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從概念到落地,碳纖維地鐵車輛“CETROVO”總負責人丁叁叁 :碳纖維大規模應用要跨過這幾大鴻溝!
發布日期:2019-04-30  來源:新材料在線  瀏覽次數:256
 
   去年9月,是中車四方股份公司副總工程師丁叁叁記憶深刻的月份。在德國舉行的柏林國際軌道交通技術展上,中車四方股份公司正式發布了新一代碳纖維地鐵車輛“CETROVO”。作為CETROVO設計研發團隊指揮,丁叁叁松了口氣,CETROVO的面世證明了碳纖維復合材料在軌道交通承載結構的應用思路,可行。

 

CETROVO
 
  由中車四方股份公司與其在德國的中德研發中心聯合設計研制的碳纖維復合材料車體、轉向架構架、司機室、設備艙等部件,驗證了地鐵車輛主要承載結構應用碳纖維復合材料的設想。
 
  與采用鋼、鋁合金等傳統金屬材料的地鐵車輛相比,CETROVO的車體、司機室、設備艙分別減重30%以上,轉向架構架減重40%,整車減重13%。這意味著它的節能可達到多少?團隊給出了令人興奮的答案:15%。
 
  一陣熱鬧過后,丁叁叁眉頭緊蹙,龐大的CETROVO停留在中車四方在德累斯頓的聯合研發中心,它采用的碳纖維復合材料是從各個國家采購的,此外,它的造價也非常昂貴。
 
 

碳纖維司機室
 
  讓CETROVO從概念車到在國內落地并實現批量化供應絕非易事。原材料到工藝到市場,舉步維艱。特別是國產碳纖維面臨材料合格率、一致性不足,技術成熟度、工藝多樣性不足,產業鏈不完善、價格優勢微弱等諸多問題,制約著碳纖維軌交列車從概念走向商業的步伐。
 
  這讓丁叁叁憂心忡忡,不止是他,這成為整個軌道交通行業和碳纖維行業共同的心病。
 
  碳纖維是突破金屬局限的新希望
 
  “中國軌道交通行業充滿活力,這為新材料碳纖維的推廣帶來需求窗口。”丁叁叁感覺到,這是將先進技術變成現實的好機會。
 
  有資料顯示,截至2018年5月,國內開通86條高鐵,服務里程2.85萬公里,在線高速動車組3100多組,運營里程及列車保有量均占世界2/3。服務于4縱4橫干線網,正向8縱8橫大網發展,覆蓋除西藏外的全部省份。預計到2020年營運里程將超過3萬公里,列車保有量將達3800組 。
 
  中國國土面積廣袤,氣侯地理環境多樣化,高鐵面臨的工況從東南沿海的高溫高濕的環境到東北高寒、西北沙漠的環境。提升速度與長期服役,都給高鐵的設計提出巨大挑戰。
 
  大的體量下,安全運行、投入成本、運營效能是中國軌道交通行業最大的任務。
 
  “以輕量化為核心的綜合解決方案是解決安全與效能的最好方案。”丁叁叁認為,輕量化的方案擺在業界的有兩條路:高強度合金材料和復合材料。
 
  近十幾年,合金材料的潛力被逼到了極限。從最早的二十來噸的客車車體重量硬生生被壓縮到如今的七八噸。丁叁叁意識到,不斷地被力學優化的合金材料真的已經到了極限。“或許我們可以找到一種綜合型的優良材料可以突破金屬材料的局限。”
 
  CETROVO的誕生,在一定程度上,已經給出了答案。
 
  CETROVO實質上是一個碳纖維在軌交列車應用的技術載體,承載著更高速度、更輕質量、更好室內環境、更高牽引效率、更先進制動系統等等的新概念。
 

碳纖維轉向架構架
 
  CETROVO雖然誕生,但距離碳纖維夢想照進軌道交通應用的現實距離還很遠。
 
  丁叁叁團隊的計劃是,將 CETROVO在國內復制,尋找國內的碳纖維原材料、工藝和技術實現量產和工程推廣,“無論是成本還是市場話語權,完全依賴進口碳纖維是不可行的,否則這會變成制約你的東西。”
 
  碳纖維大規模應用要跨過這幾大鴻溝
 
  碳纖維在軌交的應用在哪里卡住了?
 
