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轨道交通领域碳纤维复合材料未来的发展方向如何？

全碳纤维复合材料、大尺寸车体承载结构的成功研制，验证了碳纤维复合材料在轨道交通承载结构上应用的可行性。但是，碳纤维复合材料在轨道车辆的应用尚处于起步阶段，仍受成本、材料、设计、工艺等限制，尤其是成本问题，是制约其推广应用的强大壁垒。持续快速发展碳纤维技术，推进轨道交通复合材料车体的应用须从以下几方面推进。（图示：碳纤维列车） 1、深入开展碳纤维材料基础性研究轨道车辆对材料的力学性能、防火性能、环保性能、耐极端环境性能、抗冲击性能、耐老化性能、减振阻尼性能、隔音隔热性能、电磁兼容性以及安全可靠性等都有特殊要求，开展满足轨道车辆应用的材料性能研究，解决目前复合材料存在的防火、隔声隔热、抗冲击性能局限性。挪恩复材也在积极开展碳纤维复合材料创新功能的研究，目前已成功研发以纳米改性导电碳纤维复合材料为代表的多种热塑性碳纤维复合材料，大大提高了碳纤维复合材料的应用广度。 2、开展碳纤维复合材料结构设计研究可以从简化结构、材料、集成设计等三方面入手。简化结构不但能降低成本，还能提高生产效率、满足批量快速生产的需要。在结构设计中，加强集成设计的理念，充分发挥复合材料可设计性强、易于整体成型的特点，比如将底架与地板集成，将车顶与通风道集成，以及将侧墙与内装材料集成等。复合材料品种多、方向性强，在结构设计中应根据实际需要来选择材料，通过优化层板中各铺层的铺设角、层数比( 层板中具有相同铺设角的铺层数占总层敷的比例) 和铺叠顺序，设计出具有不同强度以及弯、扭刚度要求的层合板，增加了设计的自由度，提高了结构性价比。设计时还可以考虑多种材料混合使用，比如次承力结构采用碳纤/玻纤混杂设计，主承力结构如牵枕缓、边梁等采用碳纤维材料，做到结构和材料合理匹配，尽可能地降低原材料成本。集成设计则能从整车层面降低车体质量，同时提高车体刚度，是复合材料车体研究的一个重点方向。 3、加强复合材料结构成型工艺的优化研究目前，应用于轨道车辆承载结构的复合材料中，碳纤维复合材料是比较受关注的一类材料，但其制造成本高、生产周期长，制约了该材料的推广应用。如果能将成型工艺和材料研究结合起来，在不降低产品性能的前提下，优化出更适合轨道车辆结构的低成本、高效率的成型工艺，在自动铺带、集成自动生产等方面实现更新换代，满足批量生产的需要，那么低成本、自动化的生产工艺必将推动复合材料在轨道交通行业的应用。 4、建立适用轨交行业的复合材料标准体系体系包括设计标准、材料评价标准、计算验证标准、生产工艺标准、质量检测标准和运用维护标准等，使复合材料在轨道交通领域的应用有据可依、规范化、系统化，从而促进轨道交通行业的节能减排和绿色转型升级。 5、提高碳纤维生产能力和水平目前，我国相关产业的发展离世界先进水平还有一定的差距，投入商用的碳纤维材料大都来自国外。国内应加大相关产业的投资力度、更新技术水平、扩大生产能力，使相关产品质量尽快赶超世界先进水平。碳纤维在轨道交通车辆车体上的推广应用是复合材料行业的一大机遇和挑战，虽然目前受制造成本、成型工艺、生产效率等方面的制约，难以在短期内实现批量生产，但随着新材料、新技术日新月异的进步，相信在不久的将来，中国将迎来轨道交通车辆车体新材料应用的又一次变革。

