1. 新產(chǎn)品新技術(shù)信息

碳纖維車體

2018年9月18日，在德國舉行的柏林國際軌道交通技術(shù)展上，中車四方股份公司發(fā)布了新一代碳纖維地鐵車輛“CETROVO”。該車最大的特點之一是車身采用碳纖維材質(zhì)，碳纖維復(fù)合材料作為一種新材料，被稱為“輕量化之王”，其輕質(zhì)、高強度的優(yōu)點為列車輕量化提供了絕佳的解決方案。碳纖維使車輛實現(xiàn)大幅“瘦身”。與采用鋼、鋁合金等傳統(tǒng)金屬材料相比，新一代碳纖維地鐵車輛的車體、司機室、設(shè)備艙分別減重30%以上，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架減重40%，整車減重13%。

圖1  CETROVO 車輛外觀

圖2  CETROVO 車輛內(nèi)飾

據(jù)悉，600km/h磁懸浮列車車體將采用碳纖維材料，主要是基于輕量化考慮。目前運營高速列車速度與輕量化水平參數(shù)見表1。從表中可看出，日本的N700系列車每延米長度的質(zhì)量最輕，約為1.73t/m，說明列車輕量化水平較高，法國TGV-Duplex、AGV、德國ICE3、AVE等系列車每延米長度的質(zhì)量為2t/m左右，說明列車輕量化在高速化的進程中普遍受到關(guān)注。

表1 目前運營高速列車速度&輕量化水平參數(shù)

從目前情況來看，纖維增強復(fù)合材料的高成本短期內(nèi)不會大幅的降低，那么目前只能想辦法降低復(fù)合材料零部件的制造費用，通過一次成型技術(shù)避免金屬材料所需要的二次加工，從而大大降低產(chǎn)品的消耗，減少人力和物力的浪費，以此來彌補與金屬材料之間的成本劣勢。同時，當(dāng)車體被分成幾個構(gòu)件分別制作，再通過裝配連接成一體時，這種結(jié)構(gòu)往往沒有足夠的剛度去抵抗過度的振動，其裝配連接卻成為了整車車體的最薄弱環(huán)節(jié)。這也是法國的TGV和日本新干線列車復(fù)合材料實驗車體不能進入商業(yè)化運營的主要原因。

為此，韓國的TTX擺式列車在復(fù)合材料車體內(nèi)設(shè)置增強骨架（圖3），并采用了大型熱壓罐一次成型技術(shù)。制造其車體專用的大型熱壓罐長30m，直徑5m。執(zhí)行溫度范圍由室溫至180℃，最大壓力水平為700kPa。其復(fù)合材料車體結(jié)構(gòu)的制造過程可分為5個步驟。

圖3  復(fù)合材料車體結(jié)構(gòu)斷面示意圖

步驟1：制備模具（圖4（ａ））。

為了制造大型車體結(jié)構(gòu)，首先需要制備模具。構(gòu)造全尺寸車體結(jié)構(gòu)需要木質(zhì)模具和復(fù)合材質(zhì)模具2種。木質(zhì)模具由三層組成，而復(fù)合材質(zhì)模具則是在木質(zhì)模具基礎(chǔ)上手糊成型。手糊成型后，復(fù)合模具在室溫下進行加工處理5天，并在80℃下進行后處理4h。復(fù)合材料模具的厚度為20mm，且在外層安裝了加強結(jié)構(gòu)。

步驟2：外表層的制備過程（見圖4（b））。

當(dāng)復(fù)合材質(zhì)模具準備完成后，在模具的內(nèi)表面進行車體外表層的鋪設(shè)。所用材料為碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料坯，鋪設(shè)厚度為3.5mm，并在外表層鋪設(shè)剝離層且用真空袋壓進行密封，隨后置于熱壓罐中生成處理。

步驟3：鋁蜂窩夾芯及內(nèi)部加強結(jié)構(gòu)的鋪設(shè)（見圖4（c））。車體外表層制備完成后，除去剝離層，然后將鋁蜂窩夾芯及內(nèi)部加強結(jié)構(gòu)置于外表層上。通過粘合劑將外表層與夾芯粘合在一起。

