高速磁悬浮轻量化 需要碳纤维

　　“想知道大门里面是狮子还是美人，总得推开门去看看。”尽管是一名技术型人员，丁叁叁却总能恰到好处地冒出文艺范的金句。

　　碳纤维复合材料在轨道交通承载结构的应用可行与否，就是丁叁叁口中的“美人和狮子”。

　　作为中车【四方股份(601126)、股吧】公司（以下简称“中车四方”）副总工程师，他和团队的使命就是探索各种可能性。在他鼓起勇气推开那座沉重的大门前，嘲讽、质疑和各种压力如潮水般汹涌而至。

　　背负重重压力，这个团队还是选择了尊重内心的好奇。不过，碳纤维复合材料对于解决轨交列车轻量化问题的诱惑也确实大。

　　2018年9月，第一代碳纤维地铁CETROVO在德国面世。无疑，丁叁叁和他的团队看到的、向世人证明的，大门内确实是美人。

　　不过要迎接“美人”出来，却是不易。

　　2年后，时速600公里的高速磁浮试验样车，在上海成功试跑。这辆中国地面速度最快的交通工具，走出了万里长征第一步。该车的研发由中国科技部组织，中车四方股份公司技术负责，汇集国内高铁、磁浮领域优势资源，联合30余家企业、高校、科研院所共同攻关。

　　2019年，高速磁浮作为前沿关键科技被列入国家《交通强国建设纲要》。

　　但轻量化问题，是高速磁悬浮列车要面临的重大问题之一。迎接美人走出大门的需求越来越迫切！压力也越来越大，这不是一个行业的事情，是碳纤维复合材料与主机厂两个行业共同的议题。

　　协调两个行业的步子，难度可想而知。

　　通过一年一次的碳纤维会议，两个行业的智慧充分碰撞，让满是焦虑的他感到些许的安心。

　　01

　　高速磁悬浮轻量化 需要碳纤维

　　2020年6月21日，上海迎来了特别的一天。

　　高速磁浮试验样车首次在上海进行系统联合调试。多种工况下的动态运行试验一一开展，包括不同轨道梁以及道岔、小曲线、坡道、分区切换等，共完成七大项200多个试验项点，对悬浮导向、测速定位、车轨耦合、地面牵引、车地通信等关键性能进行了全面的测试。

　　最终的测试结果完全满足预期效果。

　　这辆高速磁浮试验样车设计时速达到600km/h，补充了高铁350km/h和飞机900km/h之间的速度空白。

　　“完善天空地一体化的交通网络，对于我们国家来讲是很有战略意义的。”丁叁叁对《大国之材》说道。

　　中国人对于磁悬浮的执念，早就体现在上海的首条磁悬浮试验线上，中国人渴望拥有一个全套的技术解决方案。前期磁悬浮的项目主要是以院校为创新主体，解决技术和理论问题。“十三五”重新规划后，工厂接过项目，解决成套方案工业化生产的问题，建立起产业链。

　　另外，中国高铁产业已经形成庞大的体量优势。后高铁时代，发展600km/h的高速磁悬浮列车，借此占领技术制高点，将带来技术外溢性，如碳纤维、磁技术、控制技术等等的发展，对于产业转型升级具有重要意义。

　　中车四方的丁叁叁团队，背负着重任。

　　对于他们而言，磁悬浮列车是全新的领域。与传统的轮轨列车相比，轮轨列车是轨道与轮子相互接触，列车系统都在车身上；而磁悬浮列车则是由电机牵引，电机部分在地底下，这给丁叁叁团队带来了列车系统全新的认识。

　　高速磁悬浮带来的是控制系统的迁移和材料系统的迁移，一切都是从无到有的过程。

　　材料是关键问题之一。列车达到600km/h的速度后，将面临气动的问题，特别是在隧道内，列车车体承受的气压与速度成平方关系，因此车身强度与高铁如复兴号相比成倍增加，此外空气阻力也会大幅提高。因此，只有满足轻量化，才能设计出足够强的车体。

　　而轻量化的材料方案主要有两个：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，最早的重二十吨左右的合金材料客车车体，重量硬生生被压缩到如今的七八吨。

　　剩下的方案是复合材料。

　　碳纤维复合材料已经在CETROVO上得到了一定的验证，但对于时速高达600km/h，运行条件更为复杂的高速磁悬浮列车而言，仍面临新的挑战。

　　02

　　并非简单的材料应用算数题

　　高速磁悬浮采用碳纤维复合材料，不是一道简单的材料应用算术题。

　　在高速运行过程中，高速磁悬浮列车轻量化与车身强度、刚度、噪声、振动等因素之间，存在矛盾。“不能为了实现轻质而影响其他性能。”丁叁叁对《大国之材》说。

　　另外就是两个行业协调的事情，“跨行业需要理解与包容，两个复杂的行业的知识、认识需要形成统一。”

　　目前阶段存在着各种矛盾。做复合材料的从业者认为轨道交通的设计结构不合理，而轨道车辆的设计人员认为，列车的控制系统、制动系统、空调等方方面面都要彻底改动，要适应新材料的结构难度很大。

　　“所以要尽量相互学习、交叉学习，然后相互理解对方的行业的规律，去找到技术的平衡点。”

