轨道交通基础设施在我国的经济发展和社会建设中贡献了巨大的力量。同时轨道交通基础设施也是我国交通运输体系的重要构成，与我国的长期发展息息相关。随着我国经济的不断飞跃式增长，人们的出行工具变得丰富多样化。轨道交通的不断建设与完善极大的方便了人们的出行。传统的轨道交通主要以金属材料为主，由于金属材料密度高，因此车身总体的重量较重。在努力实现碳中和、碳达峰的今天，如何降低车身重量、提升列车的综合性能成为困扰轨道交通列车生产厂家的问题。
由于碳纤维复合材料属于轻量化的优良材料，其密度只有1.6g/cm，比钢铁等金属材料低，同等规格质量也更轻。因此，近年来碳纤维复合材料已经广泛用于我们的生活中，最常见的应用领域包括航空航天、汽车制造、轨道列车、船舶桥梁等领域。碳纤维复合材料在中国轨道交通应用较晚，但是发展迅速，目前在司机室、头罩、操控台、内饰板、设备舱、导流罩等方面获得应用。
那么，碳纤维复合材料在我国轨道交通应用的现状如何？具体而言，碳纤维复材有哪些性能优势？未来在轨道交通领域的应用前景与潜力又将是怎样的？本期，我们邀请中车青岛四方机车车辆股份有限公司副总工程师，国家工程研究中心主任兼国家工程实验室常务副主任，中国中车科学家丁叁叁坐客“会客室”，解析碳纤维复合材料在轨道交通车辆上的应用与挑战。
碳纤维的市场情况
丁叁叁首先对我国碳纤维市场进行了简单的介绍。他表示，近年来，中国碳纤维市场规模一直保持增长趋势，从2016年的4.82亿美元增长至2020年的10.27亿美元，年均复合增长率达20.82%。随着中国风电、光伏等可再生能源装机规模持续扩大，碳纤维市场需求随之增长。数据显示，2021年中国碳纤维产量达2.77万吨，预计2022年我国碳纤维产能及产量可达2.77万吨。
长期以来，国内碳纤维市场中进口碳纤维的供给量远超国产碳纤维。2020年以来受全球新冠疫情的影响，全球贸易整体受到较大冲击，国外碳纤维出口国内的难度加大，国内碳纤维市场整体呈现供不应求的局面。
近年来我国碳纤维需求量一直维持稳步上升趋势，企业和投资机构也纷纷看好碳纤维行业的发展前景，各路资本的大量涌入，为碳纤维行业带来了刺激效应，使其呈现出前所未有的新热点和新动态，其并购需求和活跃度也十分明显，碳纤维行业应用前景十分广阔。
碳纤维复材在轨道交通的应用现状
随着交通运输行业对载运工具的安全性、舒适性和绿色节能性提出新的需求，轻量化设计已成为轨道交通车辆的重要发展方向之一。丁叁叁介绍说，传统的列车车身整体大多采用金属材质，包括耐候钢或低合金钢、高强度钢、铝合金、不锈钢等。因此列车很重，对于能源的消耗巨大。由于金属质量重，需要更多的动能来维持列车的运转，同样也不利于列车的提速。不论是加速还是制动减速，质量重都会对其造成影响。此外，金属材质容易受到腐蚀，不论是酸性物质还是碱性物质都会对金属产生影响。而且，金属车身加工步骤也很复杂。
对于追求速度的现代化来说，这些缺点是难以接受的。因此可以寻求性能更加优异的材料来替代金属材料。碳纤维复合材料成为理想的选择，碳纤维材料有着较轻的重量，与金属材料相比，相同情况下碳纤维的质量仅有金属的五分之一。并且碳纤维复合材料有着耐腐蚀、耐高温、质量轻等特点。可以为列车进行整体减重。由于碳纤维本身具备优异的性能，还可以很大程度上降低后期的维护费用。
由于碳纤维复合材料的这些特性，已经成为车体轻量化设计的首选材料之一，应用碳纤维复合材料制造的车体具有质量轻、强度高、刚性大，在有效地降低车体质量的同时，也提高了车体运行的平稳性和安全性。此外，碳纤维复合材料在列车制造上的应用还能够有效的降低列车运行过程中与运输轨道接触所产生的噪音，显著强化了乘客的体验感和舒适感。
目前，在轨道交通领域的主要应用包括车体外壳、车头罩、转向架、设备舱以及其它零部件的生产和设计。例如，中车四方股份公司研制的新一代碳纤维地铁车辆“CETROVO”，车体、转向架构架、司机室、设备舱及设备机体等均使用碳纤维复合材料制造，是大规模应用碳纤维复合材料的地铁车辆，实现了碳纤维复合材料在车体、转向架构架、司机室等车辆主承载结构上的全面应用。
碳纤维使车辆实现大幅“瘦身”。与采用钢、铝合金等传统金属材料相比，新一代碳纤维地铁车辆的车体、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%。
轨道交通领域应用前景展望
丁叁叁表示，尽管全球轨道交通行业在利用先进复合材料进行轻量化研究方面做出了很大的努力，但是碳纤维等先进复合材料的应用与推广，仍然受到了很大的限制。
碳纤维复合材料在轨道交通车辆应用对车辆的节约能耗以及性能优化有着很重要的作用，但是在推行过程中也存在一些难度。第一个是因为碳纤维材料制作成本难度大、成本高，与铝合金金属车体制作成本相比，碳纤维车体的制作成本是其两倍。再者就是对大型车体的研发技术要求较高，由于碳纤维复合材料各向异性的特殊性，以及各个厂家材料牌号性能完全不同，这无形之中提高了专业技术与设计人员的要求。与此同时，碳纤维复合材料产品在生产制造工艺过程中，由于成型工艺的差别以及自动化程度的限制，产品的质量一致性、生产效率等也很难达到传统金属材料产品的实际制造要求。
因此，未来国内轨道交通行业如果真的能够大规模的应用碳纤维复合材料，就一定要突破复合材料制品手工铺贴等传统低效工艺，重点发展自动化缠绕、编织、拉挤、模压等可连续、快速生产的工艺，并通过大型设备智能检测等途径实现快速质检，以满足产品批量化制造的工业生产需求。
纤维复合材料已在航空、船舶、汽车、体育用品等领域实现成熟运用，技术基础雄厚，在材料设计结构、制造工艺、服役性能及维护等多方面积累的丰富经验，能够为CFRP在高速列车领域的应用提供借鉴。
随着复合材料低成本、自动化等工业批量化技术的快速发展及终端应用商认可度的不断提升，复合材料将优先应用至轨道交通等高端装备制造领域，以实现产品升级换代，在强力支撑中国高端装备综合技术水平的同时，切实推动中国碳纤维复合材料产业发展。根据中国高速铁路发展规划，预计到2025年高速列车总量达到3500组，将为碳纤维复合材料复材应用推广提供难得的契机。预计至2028年，碳纤维复合材料份额将达到30%，据此测算轨道交通车辆产品对复合材料总需求约5000吨。同时，考虑城轨地铁车辆工程应用范围的持续拓展，预计碳纤维复合材料用量将再增加一倍以上。（来源：荣格）
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