碳纖維復合材料在軌道車輛中的應用展望
國外在車體結構碳纖維復合材料的應用研究已取得諸多成果。日本的碳纖維復合材料車體研發很早，于1999年推出安裝了碳纖維復合材料司機室的E4車輛，隨后發布的N700車輛安裝了碳纖維復合材料車頂，也取得了較好的減重效果。韓國于2010年投入運營的TTX列車采用了碳纖維復合材料車頂、側墻以及端墻結構，搭配傳統的中空擠壓鋁型材組焊底架，在后續改進方案中還使用了碳纖維復合材料面板鋁蜂窩芯夾層結構，該列車在長期的線路運營中表現良好。歐洲西門子、阿爾斯通公司等頂級軌道交通裝備制造企業的發展水平整體較高，例如，英國Intercity125列車使用了碳纖維復合材料整體成型的司機室結構，相對鋼結構減重30%～35%；法國TGV雙層車體采用了真空固化袋工藝成型的碳纖維復合材料及大量蜂窩夾層結構，較鋁制車減重超25%，且經過長期運行表現出較穩定的結構性能。
為響應“十四五”規劃中提出的發展高端制造業和新材料產業的號召，履行總書記提出的把碳達峰、碳中和當成生態文明建設的歷史性任務，貫徹落實黨、國務院提出的推動中歐智能制造合作，杭州卡淶復合材料科技有限公司聯合杭州錢江經濟開發區管理委員會以及浙江大學功能復合材料與結構研究所，將于6月7-9日在杭州市余杭區共同舉辦2021高性能復合材料國際論壇—余杭論壇，本次論壇主題為“科技賦能產業鏈 創新助力碳中和”。
法國TGV雙層高速列車
在轉向架設計方面，日本存在較大的技術優勢。川崎重工有限公司于2014年發布了efWING轉向架，將部分框架材料換成碳纖維復合材料，并將側梁與螺旋彈簧的功能整合到弓形CFRP彈簧中，達到減重40%的效果。雖然韓國與歐洲都研發出碳纖維轉向架，但都停在試驗階段，沒有大規模投入商用。
川崎重工efWING轉向架
1.2 國內應用現狀
國內碳纖維復合材料車輛研究起步較晚，但目前仍取得一定成果。2018年9月中車長春軌道客車股份有限公司研制的碳纖維復合材料輕軌“光谷量子號”在長春軌道交通展上次亮相，目前已在武漢輕軌線路上運營，這也是國際列商業運營全碳纖維車體列車。同年中車集團發布了碳纖維復合材料地鐵列車CETROVO，該車在車體、轉向架、司機室、設備艙中使用了大量碳纖維復合材料，使司機室、設備艙減重30%以上，整車減重13%。2020年6月，中車青島四方機車車輛股份有限公司研制的速度600km/h磁浮列車成功試跑，其車體主結構、懸浮架、車輛內飾等部位使用了大量碳纖維復合材料。
碳纖維復合材料地鐵車體結構
除了整車級別的應用研究，目前已運營車型也正在通過改型設計替換新的碳纖維材料結構。例如，復興號的設備艙正在進行碳纖維復合材料新結構、新工藝的嘗試；京雄高鐵線路列車的司機室也正在進行碳纖維一體化設計。
碳纖維復合材料由纖維與基體（固化的樹脂）2種組分構成，因而在力學性質方面呈現與金屬材料不同的特性：在纖維方向表現出很高的強度，其余方向強度相對較小。碳纖維復合材料具有多種失效模式，可以歸結為層內失效（指纖維和基體各自的拉伸與壓縮失效）和層間失效（指相鄰層間出現的剝離損傷）。進行車輛結構的安全設計必須對材料的損傷條件與損傷過程有準確的預測，為此必須進行大量的材料試驗數據積累，得到各種使用工況下的材料特性作為設計依據，才能保證車輛在使用時的安全性。當前預測碳纖維失效理論研究應用多的是Hashin準則以及PUCK準則，都能進行損傷起始判定與損傷演化分析，并能區分不同的損傷模式。失效理論除了在結構設計階段提供依據，進行準確的失效預測研究以及疲勞損傷規律研究，還有助于制定經濟合理的車輛檢修計劃。
