中车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%。
一阵热闹过后,CETROVO设计研发总负责人丁叁叁眉头紧蹙,庞大的CETROVO停留在中车四方在德累斯顿的联合研发中心,它采用的碳纤维复合材料是从各个采购的,此外,它的造价也非常昂贵。让CTROVO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
“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。
地势复杂,从东南沿海到东北高寒、西北沙漠的多样化环境,给高铁的设计带来巨大挑战。
“以轻量化为核心的综合解决方案是解决安全与效能的好方案。”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。
丁叁叁团队的计划是,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
碳纤维轨道车目前卡在哪?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。
碳纤维不止是贵族材料,规模还是有限的,这将制约了碳纤维在轨道上的应用。“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。”国内碳纤维主要应用于航空航天、体育休闲和工业应用,其中用于体育休闲占比超过55%,用于航空与汽车等领域加起来才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。
从技术方面,碳纤维精度和一致性不高,差异性太大,没办法批量化应用。有资料显示,2018年,我国碳纤维产能利用率只有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。
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,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。