　　而目前，碳纤维复合材料的应用从高端往民用推进，规模和牵引力仍然有限。

　　材料应用到某个行业，就要适合这个行业的TQC（时间、质量、成本）要求。从航空航天走到轨道交通，碳纤维技术的移植，面临跨行业的认识问题。

　　“形成TQC的优势，就要产业成熟、形成规模化的效应，有足够强大的专业装备、足够多的人员、足够科学的流程，需要长期的积累、优化。这一切需要大量的人才、物力的投入。”

　　中车四方看到，用户和装备商的热情没有预想中的高。尽管碳纤维轻量化的项目正在尝试，但从工业层面上看只是浅尝辄止，并没有大量的投入和相应数量的产线建设。

　　“碳纤维作为战略材料应该由大型企业主导，形成专业的细化分工。”丁叁叁有些感慨。

　　所幸，对于碳纤维导入高速磁悬浮等列车的应用，民营碳纤维企业的热情高涨。与这些供应企业合作，丁叁叁的感受颇深，有感动也有困惑。

　　“他们都很有情怀，开放、积极，做了大量的工作。”

　　但碳纤维产业发展不均衡，一方面市场不充分，另一方面产业技术不充分。有数据显示，2018年全球碳纤维需求量约 92.6 千吨。在细分市场的应用上，风电叶片、航空航天、体育休闲及汽车领域的需求达到 68.1 千吨，占据碳纤维全球需求总量的 73.5%。

　　碳纤维发展仍处于高端往低端迈进的过程中，但还未接地气。“没有足够的市场驱动，但也是因为没有让用户为之心动的完整的解决方案。”丁叁叁表示。

　　“很多乍一听很有吸引力的方案，但真正面临应用的时候，还是很难。”

　　“不能提供完整的解决方案，归根结底，就是规模化不足、专业化的路未通、主体缺位。”丁叁叁总结道。

　　主体缺位导致分工同质化严重，国产碳纤维企业数量达到80多家。生产碳丝的企业占不少，碳丝的型号强度也包括T300到T700不等。从行业内而言，T300到T700技术差异很大，但从另一个层面而言其实都属于一类技术。

　　“同一类技术，为什么不能大家集中投资把它彻底解决呢？”站在中车四方的角度，丁叁叁说出了自己的困惑。

　　另外，不少做碳丝的企业为了找到生存空间，延伸产业链布局预织品等，导致未集中精力深耕碳丝工艺。“从企业生存角度而言没有错，但是从整个行业发展来看，不符合工业化分工的趋势。从行业的大发展上看，我个人觉得有必要进一步去理顺。”

　　03

　　抓住窗口期是关键

　　为了把“美人”从大门内迎出来，丁叁叁很重视与碳纤维企业保持沟通。

　　每年的“碳纤维及其复合材料技术与应用研讨会”，丁叁叁都会参加，与碳纤维行业的企业和专家学习交流。“每年的这个时候对我们来说很重要。”

　　对于研发机车车辆的丁叁叁团队而言，对于碳纤维复合材料的理解仍然有限，通过与碳纤维复合材料的研发、制造单位、企业一起坐下来探讨面临的难题，群策群力找到解决方案无疑是不错的机会。

　　“美人”什么时候才能迎出来，丁叁叁认为，希望从政产学研用等多方面，一起达成共识，也许三五年就会出现很大的变化。

　　作为机车车辆的研发力量，丁叁叁团队也正用自身的力量去推动。

　　早前，丁叁叁的团队定下了清晰的规划：一是进行轨交列车材料的替代，二是在通过结构优化把技术催熟，三是凭借成熟技术进行批量化的生产和推广。

　　两年的时间，一切按照预期计划在推进。

　　丁叁叁团队做了大量低成本、高效率部件的试制，并取得了一些成果。如高铁的司机室，磁悬浮的很多样件也取得不少成果，准备装车，“可能到明年或者是后年，可能会有更大的一些东西出来，如车体、转向架等部件。”

　　出于综合性能需要，镁合金、碳纤维及其他新型的材料技术也都在不断尝试。但面对越复杂的环境，碳纤维复合材料的应用潜质就越大，“我希望磁悬浮在碳纤维复合材料的应用上能够达到10%~30%以上的覆盖范围，这样才能带来整个列车系统的转型升级或代际变化。”

　　在2020年8月的“2020第六届碳纤维及复合材料产业大会”上，丁叁叁这样总结团队的工作：经多年努力，取得长足进步，成就斐然。总体进展缓慢，应用进程到需求窗口交集动态令人担忧。

　　中国轨道交通行业的活力，为碳纤维的推广带来需求窗口。

　　相关数据显示，截止2020年6月，国内干线已开通86条，3.7万公里，在线列车3665组，运营里程及列车保有量均占世界2/3。

　　按照国家铁路局的规划，到2030年，高铁里程将达4.5万公里，投入使用7000组列车。城轨方面，截止2019年底，国内40市已开通208条城轨，6736公里里程，列车6966列。“预计到2025年总计再建7800公里，保有量将超16000列。”

　　但针对碳纤维在轨交车辆上的应用，业界能否抓住高铁发展窗口期并披荆斩棘搭上这趟东风，着实考验着复合材料和轨交车辆两个行业人的智慧。