2.2 復合材料結構設計方法
碳纖維復合材料的典型優勢是結構可設計性強，在研發過程中碳纖維復合材料車體結構件需針對使用條件進行設計。例如，碳纖維復合材料板的鋪層角度應針對結構特點進行設計。層合板結構需要有足夠的鋪層角度分布，任意角度的鋪層應不少于鋪層總數6%～10%。當實際工況中結構承受某單向載荷比較明顯時，應進行局部加強，讓足夠多的纖維鋪設在載荷方向。在承受面外沖擊載荷較多的結構部位，可以通過增加±45°方向鋪層或表層鋪設織物的方式增強抗沖擊能力。此外，還應根據載荷工況特點選擇合適的結構。例如在大型壁板容易發生屈曲的部位，可以采用共固化T型加強筋的方法進行加強；在側墻、頂棚、地板這些承受車輛運行載荷小的地方可以選用蜂窩夾層結構，這樣既能實現減重也有隔熱、隔音、防火、防腐蝕的功效。
碳纖維轉向架結構
2.3 復合材料制造工藝
碳纖維復合材料制造工藝是結構設計、制造、應用的根本。對其進行不僅有助于提升結構件的質量，還能夠降低生產成本，增強生產效益。碳纖維復合材料制造工藝涵蓋原材料制造工藝和固化成型工藝。在原材料制造方面，當前主要制約發展的因素為碳纖維制造水平落后，產品質量不穩定、成本高。在固化成型工藝方面，目前傳統成熟的成型工藝有手糊成型、噴射成型、預浸料熱壓罐成型、樹脂傳遞模塑成型、真空樹脂注入成型等。近年來自動化制造工藝發展迅速，纏繞、拉擠、編織、自動鋪放等工藝呈現出越來越廣的應用前景。
2.4 復合材料部件連接方法
碳纖維復合材料結構受材料特性和生產工藝的限制，無法直接沿用傳統的結構連接形式。為保證載荷的有限傳遞，必須采用合理的結構連接設計。目前常用的連接方法有機械連接、膠接和混合連接。機械連接適用于傳遞較大集中力的關鍵部位，后期維護時螺栓可以拆卸，因而具有較好的可維護性。然而連接孔破壞了纖維的連續性，并且產生了應力集中，降低了局部強度，同時金屬連接件與碳纖維之間由于存在電位差會造成電化學腐蝕。膠接連接避免了打孔以及結構的電化學腐蝕，具有較好的絕緣和密封性能，一般適應于傳遞均布載荷或剪切載荷的非主承力結構。如果單一的連接方式無法滿足連接要求，或者連接結構需要有較大的安全裕度時，可以將2種連接方式結合進行混合連接。
2.5 復合材料損傷檢測技術
碳纖維復合材料組分復雜，在制造過程中工藝的不成熟或生產工藝規范執行不當易導致材料出現缺陷。典型缺陷主要有分層、脫粘、空隙、夾雜、鋪層角度偏差等。碳纖維復合材料服役環境多變，在使用過程中易出現損傷。典型損傷有劃傷、分層、脫粘等。為了保證復合材料的使用安全，應對結構材料的質量和健康情況進行檢測。當前的無損檢測方法主要有超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測和目視檢測6種方法，各種檢測具有各自的適用領域。
無損檢測方法中應用較廣的是超聲檢測。它的原理是超聲波進入待測件傳到缺陷處產生反射，通過對反射波進行分析可以精確地測出結構缺陷與損傷的位置和大小。在不同缺陷顯示方法中C型顯示的缺陷檢測結果直觀，可通過顏色區分損傷面積與深度。
2.6 復合材料結構修理方法
碳纖維復合材料部件在生產與使用階段難免出現缺陷或損傷，對結構進行有效修理才能保證結構的使用安全性。