  目前碳纖維在軌道交通的應用卡在什么地方?成本、效率、驗證、標準!從研發實驗臺走向工業化應用,中間隔著巨大的鴻溝。
 
  碳纖維是貴族材料,在目前的國內業界已經達成了這樣的共識。
 
  相關資料顯示,2017年,中國大陸的碳纖維理論產能為2.60萬噸,僅次于美國和日本,占全球產能比重18%,但實際供應僅7400多噸;而鋁合金的產量達792.2萬噸。“碳纖維的工業化水平遠未達到鋁合金、鋼材的工業化水平。”
 
  有限的規模決定了碳纖維的貴族光環,這也制約了碳纖維在軌交應用上往市場接受方向發展的腳步。
 
  “碳纖維復合材料的體系發展失衡,整個配套的工藝缺乏聯動。”從下游行業分布來看,航空航天、體育休閑和工業應用是國內碳纖維的三大應用方向,休閑體育行業占比超過55%,航空航天與汽車等領域的應用加起來僅5%。令丁叁叁憂心的是,國內碳纖維行業雷聲大雨點小,仍處于矛盾與觀察期,規模效益未現,導致價格優勢微弱。
 
  從技術層面來看,國產碳纖維材料面臨的短板是,精度和一致性不高,給后端設計帶來困難,差異性太大,無法批量化應用。根據相關數據顯示,2018年,我國碳纖維產能利用率僅30.77%。國產碳纖維找不到合適的應用領域,軌道交通找不到合適的碳纖維,丁叁叁認為,軌道交通應用的碳纖維定位并不高,但是對結構、工藝的有多樣性要求,這需要應用端與供應端的磨合,找到工藝技術的平衡點。
 
  碳纖維在軌道交通應用的行業標準是空白,這影響到碳纖維產業化應用的進程,但這是一項長期的工作。
 
  目前碳纖維在軌道交通的應用主要借鑒的是飛機的標準,但軌道交通的應用有諸多獨特的鋪層設計、結構設計,從飛機或汽車上借鑒相應的鋪層結構設計,缺乏仿真與設計的輸入,肯定是不精確、不合適的。“這需要有從行業管理者的角度來規劃標準。”丁叁叁說。
 
  從國際上碳纖維在軌道交通的應用來看,工程運營案例匱乏,無論是材料或是技術,在世界上均未出現批量應用的案例,“這也給我們帶來了一定的心理壓力。”
 
  上下游融合成為行業突破關鍵
 
  研發CETROVO,讓丁叁叁團隊從最初的狂熱狀態變成后面的戰戰兢兢。丁叁叁用了很形象的比喻,從一見鐘情的狂熱戀愛到談婚論嫁時的柴米油鹽。
 
  從實驗室走到工廠的工程化之路很長,丁叁叁認為,創新和吸收要做到位。航空航天、風電、汽車等領域的碳纖維應用有多年的成熟運用經驗,技術持續發展,在解決材料、結構設計、制造工藝、服役性能及維護技術、經濟性等多方面問題具有良好的借鑒意義。
 
  各軌道車輛強國在軌道車輛上的碳纖維復合材料應用探索也取得了一些成果,從非承載內飾件到頭罩、吸能元件、過渡車鉤及受電弓等零部件,再到司機室、車體、轉向架等大型部件均有不同程度的嘗試。
 
  國內的軌道交通行業也在緊張卡位,在內飾、車體結構等方面進行積極嘗試,如復興號動車組的設備艙就進行了碳纖維復合材料的試用。研制的碳纖維設備艙較鋁合金減重35%,便于組裝、維護,可承受振動沖擊和高溫、高濕、風沙雨雪侵蝕。已完成各項型式試驗及60萬公里各種氣候地理運營考核,最高試驗時速420公里。
 
 

碳纖維設備艙
 
  “這證明碳纖維復合材料在軌道交通的承載結構應用是成立的。”眼下,丁叁叁的團隊定下了清晰的規劃:一是進行軌交列車材料的替代,二是在通過結構優化把技術催熟,三是憑借成熟技術進行批量化的生產和推廣。
 


碳纖維車體
 
  同時,丁叁叁也對碳纖維復合材料在軌道交通行業的應用也提出新的發展目標,包括近期將要積極探索的時速600公里的磁懸浮列車車體,以及未來計劃應用的時速400公里以上的雙層動車組和快速貨車動車組等等,具體又包括一體化的司機室,高速車車體,低成本、高效成型工藝等等。
 
  一切都是按部就班的,“同時,先做一批能夠充分體現碳纖維技術經濟性的零部件,進行小批量化的推廣,以便把產業鏈打通,為批量化生產做準備。”
 
  碳纖維能否與軌交碰撞爆發能量,主要看上下游之間融合的程度。比如解決成本問題,軌道交通行業要盡量控制設計成本,碳纖維行業則要研發適合軌道交通技術性能的產品。“事實上軌道交通并非需要強度非常高的碳纖維,更重要的是看中纖維做成復合材料后的綜合性能,因此也可以考慮一些多種纖維混合體系,把原材料及工藝的成本進一步往下拉。”
 
  與此同時,碳纖維在軌道車輛上的工程化應用前景是樂觀的,丁叁叁這樣算了筆賬:中國高速動車組3500組車,碳纖維復合材料的份額若占到30%,將產生50萬噸需求。若推廣至城軌車輛將達到100萬噸的需求,即使只有10% 的應用,也有約30萬噸。因此,若碳纖維復合材料能在軌交行業良性發展,預計每年可形成3~5萬噸市場規模。
 
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