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前沿轨道交通科技亮相碳纤维地铁列车亮点多

25日上午，“北京国际城市轨道交通展览”在京开幕，一批前沿轨道交通科技成果亮相，中国中车发布的碳纤维地铁列车CETROVO和北京地铁正在进行测试的人脸识别检票闸机吸引了不少参观者。据主办方中国城市轨道交通协会介绍，截至去年年底，全国共有35个城市开通城市轨道交通，运营线路185条，总长度5700余公里。其中，北京市轨道交通客运量最高，达到38.5亿人次。地铁3号线实现全自动驾驶 25日，中国中车集团旗下中车株洲电力机车研究所有限公司（以下简称“中车株洲所”）发布全自主CBTC（基于通信的列车自动控制）信号系统。目前，这套系统支持最小90秒的发车间隔，停车精准度能达到99.999％。CBTC信号系统是保证城市轨道交通正常运行的中枢控制系统，是基于现代控制、计算机和通讯技术的大型分布式实时控制系统，堪称是城市轨道交通运营的“大脑”和“神经系统”。据中车株洲所时代电气总经理刘可安介绍，今年5月，由中车株洲所提供CBTC信号系统的长沙地铁4号线成功开通试运营，刷新不足17个月工期开通试运营的“行业速度”。应用中车株洲所研制的全自主CBTC后，长沙地铁4号线列车的运行效能得到了进一步的提升，其中系统支持最小90秒的发车间隔，列车出入车辆段时间提升到100秒以内，停车精准度能达到99.999％。此外，中国通号控股企业——卡斯柯信号有限公司也发布“面向智慧地铁的全自动运行2.0系统”。据介绍，目前正在建设中的北京地铁3号线就将使用这套系统中的部分功能，实现全自动驾驶。目前，3号线已全线开工建设，预计2021年12月开通试运营。碳纤维列车减重13％平均能耗降15％ 25日，中车四方公司还首次面向国内观众展出了更轻盈节能的“下一代地铁”列车CETROVO。其车体采用碳纤维复合材料，并采用构架等轻量化技术，同时，还具备无人驾驶、智能空调、主动运维等多项功能。目前，这一型号的列车正在广州进行厂内测试。近十几年地铁列车越做越轻，从最初的二十余吨压缩到现在的七八吨。与采用钢、铝合金等传统金属材料的列车相比，采用碳纤维复合材料的CETROVO地铁列车整车减重13％。经测算，在多项节能新技术的配合下，平均能耗降低15％。在智能化方面，该列车具备无人驾驶、智能空调、智能照明、主动运维等诸多功能。步入CETROVO列车车厢，首先看到的是一体模块化的司机室：司机室与客舱融为了一体，乘客可以站在车头处，零距离感受地铁列车行驶中的速度感。“下一代地铁”列车具有无人驾驶能力，为了应对突发情况，司机室仪表台前方设有备用升降屏，随时可切换成手动驾驶模式。列车两侧还安装有透明显示车窗，它还是可以连接互联网的触控式电脑，能实现虚拟场景、浏览网页、查询线路等网上服务、媒体播放、广告呈现等多种功能，同时具备自动清洁与隔热功能。相较于以往地铁列车“直吹式”出风口，CETROVO列车车厢的出风口设置得更加分散，呈环形分布。现场工作人员介绍说，列车安装有智能空调，可以根据设定温度自动调节，以确保乘客体感温度舒适。刷脸进站用时不到1秒在“北京地铁”展区，北京地铁正在进行内部测试的人脸识别检票闸机首次面向公众亮相。记者体验后发现，相较于刷卡、刷手机进站等方式，“刷脸”进站效率更高，平均用时不到1秒。在展区中，放置有两台具备人脸识别功能的检票闸机。其中一台组合式设备下方为传统闸机，上面装有比手机略大的人脸识别设备；另一台是一体化设备，外观类似于机场自助验票机。据了解，人脸识别设备正在轨道交通机场线进行小范围内部实验。据北京市轨道交通指挥中心相关负责人透露，“目前测试主要是验证照片库的精确度，在确保扣款成功率稳定的前提下，才会在全路网铺开。” 记者体验发现，为了实现“刷脸”进站并有效扣费，需要将用户的面部信息、身份信息与乘坐地铁的支付账户进行绑定，待系统核验成功后，闸机门将自动开启，人脸识别设备的屏幕上会弹出绿色的小笑脸，上面还标注有进站者的姓名。未来北京地铁有望通过生物识别等方式进站乘车。目前身份验证的“生物识别”技术主要包括指纹识别、人脸识别、声音识别等，而人脸识别技术在地铁中更容易实现。（裴剑飞）

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一文看懂碳纤维在轨道交通领域应用

轨道交通工具正经历着从“钢铁时代”、“铝材时代”到“碳材时代”的跨越。近日，中车长客股份公司在轨道交通领域获重大突破，研制出具有完全自主知识产权的世界首辆全碳纤维复合材料地铁车体，验证了碳纤维复合材料在轨道交通承载结构上应用的可行性，也为碳纤维复合材料在轨道交通大批量工业化生产应用打下了重要基础。相关数据显示到2025年，中国高铁里程将超过3.8万公里，且现役的高铁列车超过了2500辆。列车的节能性、环保性、舒适性、便利性已成为高铁列车未来的发展方向。而碳纤维因其优秀的性能越来越受到轨道车辆研制企业的关注及采用，发展潜力巨大。图片来源：网络公开资料碳纤维复合材料与传统轻量化材料相比，密度小，强度高，模量高，适合用作轨道交通的轻量化、环保材料。碳纤维复合材料与其他轻量化材料性能对比分析资料来源：《高速动车组碳纤维复合材料应用研究》由于车载设备轻量化空间有限，碳纤维复合材料在轨道交通轻量化的应用主要集中在车身和内部装饰方面。地铁车辆重量分配比例资料来源：《碳纤维增强复合材料在轨道车辆中的应用》碳纤维复合材料在轨道交通领域应用优势碳纤维复合材料在轨道交通应用领域优势资料来源：《碳纤维材料在轨道交通行业中应用浅析》碳纤维复合材料在轨道交通领域应用难点分析碳纤维复合材料在轨道交通领域应用难点资料来源：《碳纤维增强复合材料在轨道车辆中的应用》碳纤维复合材料在轨道交通具体应用碳纤维复合材料在轨道交通具体应用实例碳纤维复合材料的应用已逐步由车体内饰、车内设备等非常承载结构零件向车体、构架等承载构件发展，从裙板、导流罩等零部件向顶盖、司机室、整车车体等大型结构发展。碳纤维复合材料在轨道交通领域应用分布碳纤维复合材料在轨道交通应用领域专利分析碳纤维复合材料在轨道交通领域应用专利情况资料来源：《从专利分析角度看碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用》 2009年以后，专利的申请量明显增加，这归功于碳纤维复合材料在轨道交通领域的应用发展迅速。碳纤维复合材料在轨道车辆上的专利国内外对比图资料来源：《从专利分析角度看碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用》国内碳纤维复合材料在轨道交通领域的发展较晚，但发展速度很快。碳纤维复合材料在轨道交通上专利分布资料来源：《从专利分析角度看碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用》碳纤维复合材料在轨道列车上的专利主要集中在车体、转向架、车外设备、内装四个方面。其中车体和转向架的开发和应用专利比较多。