當復合材料結構檢測到損傷后步是進行修理評估。修理評估就是對損傷進行一個“需不需要修，值不值得修”的判斷。如果損傷程度輕微，不會對結構安全造成威脅，就不需要進行修理；如果結構損傷較大，已經成為安全隱患，那么就需要進行修理。另一方面，如果進行修理的各方面耗費已經超過直接替換結構件的耗費，那么結構就不值得修理，進行新部件替換即可。
碳纖維復合材料
在確定結構需進行修復后，第二步是根據結構修理手冊選擇合適的方法展開修理工作。復合材料結構的修理方法分為機械連接修理與膠接修理2種。機械連接修理一般采用緊固件與補片對損傷結構進行補強，通過螺栓或鉚釘實現補片與母板結構的機械連接。膠接修理采用樹脂與補片進行損傷修復，比如小范圍的層合板分層損傷或蜂窩夾層結構的板芯分層損傷可以通過注入樹脂固化的方式進行注膠修理，另外在重要承力結構處的損傷可以采用搭接補片（貼補法）或嵌入補片（挖補法）并膠接固化的方式修理。
軌道車輛碳纖維結構應用時間較短，商業化運營維護經驗空缺，目前對碳纖維復合材料車輛的檢修計劃、修理評估原則、結構修理方法的制定還需要參照航空領域的設計使用經驗，后期逐步形成軌道車輛專有的結構修理評估標準與修理方案。
碳纖維復合材料在實際應用中需進行大量的試驗分析才能保證結構的可靠性。研究過程通常使用“積木式”的方法，這是一種集成度較高的分析和試驗驗證思路。“積木式方法”的試驗過程按照試件尺寸、試驗規模、環境復雜程度呈逐級增加的順序，后一級試驗利用前一級的結果進行，可以降低技術風險與研發費用。
碳纖維復合材料車體結構的“積木式”方法研究分三步走。步是車輛用復合材料的屬性研究，這一級稱為材料級試驗，模擬材料各種使用工況并測量材料參數和許用值；第二步是典型結構件的研究，這一級稱為元件級試驗，對標準結構試驗件如平板、加筋板、梁、夾層結構進行試驗，獲得特定載荷工況下結構的承載能力以及失效模式；后一步是整體結構的全尺寸試驗，試驗時將載荷從零加載到設計載荷乃至結構破壞，確定設計方案的合理性。
3.2 打造生態產業鏈發展
目前碳纖維復合材料在軌道交通裝備制造領域的應用存在很大空缺。2019年各領域碳纖維復合材料使用需求分布如下圖所示，其中風電葉片、航空航天、體育休閑和汽車領域占74%，軌道交通裝備制造領域尚未出現在圖中，原因是目前碳纖維軌道車輛尚未實現大規模商用，都處于研發試驗階段。
2019年各領域碳纖維復合材料需求分布
碳纖維復合材料應用涉及原材料制備（碳纖維以及各類樹脂）、中間制品制造、結構設計和應用，其戰略核心是碳纖維。碳纖維發展歷史中經歷歐美禁運與技術封鎖，直至2000年以后國內才形成一定規模的碳纖維市場，雖然實現了“從無到有”，但是產品的品質穩定性與經濟性較差。與傳統成熟材料不同，碳纖維復合材料與應用企業存在著共同發展互相成就的關系，這是國際上新技術創新的基本規律。目前國內軌道交通發展規模龐大，如果國內軌道交通車輛大幅應用碳纖維復合材料，國內碳纖維企業因此會有充足的環境去成長和發展，屆時不止軌道交通裝備制造領域，航空航天、風電、體育休閑等領域也會同時受益。
主辦單位：
杭州卡淶復合材料科技有限公司
浙江大學功能復合材料與結構研究所
杭州錢江經濟開發區管理委員會
協辦單位：
復材網信息科技有限公司（復材網）
活動主旨
本次論壇邀請了和歐洲行業內知名的專家、學者、企業，旨在搭建高性能復合材料的新技術、新應用和新發展在產、學、研、用方面的合作交流平臺，推動高性能復合材料行業產業鏈優化升級，促進中歐智能制造的合作，助力實現以國內大循環為主體，國內國際雙循環相互促進。有利于企業頂層設計及調整規劃， 在市場競爭中占據優勢。同時，論壇還將安排參觀杭州卡淶復合材料科技有限公司，觀摩生產現場操作演示，實踐中學習高效、低成本、定制化的輕量化解決方案。
