交通復合材料結構研發(fā)中出現(xiàn)的一些問題和今后的設想。

3.1 設計規(guī)范

結構安全性的標準是滿足結構完整性要求，飛機結構完整性的定義是：“影響飛機安全使用和成本費用的機體結構的強度、剛度、損傷容限、耐久性和功能的總稱?！本唧w體現(xiàn)就是飛機結構強度與剛度設計規(guī)范，該定義基本上適用于對安全性有較高要求的其他工業(yè)領域。各工業(yè)領域的結構都必須按各自的強度剛度設計規(guī)范進行結構安全性評估，但只有少數(shù)工業(yè)領域的規(guī)范包含復合材料結構的內容，如表3所示。其中航空領域的條款是針對碳纖維復合材料的應用，而船舶和風電葉片的規(guī)范主要是玻璃鋼應用經(jīng)驗的總結，不一定適用于碳纖維復合材料，其他工業(yè)領域基本沒有復合材料的應用經(jīng)驗，沒有適用的的設計規(guī)范要求。目前多數(shù)軌道交通復合材料結構設計師或者通過增加安全系數(shù)，或者是遵照玻璃鋼風電葉片的設計規(guī)范來進行設計，實際上這種設計方法存在很大的安全隱患。根據(jù)筆者對飛機碳纖維復合材料結構設計與使用及飛機復合材料結構強度與剛度設計規(guī)范編制過程中的體會，飛機規(guī)范中的下列要點應適用于其他工業(yè)領域以桿板殼形式出現(xiàn)的復合材料結構，參見表4。

3.2 結構設計

3.2.1 整體化結構與工藝成本的權衡

復合材料成型工藝的特點是適合于整體成型復雜形狀零件，可以減少裝配工作量和緊固件，但會增加模具的復雜性和加工成本，同時過分整體化給維修帶來隱患，必須適度。

3.2.2 充分利用復合材料鋪層的可設計性

很多缺乏碳纖維復合材料結構設計經(jīng)驗的設計師不會利用復合材料鋪層的可設計性，習慣于按準各向同性材料進行設計，只是利用密度小的優(yōu)勢，往往達不到最佳的減重效果；此外，習慣于采用夾層結構來提高結構剛度，不習慣采用加筋結構來滿足剛度要求。

3.2.3 創(chuàng)新的連接方法

連接一直是結構設計的難點，軌道交通復合材料結構無法采用金屬結構的傳統(tǒng)連接方式，采用航空結構的連接方式往往比較昂貴，如何在二者當中取得平衡，可能必須采用創(chuàng)新的連接方式。

3.2.4 多種材料/多種工藝混用

有2個層次的混用，即組件結構級和零件級。組件級中零件可以采用不同材料和工藝制造，然后將不同材料（工藝）制造的零件進行組裝，其中關鍵零件可能需要使用碳纖維復合材料，其他零件可以采用玻璃纖維、工程塑料、片狀模塑料（Sheet Molding Compound，SMC）、長纖維增強熱塑性材料（Long Fiber reinforced Thermoplastics，LFT），甚至金屬制造，然后組裝在一起。零件級也可以采用多種材料/工藝一次成型（圖 4），也可以像風電葉片一樣，由不同材料/工藝生產(chǎn)出半成品零件最后整體成型（圖5）。

3.2.5 結構功能一體化

傳統(tǒng)碳纖維復合材料結構主要考慮中結構力學性能要求，其他功能，例如保溫、減震降噪、電磁性能、導電性能等采用其他方法解決，今后可以在結構設計時利用復合材料可設計性（包括功能）的優(yōu)勢，通過特種纖維、樹脂或夾芯材料及材料設計，在結構成型的同時滿足其特種功能需求。

3.2.6 結構組件標準化

風電葉片的結構設計創(chuàng)新在于將復雜大型整體成型的葉片分解為將若干標準件進行組裝后整體成型，其中的標準件可以采用傳統(tǒng)工藝高效生產(chǎn)，其性能優(yōu)于一次整體成型的大型零件。這種設計思路同樣可以在軌道交通復合材料結構中采用。

3.3 選材和材料性能確定方法

3.3.1 阻燃性能

軌道交通結構對阻燃性能有很高的要求，目前可用的樹脂體系很難滿足，當然通過研發(fā)可以獲得滿足軌道交通阻燃標準的材料體系，但滿足阻燃要求的材料體系的成本及工藝性可能無法接受，必要時需要將阻燃要求與工藝性及成本進行權衡。毫無疑問結構的阻燃要求是完整性要求的一部分，必須滿足，但是否可以由材料體系本身與其他結構設計途徑各分擔一部分，而不是全部歸為材料體系的要求。