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目前碳纤维复合材料为何不能在轨道交通中普及？

随着碳纤维市场的逐步扩大，碳纤维复合材料应用的领域也在不断增加。除了汽车、高端医疗、航空航天等高精尖领域出现碳纤维的身影，在轨道交通方面，碳纤维也有所涉及。在国外轨道交通领域中，针对碳纤维的研究开展较早，目前已拥有一定是科研成果和工艺积累。（图示：轨道交通碳纤维车辆）与国外相比，国内开展碳纤维在轨道交通领域的研究较晚，整体工艺也与国外存在差距，但仍有不少企业积极开展有关碳纤维在轨道交通领域的研究，苏州挪恩复合材料就是其中之一。随着《中国制造2025》的提出，国家开始注重发展科技产业，碳纤维也借此得到大力发展。但目前在轨道交通领域中，碳纤维的发展还比较缓慢，为此，小编邀请了对碳纤维轨道交通很有研究的挪恩复材陈工，来听听他的说法吧。为什么轨道交通企业这么热衷于碳纤维复合材料？其实主要还是因为轻量化。目前动车组车厢除了CRH1采用不锈钢车身，其他车型都采用高强度铝合金材料，用以减轻重量。即便这样，一节动车组车体重量也要十多吨。而动车组在启动加速阶段的耗能是最大的，根据著名的F=ma公式，减轻重量可以大幅降低运行能耗，同时重量轻了，对车轴和车轮的磨耗也会减小。据了解，国内几家知名的轨道交通车辆厂商针对轻量化投入不计其数的人力、财力，就是想要寻找一个好的解决方案。轨道交通车辆轻量化的研究分为两个方向，一个是轻量化设计，另一个则是轻量化材料的使用。目前铝合金的轻量化设计已到达瓶颈，再进行减重势必会影响到其他性能，至此，碳纤维复合材料成为了人们新的选择。轨道交通轻量化是必然趋势从轨道交通车辆生产企业内部来看，对碳纤维复合材料轻量化的应用决心很大。现在已经到了逢会必谈轻量化，逢轻量化必谈碳纤维应用的阶段。碳纤维复合材料不仅可以满足轨道交通车辆轻量化需求，在强度、耐冲击性、防火等其他性能方面表现出色。距离碳纤维应用普及还有很长的路要走在过去的几年的时间，国内的轨道交通车辆企业也做了大量工作，与碳纤维企业联合研发碳纤维的部件，挪恩复材就曾为国内某轨道交通车辆厂商定制碳纤维部件。但是目前为止，大部分属于内装使用玻纤复合材料较多，在外部大规模使用碳纤维复合材料非常少见，这其中有成本因素，也有其他因素。首先，如何保证使用的碳纤维复合材料一定能够达到轨道交通车辆的力学要求，怎么做到用最少的材料满足设计需求。这就需要复合材料结构设计所需的原材料性能要可靠，通过试样(单层板和层合板)、元件、组合件、全尺寸部件等多个层次的结构进行验证，才能放心使用。其次是在安全性放。目前高铁动车组跑到一定的公里数要进行不同等级的维护，到最高5级修的时候，需要把车体油漆全部脱离掉，检查车体是否含有裂纹等缺陷。如果换成复合材料车体，那么维护周期要多长？老化寿命有多久？内部出现缺陷如何检测、如何修复？最后，轨道交通领域目前还未建立起一套复合材料应用体系。面对诸多不确定问题，缺乏和碳纤维企业一致的对接理由。其实很多轨道交通车辆厂商遇到的问题，在碳纤维企业都能找到解决方案，但受制于产业链的不完整、碳纤维企业水平层次不齐等诸多因素，导致两者未能产生良好的联动效应。结合以上的介绍，可以预见未来碳纤维在轨道交通领域的应用潜力非常巨大。如若轨道交通厂商与碳纤维企业能够及时对接，不仅能够帮助厂商打破自身碳纤维应用的僵局，两者的合作还能加速碳纤维在轨道交通领域的应用，典型双赢局面。

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