報告嘉賓
益小蘇 教授
嘉賓介紹：
寧波諾丁漢大學李達三講席教授
原中航工業復合材料技術席專家
SAMPE主席（F.SAMPE）
亞太材料科學院（APAM）院士
報告題目：
航空航天樹脂基結構復合材料的挑戰、機遇與創新
報告大綱：
先進樹脂基結構復合材料的技術挑戰
先進樹脂基結構復合材料的發展機遇與技術創新
總結
丁叁叁 教授
嘉賓介紹：
中車青島四方股份公司副總工程師、工程中心主任
報告題目：
高速動車組的輕量化之路與碳纖維復材應用
報告大綱：
碳纖維復合材料在軌道交通中應用的戰略需求和面臨的技術挑戰，高速動車組輕量化的主要技術和發展路徑。
鄭顯聰 先生
嘉賓介紹：
富士康集團，富士康電動汽車平臺CEO (原蔚來汽車聯合創始人）
報告題目：
待定
報告大綱：
待定
Mr. Gianfranco Lanini
嘉賓介紹：
LEonARDO S.p.A.(意大利萊昂納多股份有限公司）航空結構事業部副總裁，萊昂納多上?？偛靠偨浝恚田wCR929項目大區負責人。
LEonARDO S.p.A總部在意大利羅馬，1913年成立，180多個機構遍布20余個，其中制造廠有83個, 公司有7個業務部門分別是直升機、飛機、航空結構、機載與空間系統、陸海防御電子、防御系統、安全與信息系統事業部，是十大軍工集團之一，歐洲第二大航空航天企業，意大利大的工程及航空航天集團。
報告題目：
復合材料在商用航空領域的應用
報告大綱：
復合材料在商用航空中的應用簡史，從操控面板到完整的復合材料結構應用
商用航空采用復合材料的優勢（重量，維護，使用壽命）
未來挑戰--未來復合材料航空結構的要求（可回收性、生產系統靈活性、縮短投入市場的時間）
宋光輝 先生
嘉賓介紹：
浙江吉利新能源商用車集團有限公司客車事業部副總經理、高級工程師
報告題目：
新能源電動客車車身的復合材料應用
報告大綱：
目前市場上，巴士和客車的車身主要采用傳統的鋼制車身，自重較大，油耗較高，運營成本偏高。作為運營車輛，整車生命周期成本包括購置、日常運營、維修保養以及報廢周期是運營方高度關心的產品指標，這也對生產方在制造投入成本，產品的生產效率、質量以及物流成本方面提出了新的要求?；诟鞣叫枨篁寗?，模塊化、輕量化、分布式組裝的客車車身方案被工業界提上了議程。報告主要闡述吉利商用車和杭州卡淶復合材料科技有限公司攜手開發的產品和技術方案。
韓非 博士
嘉賓介紹：
現就職于寶鋼股份研究院并任高級主任研究員。專注于汽車先進高強鋼成形理論與應用技術。負責寶鋼研究院汽車板EVI技術解決方案團隊及用戶技術支持工作，負責寶鋼車身用材及輕量化技術、超高強鋼成形與應用解決方案研發與應用研發，推進與用戶新材料、輕量化技術應用與實踐合作。
報告題目：
碳中和下的輕量化挑戰與寶鋼新能源汽車用材解決方案
報告大綱：
新能源車行業迅猛發展，面對碳中和目標，對輕量化、材料發展提出了新的挑戰與需求。報告介紹了在此背景下，對新能源汽車輕量化、低碳發展的理解，對新能源汽車用材的解決方案，并對未來包括鋼、鋁、復合材料等材料發展給出了展望。
Prof. Dr. Klaus Drechsler
嘉賓介紹
德國工程院院士；德國薩克森科學院院士；德國碳纖維復合材料聯盟主席；慕尼黑工大碳纖維復合材料研究所所長；Fraunhofer IGCV 輕量化工程研究所所長；杭州卡淶復合材料科技有限公司，席技術顧問
報告題目：
復合材料技術在大規模量產應用領域的現狀和未來發展趨勢