步驟4：內(nèi)表層的鋪設(shè)過程。

鋁蜂窩夾芯與內(nèi)部加強結(jié)構(gòu)成功鋪設(shè)在外表層后，再次使用粘合劑，將蜂窩夾芯與內(nèi)表層進行粘合，即完成內(nèi)表層的鋪設(shè)。

步驟5：熱壓罐處理及脫模過程。

在所有鋪設(shè)步驟完成后，將已完成結(jié)構(gòu)放置熱壓罐內(nèi)，依據(jù)圖4（d）所示進行加工固化。熱壓罐中的加工循環(huán)結(jié)束后，將車體結(jié)構(gòu)從復(fù)合材料模具中進行脫模。

圖4   復(fù)合材料車體制備過程及固化機制

2. 行業(yè)發(fā)展動態(tài)

2.1. 市場需求信息

深圳地鐵公司提出地鐵車輛防腐涂裝應(yīng)采用水性涂料。實際上，近年來國家、地方及相關(guān)行業(yè)組織相繼出臺了一系列的政策法規(guī)，如2015 年1 月26 日國家財政局聯(lián)合國家稅務(wù)總局發(fā)布了征收“涂料消費稅”的通知，2015年6 月底VOC 排污收費試點方案也已發(fā)布。目前我國鐵路車輛涂裝用涂料大部分是溶劑型涂料，鐵路貨車廣泛應(yīng)用的溶劑型厚漿醇酸涂料以及一些鐵路機車和客車面漆均有一定量的VOC 排放。2015 年工信部發(fā)布的《水性聚氨酯涂料》、《水性環(huán)氧樹脂防腐涂料》、《水性丙烯酸樹脂涂料》3 項水性工業(yè)涂料行業(yè)產(chǎn)品標準已正式實施；2016 年，《水性醇酸樹脂涂料》、《水性無機磷酸鹽溶劑防腐涂料》等水性涂料行業(yè)標準也開始實施，水性工業(yè)涂料的標準化規(guī)范已經(jīng)逐步完善，鐵路涂料涂裝水性化迫在眉睫！

2.2. 行業(yè)發(fā)展動態(tài)

l 西門子開發(fā)的機車車體積極采用激光焊技術(shù)，其主要的合作方是Photon AG公司。圖5是ET490 DT5車型3D激光焊技術(shù)的應(yīng)用示意圖。圖6是IEC4的側(cè)墻及頂蓋結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5  ET490 DT5車型激光焊焊縫示意圖

 圖6 ICE4側(cè)墻及頂蓋結(jié)構(gòu)示意圖

l 龐巴迪生產(chǎn)的俄羅斯某款機車采用了整體承載結(jié)構(gòu)，基于瑞典的IORE機車設(shè)計，運行環(huán)境溫度為-50到50℃，使用壽命45年。車體主要材料有2種，分別是厚度3-6mm的S355 NL/EN 10025-3,以及厚度為8-100mm的。

圖7  俄羅斯某機車車體結(jié)構(gòu)示意圖

2.3. 產(chǎn)業(yè)資源

近幾年國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，主要的研制生產(chǎn)如下：

l 晉飛碳纖：國內(nèi)先進的碳纖維復(fù)合材料方案提供商，在軌道交通領(lǐng)域的研發(fā)能力和技術(shù)優(yōu)勢尤為突出，由其研制的玻璃纖維和碳纖維VIP 座椅私密罩，已大量運用于我國高鐵列車車廂；近年來，晉飛碳纖又先后與中車四方、中車唐山合作，成功開發(fā)了中國標準動車碳纖維設(shè)備艙、下一代地鐵CFRP 司機室和雙層臥鋪車碳纖維內(nèi)裝件等，成為國內(nèi)重要的碳纖維復(fù)合材料軌道列車部件生產(chǎn)商。

l 海源機械：公司對碳纖維短周期大批量成型工藝進行了多年的投入，在2015年實現(xiàn)了技術(shù)突破，并于2015年9月通過海源碳纖維概念車的開發(fā)，對公司自主研發(fā)的碳纖維車身工藝和裝備進行了驗證。