3.3.2 材料性能分散性

金屬的性能在離開材料供應商之后基本確定，后續(xù)的加工（除熱處理、鍛造外）對材料性能基本沒有影響；而復合材料的特點是材料與結構同時形成，沒有結構也沒有材料，材料性能分散性的來源包括材料組分與生產(chǎn)以及結構成型工藝2部分，性能分散性比金屬要大，因此對設計用材料性能數(shù)據(jù)的確定方法也不同于金屬，要借鑒航空領域的方法建立碳纖維復合材料體系穩(wěn)定性的評估方法與后續(xù)供料一致性的管理體系，不能簡單地采用增加安全系數(shù)的習慣方法。民機咨詢通報AC20-107B《飛機復合材料結構》中提出的原則：“要建立覆蓋材料、材料工藝和制造方法的標準，確保制造可重現(xiàn)和可靠結構的基礎。需要材料規(guī)范來保證所采購材料的一致性，并用批次驗收試驗或統(tǒng)計過程控制來保證材料性能任何時候都不會出現(xiàn)偏離。應建立覆蓋工藝方法的規(guī)范來保證能生產(chǎn)出可重現(xiàn)且可靠的結構，在每一材料規(guī)范中定義的工藝鑒定與驗收試驗的方法應代表擬采用的制造工藝，生產(chǎn)試驗件的工藝參數(shù)應與制造真實產(chǎn)品零件所用的工藝參數(shù)盡可能相一致，試驗件與產(chǎn)品零件都必須符合材料與工藝規(guī)范?！蓖瑯舆m用于對安全性有很高要求的其他工業(yè)領域。

3.3.3 原材料國產(chǎn)化

第一，原材料國產(chǎn)化除是軌道交通復合材料結構穩(wěn)定生產(chǎn)的安全保障外（雖然不像軍機與民機原材料供應安全性那么重要），同時也是作為戰(zhàn)略物資的國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的良機。航空復合材料結構用原材料需要在飛機結構研發(fā)階段同時完成原材料的鑒定及材料規(guī)范的制訂，飛機取得適航后其他來源供應商進入供應鏈是非常痛苦的過程，甚至不一定再有機會，國產(chǎn)碳纖維若是無法在軌道交通復合材料結構研制階段進入圖紙，研制完成后進入也將是極其痛苦的進程，甚至就此失去機會。

第二，作為軌道交通結構所用的原材料，必須同時提供碳纖維和滿足軌道交通使用要求相匹配的樹脂，滿足使用要求（包括性能與工藝性）的樹脂通常無法從市場上直接獲取，必須專門研發(fā)。

3.4 適合軌道交通行業(yè)特點的成型工藝

1996年，在由美國國家科學院、國家工程院和國家醫(yī)學研究院下屬先進民用飛機新材料專業(yè)委員會編制的《下一代民用運輸機用的新材料》中明確指出：“雖然復合材料的市場銷量增長緩慢往往歸因為原材料的高成本，但材料成本實際上僅占復合材料構件總成本的8%～10%。事實上工藝制造成本是總成本中最高的單項成本。過去性能因素推動著復合材料在航空航天中的應用研究，但近年來成本則起到了更大的作用。這樣，開發(fā)下一代民用運輸機工藝的一個基本準則是低成本制造的可能性。委員會相信，在可預見的將來，發(fā)展趨勢是不斷開發(fā)低成本的制造工藝。”該建議同樣適用于軌道交通復合材料結構。復合材料結構成型工藝通常包括下列幾類：熱壓罐工藝、液體成型工藝、模壓工藝、真空袋（非熱壓罐）、拉擠工藝和纏繞工藝成型工藝等。在民機結構成型工藝傳統(tǒng)以熱壓罐工藝為主，在低成本化過程中，液體成型（VARI、RFI、RTM等）工藝正在開始替代熱壓罐工藝。航天領域大量采用纏繞工藝，在其他行業(yè)出于成本考慮采用了很多低成本的工藝。軌道交通碳纖維復合材料結構目前多采用液體成型和非熱壓罐工藝，少量也使用熱壓罐工藝，考慮到降低成本的要求，不是所有的結構都有很高的性能要求，因此除碳纖維外還會采用多種其他材料制造的結構（或結構組分），同時也可以采用其他低成本的成型工藝，如圖6所示。風電葉片的使用經(jīng)驗已為其他工業(yè)領域碳纖維復合材料的使用提供了啟示。

3.5 復合材料回收技術

對于目前年產(chǎn)量幾百萬噸的玻璃鋼廢棄物、年用量超過2萬t的碳纖維復合材料飛機結構、超過2萬t的碳纖維復合材料風電葉片，復合材料回收技術是更加迫切的問題。好在復合材料的回收技術近年來已取得很大進展。波音公司將從2017年3月開始每年向ELG發(fā)送 454t的廢料，由ELG公司回收在加工。2018年11月10日， “首屆纖維復合材料回收國際論壇”在北京召開，并成立了纖維復合材料再生分會。纖維復合材料回收再利用技術在國際和國內都取得了突破性進展，為軌道交通領域使用碳纖維復合材料解除了后顧之憂。

4 結語

回顧碳纖維的發(fā)展歷史，如果不是東麗首先在高爾夫球桿上實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用，就不可能會有民用飛機碳纖維復合材料應用的今天。所有的新材料從研發(fā)到實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用都要經(jīng)過漫長的歷程，碳纖維如此，納米材料和石墨烯材料也是如此。研發(fā)人員要首先意識到所開發(fā)新材料的優(yōu)勢和劣勢，找尋最適用的應用領域，并與該領域的應用對象密切合作開發(fā)出可以實現(xiàn)性價比優(yōu)于原用材料的示范產(chǎn)品，然后沿此方向繼續(xù)擴大應用，才能實現(xiàn)在工業(yè)領域的大規(guī)模應用。新材料的開發(fā)者不應寄希望由用戶首先開發(fā)出適用的產(chǎn)品，因為新材料開發(fā)者最清楚這種材料的優(yōu)缺點，也只有開發(fā)者主動與用戶一起實現(xiàn)從材料到產(chǎn)品的工藝路線，才能實現(xiàn)新材料的最初應用。