報告大綱：
近三年的復合材料量產應用的典型案例
未來復合材料的技術發展趨勢和機會
魏斌 博士
嘉賓介紹：
現任杭州卡淶復合材料科技有限公司CTO兼工程研究院院長，曾出任慕尼黑工業大學輕量化工程研究所副研究員、奧迪汽車集團（德國總部）研發工程師、蔚來汽車德國中心輕量化工程高級經理、吉利汽車德國研發中心輕量化集成總監。同時，魏斌博士兼任復合材料學會車輛工程專業委員會副主任委員。
報告題目：
車身碳纖維部件：從方案、研發到量產
報告大綱：
碳纖維在車身結構的量產化應用需要解決用在哪、生產效率、質量穩定以及用得起這幾個核心問題。結合已有的量產項目經驗，報告系統的介紹方案論證、方案研發和驗證、材料測試以及CAE校正、樣品試制和測試、以及裝配方案等多方面內容。
Dr. Pavel Novak
嘉賓介紹：
未勢能源科技有限公司（長城控股集團有限公司），儲氫系統開發部總監
報告題目：
待定
報告大綱：
待定
Mr. Georg Kaesmeier
嘉賓介紹：
德國Forward Engineering合伙人
德國Forward Engineering GmbH（以下簡稱“FE”）是歐洲知名的輕量化設計公司，前身為碳纖維輕量化汽車設計公司Roding Automobile，總部位于德國巴伐利亞州慕尼黑，在韓國、日本及美國均設有代表處，日本三井集團（MITSUI）是其第二大股東。FE主要從事汽車碳纖維復合材料輕量化零部件的工程設計開發工作，曾參與寶馬i3，i8及新7系等車型復合材料車身零部件的設計。FE在市場上同蔚來汽車、長安汽車、北汽新能源、觀致等汽車廠有豐富的合作案例，在其他亞洲市場，與尼桑、豐田、現代等公司有深度合作。此外，FE與知名的輕量化材料供應商Evonik（贏創）建有合資公司，主要從事碳纖維輕量化材料的營銷。
報告題目：
面對可持續發展的工程設計——如何利用復合材料取勝
報告大綱：
汽車行業的可持續發展趨勢
市場上復合材料應用的主要挑戰
可持續產品的設計策略
在產品設計過程中，如何應用生命周期分析
熱固性材料VS.熱塑性材料
新的復合材料回收技術介紹
展望 - 如何用復合材料贏得業務
論壇日程
參觀企業
杭州卡淶復合材料科技有限公司主要面向汽車零部件系統、儲能系統（電池箱、碳纖維高壓氣瓶）、軌道交通、大型無人機和石油裝備等市場，通過運用源于德國的高性能復合材料規?；O計和工藝制造技術、碳纖維回收再利用技術以及國內的汽車復合材料部件規?；慨a經驗，針對客戶的不同需求，提供高效、低成本、定制化的輕量化解決方案，包括材料結構設計、小批量制造和量產，引領復合材料應用進入 4.0 時代（工業化、自動化、規?；⒚裼没?。
會議時間地點
外地參會代表簽到時間：
2021年6月7日13:00-20:00
當地參會代表簽到時間：
2021年6月8日08:00-08:30
報到地點：良渚君瀾度假酒店
會議地點：杭州余杭區良渚文化村內度假路1號
合作媒體
日報（網）、新華社（新華網）、21世紀經濟報道、復材網、今日頭條、環球網、新浪網、騰訊網、搜狐網、網易新聞網、鳳凰網、澎湃新聞、今日頭條視頻、騰訊視頻、浙江日報等媒體單位。
相關事項
復材網會員單位：3000 元/人 、非會員單位：3800 元/人 （含全部相關會議資料、會議通行證及會議用餐）注：住宿由會務組統一安排， 費用自理。
會務聯系單位：
復材網信息科技有限公司（復材網）
聯 系 人：于珍
聯系電話：186 5346 3667