l 恒神股份：公司成立于2007 年，曾主營產(chǎn)品有丹強絲和碳纖維兩大板塊，2015 年開始專營碳纖維及相關(guān)產(chǎn)品，其主要產(chǎn)品為T300 級碳纖維，進入龐巴迪（全球第三大民航）體系。已經(jīng)實現(xiàn)HF10、HF30、HF40 產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，其中千噸級生產(chǎn)線生產(chǎn)的HF10A（T300 級）已通過航空鑒定并形成批量供應(yīng)，現(xiàn)正在進行用于民用飛機的適航鑒定；千噸級生產(chǎn)的HF40（T800 級）碳纖維性能已與東麗T800H 相當(dāng)，實現(xiàn)了穩(wěn)定生產(chǎn)，正在開始航空鑒定和用于民機的適航鑒定。同時公司正開展高模M55 級、M60級、高強T1000 級產(chǎn)品的研發(fā)，同時具備各應(yīng)用領(lǐng)域的樹脂和復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計制造開發(fā)能力。公司相繼與國內(nèi)航空、軌道交通、兵器、海裝等客戶合作開發(fā)了諸如直升機平尾，運輸機縫翼、司機室、列車裙板、方艙、驅(qū)逐艦儀表臺等制件，并取得了巨大的成功，幫助客戶實現(xiàn)了減重和其它功能性需求。

l 康得新：公司多年經(jīng)營，已初步搭建起了一整套的碳纖維輕量化生態(tài)平臺。包括中安信高性能碳纖維生產(chǎn)基地、康得復(fù)材的工業(yè)4.0版智能化碳纖維車體及部件制造工廠，以及位于德國慕尼黑的KDX歐洲復(fù)合材料研發(fā)中心和KDX雷丁汽車輕量化設(shè)計中心，并得到德國GFG公司和SGL公司的生產(chǎn)技術(shù)支持。其5100噸碳纖維項目一期單線產(chǎn)能1700噸高性能碳纖維生產(chǎn)線已于2016年8月建成投產(chǎn)，為高性能碳纖維生產(chǎn)線，產(chǎn)品包括ZA55X、ZA50X等高強型碳纖維和M/MJ系列高模型碳纖維，經(jīng)多家第三方權(quán)威機構(gòu)評價，性能已達到/超過國際同類產(chǎn)品先進水平。

l 光威復(fù)材：擁有核心裝備研發(fā)制造能力，擁有大型數(shù)控加工中心等精密加工設(shè)備，取得壓力容器設(shè)計制造資質(zhì)，具備碳纖維及預(yù)浸料、制品生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備自主設(shè)計與制造能力。光威復(fù)材擁有碳纖維行業(yè)的全產(chǎn)業(yè)鏈布局，主要產(chǎn)品包括碳纖維、碳纖維織物、碳纖維預(yù)浸料、玻璃纖維預(yù)浸料、碳纖維復(fù)合材料制品及碳纖維核心生產(chǎn)設(shè)備（公司具備碳纖維及碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)設(shè)備制造及生產(chǎn)線建設(shè)能力）等。主要產(chǎn)品為GQ3522 型（T300 級）碳纖維及織物，應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。其他產(chǎn)品主要分布于漁具、體育休閑等工業(yè)領(lǐng)域。

l 精功科技：公司是國內(nèi)首家研制碳纖維生產(chǎn)線的企業(yè)。公司研制的國內(nèi)首條碳纖維生產(chǎn)線主要負責(zé)從原絲到碳纖維的生產(chǎn)過程公司。2013年起研發(fā)碳纖維生產(chǎn)線，目前已成功研發(fā)碳纖維成套生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線以12K、24K及以上原絲為原料，具備年生產(chǎn)1千噸以上碳纖維生產(chǎn)能力，整條生產(chǎn)線核心設(shè)備和工藝采用德國、意大利等國外知名公司為供應(yīng)商，整線技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。公司是國內(nèi)少數(shù)進軍大絲束的企業(yè)，2017年12月20日，1.2萬噸大絲束碳纖維項目一期2000噸生產(chǎn)線以正式開車投產(chǎn)。大絲束產(chǎn)線的搭建將為國內(nèi)碳纖維成本的下降提供新思路。

3. 車體知識產(chǎn)權(quán)態(tài)勢分析

3.1. 行業(yè)標準

l 由中國鐵道科學(xué)研究院城市軌道交通中心牽頭完成了CJ/T 533-2018《城市軌道交通車輛車體技術(shù)條件》，并于2019年5月開始實施。標準規(guī)定了城市軌道交通車輛車體的基本技術(shù)要求、車體及其各部件技術(shù)要求、車體材料及許用應(yīng)力、車體結(jié)構(gòu)功能評定、車體載荷工況、車體強度驗證試驗、質(zhì)量保證、標記、交貨、包裝運輸及貯存。標準規(guī)定的適用范圍包括地鐵車輛、輕軌車輛、直線電機車輛、跨座式單軌交通車輛、低地板有軌電車和中低速磁浮交通車輛等。

3.2. 專利

l 2018年10-12月，陸續(xù)公開了前期申請的相關(guān)專利。主要車體專利見下表。

序號

申報單位

專利名稱

專利簡介

簡圖

1

青島四方

CN 107878483 -一種100%低地板有軌電車車體結(jié)構(gòu)

本發(fā)明涉及一種100％低地板有軌電車車體

結(jié)構(gòu),為不銹鋼車體，包括車頂、側(cè)墻、端墻、底架、上鉸接安裝座和下鉸接安裝座組成。車體的整體結(jié)構(gòu)簡單，滿足了車輛輕量化要求。 

2

青島四方

CN 108414623 -一種基于超聲波掃查成像的電阻點焊質(zhì)量評價方法

涉及電阻點焊超聲波成像領(lǐng)域，根據(jù)壓痕深度或焊核區(qū)域直徑對電阻點焊質(zhì)量進行評價。本發(fā)明操作簡單，掃查直徑大，效率高，獲取的結(jié)果更真實。

3

長客股份

CN 207875666 -一種吸能車體及具有該車體的軌道車輛

提供了一種吸能車體，包括設(shè)置在車體前端的車鉤，在所述車鉤的兩側(cè)對稱設(shè)置有吸能裝置，在車鉤上方設(shè)置吸能模塊。能夠提升軌道車輛前端吸能量，從各角度最大限度的降低碰撞脫軌的可能。

4

西南交通大學(xué)

CN 108622123-低成本的碳纖維復(fù)合材料空鐵車體的結(jié)構(gòu)及制造工藝

提供了一種低成本的碳纖維復(fù)合材料空鐵車體的結(jié)構(gòu)及制造工藝，加強筋骨架的內(nèi)部填充有夾芯泡沫，達到在車體輕量化的前提下滿足懸掛式車體的承載方式的功能與結(jié)構(gòu)的目的。

5

青島四方

CN 108827185-一種軌道車輛車身的三維重建裝置及三維重建方法

提供一種軌道車輛車身的三維重建裝置及三維重建方法。設(shè)置多個三維數(shù)據(jù)測量傳感器，測量得到的點云數(shù)據(jù)進行拼接，再通過點云處理算法，將點云數(shù)據(jù)中的體外孤點和重合點去除，最終得到車身表面三維數(shù)據(jù)。

6

青島四方

CN 208101995-一種軌道列車及其防撞裝置

涉及一種磁懸浮列車及其防撞裝置，其中防撞裝置包括主吸能盒，主吸能盒內(nèi)均填充有吸能材料；主吸能盒的底部還設(shè)有導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的兩個導(dǎo)向面相對設(shè)于主吸能盒的兩側(cè)并沿列車的長度方向由前向后漸縮。

7

重慶中車長客

CN 108995667

-一種車體及AS型地鐵

本方案的車體采用中空雙壁鋁合金擠壓型材組焊而成的整體承載結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)能夠承受正常載荷的作用而不產(chǎn)生永久變形和疲勞損傷，并有足夠的剛度和滿足修理和糾正脫軌的要求。

4. 專題：碳纖維產(chǎn)業(yè)

4.1 性能優(yōu)異的碳纖維

    碳纖維是由有機母體纖維在1000℃-3000℃的高溫、惰性氣體環(huán)境下，高溫分解、碳化而成的含碳量90%以上的無機高分子纖維。其力學(xué)、化學(xué)、電學(xué)等性能優(yōu)異，是國民經(jīng)濟與國防建設(shè)不可缺少的戰(zhàn)略新型材料，被譽為“黑色黃金”。

    碳纖維是由碳元素組成的纖維，既有碳材料固有特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性。自問世以來，應(yīng)用于各個方面。1959年，美空軍為尋找能更耐燒蝕的材料來制造航天飛機，與此同時，美國聯(lián)合碳化物公司成功研制出黏膠基碳纖維Thornei-25。不甘于落后美國，日本于70年代奮起直追。1971年日本東麗發(fā)力體育休閑行業(yè)，不同于美國軍工訂單，日本以小博大成就碳纖維目前的霸主地位。2000年后，中國發(fā)力碳纖維行業(yè)。初始階段，只有山東、吉林等地有極少數(shù)企業(yè)涉足碳纖維產(chǎn)品，年生產(chǎn)線規(guī)模僅為幾十噸，且產(chǎn)品水平落后。自2005年后，隨著國家出臺相關(guān)扶持政策，碳纖維產(chǎn)業(yè)駛上發(fā)展快車道。目前，我國已經(jīng)培育出光威復(fù)材、中復(fù)神鷹、江蘇恒神等龍頭企業(yè)。

4.2 來源豐富，PAN基為主

    按照原材料來源劃分，碳纖維主要可以分為聚丙烯腈（PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠劑碳纖維以及酚醛基碳纖維。其中，PAN基碳纖維因生產(chǎn)工藝相對簡單，工藝較成熟，產(chǎn)品力學(xué)性能好，成本較低，是碳纖維的主打產(chǎn)品，約占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%。瀝青基碳纖維是碳纖維的第二大品種，產(chǎn)量約占全球7%。

4.3 制作流程精細，原絲制備為首要要求

    PA N基碳纖維的制備流程復(fù)雜。可以總體分為兩步：第一步是PAN單體制造PAN原絲，第二步是PAN原絲的碳化。

    原絲生產(chǎn)過程包括聚合、脫泡、計量、噴絲、牽引、水洗、上油、烘干收絲等工序；其碳化過程包括放絲、預(yù)氧化、低溫碳化、高溫碳化、表面處理、上漿烘干、收絲卷繞等工序。制作流程精細復(fù)雜。

    在碳纖維制備的眾多環(huán)節(jié)中，原絲制備是至關(guān)重要的一環(huán)。制備高純度、高強度、高致密化以及高表面光潔度的原絲是制備高性能碳纖維的首要條件。一方面，高質(zhì)量原絲將雜質(zhì)缺陷降到最低，提高碳纖維性能；另一方面，高質(zhì)量原絲有助于縮短預(yù)氧化等工藝時間，降低整體生產(chǎn)成本。在PAN基碳纖維生產(chǎn)中，原絲約占總成本的50%-60%。

(1) 紡絲   

(2) 預(yù)氧爐

(3) 低碳爐 

(4) 臥式羅拉

(5) 高碳爐

  (6) 表面處理

(7) 上漿立式烘干 

(8) 收絲

4.4 價格概況

    在碳纖維整體產(chǎn)業(yè)鏈中，隨著產(chǎn)品向下游開發(fā)，尤其是應(yīng)用于航空航天等高精尖領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料的價格大幅提升，最高具有200倍的產(chǎn)品附加值。以恒神2015年招股說明書為例，同一品種原絲的售價約40元/公斤，碳纖維約180元/公斤，預(yù)浸料約600元/公斤。當(dāng)合成為復(fù)合材料后，民用復(fù)合材料售價約1,000元/公斤，汽車復(fù)合材料約3,000元/公斤，航空復(fù)合材料約8,000 元/公斤。