碳纤维复合材料在交通运输装备轻量化中的应用前景和途径课件

1、碳纤维复合材料在交通运输装备轻 量化中的应用前景和途径国际交通运输装备轻量化目前交通运输装备的设计和制造面临着升级换代，国内和国外 的交通运输装备制造厂商都试图在该领域取得突破，机会对国内和 国外的厂商都是均等的，但国际和国内的巨大市场需求为国内企业 带来了特殊的商机，因此国内制造商必须抓住机遇，在国际市场的竞 争中占据交通运输装备制造行业制高点，关键是谁能首先取得突破 。面对挑战抓住机遇占 据国际交通运输装备制造行业的制高点(b)挑战和机遇“十二五”国家战略性新兴产业发展规划“要大力发展新型功能材料、先进结构材料和复合材 料，开展共性基础材料研究和产业化，建立认定 和统计体系，引导材料工业结

2、构调整。”美国国家科技委员会 2012年美国SAMPE会议上的报告“从上个世纪80年代开始，技术的更新与经济 发展已经从未像现在这样更多地依赖于新材料的 开发利用。”材料是推动结构升级的基础碳纤维复合材料的全方位应用是新一代交通 运输装备的标志，会成为引领产业结构升级换代、加 快国产品牌走向世界、促进我国经济发展的催化 剂轻量化是当前交通运输装备发 展的潮流节能，降低燃料消耗的需要降低全寿命成本的途径降低全系统工程造价（如桥梁、高架车站等）的需求交通运输装备制造产业升级的要求轻量化的材料选择新型轻质合金新型增强塑料(SMC和LFT)碳纤维连续纤维增强复合材 料新型轻质合金的问题与传统金属材料相

3、比，其比刚度和比强度增加有限作为新研发的材料，在工艺制造和长期使用可靠性方 面没有积累新型增强塑料(SMC和LFT)的问题比刚度和比强度远低于传统的金属，只能用于非承力结构碳纤维复合材料的优势利用碳纤维的高比模量、高比强度和结构可设计性，减重效果突出 ，特别是对有较高刚度或变形要求的结构利用复合材料可整体成型和日趋成熟的液体成形工艺（如RTM和 VARI工艺），将由大量零件通过机械连接实现的复杂形状金属结构组 件，简化为由少量一次成型零件，简单装配即可实现的的复合材料 结构，大大减少零件和紧固件数，实现低成本制造在飞机结构中已应用了40年，积累了丰富的设计、制造和使用经验 ，基本成熟，迄今未因

4、复合材料发生过任何灾难性的事故飞机结构已实现了性价比优于金属结构的低成本工程化应用，复合材 料是飞机结构轻量化的惟一选择耐腐蚀、耐老化疲劳性能好优异的抗撞击和吸能性能常用结构材料的性能比较应用的难点和存在的疑虑对先进复合材料制品长期使用的可靠性存有疑问，包括疲劳 寿命、抗撞击性、耐腐蚀性、老化性能和可维护性等；获得的效益与增加的成本相比是否值得，不知是否能制造 出性价比可接受的产品；缺乏对先进复合材料结构设计和制造技术的了解，包括人才 和设备等，想用但又不知如何着手。信心(安全)成本技术商用飞机复合材料结构低成本之路上世纪70年代伊朗革命引发了石油危机降低油耗是航空公司对飞机制造商提出的迫切要

5、求飞机结构轻量化是降低油耗的首选飞机生产厂商（特别是波音和空客）之间的竞争加快了技 术的升级换代历经40年，从技术上解决了低成本复合材料结构技术的工程 化应用难题商用飞机复合材料结构低成本之路1980B767MD87A310B787A380MD82B757A320B777A330A321A340 MD1102050403019701975198519901995200020052010复合材料结构用量 %60MD90A350108300设计航程（海里）7900基准最大空重/座+2%基准轮档燃油/座+6%基准现金使用成本/座+8%900目前所获订单（架） 波音787的竞争机型1090A350波音

6、787座位数（3级布局）2702422004拟定复合材料用量增加到45称为“A350XWB ”方案2006年底复合材料用量飙升到522006碳纤维复合材料用量约为40A350迫于商业竞争压力不断修改设计方案，提高复合材料用量商用飞机复合材料结构低成本之路商用飞机复合材料结构低成本之路美国政府为推动复合材料在飞机结构中应用的研究计划ACEE（飞机能效计划，19761986）ACT（先进复合材料技术计划，19881997）AST（先进亚声速计划，19922002）CAI（低成本复合材料计划，19962006）商用飞机复合材料结构低成本之路欧盟赞助的推动复合材料在机翼机身结构中应用的研究计划TANG

7、O(TechnologyApplicationtoNear Term Business Goals and Objectives，20002004)ALCAS(AdvancedLowCostAircraftStructures ， 20042008)商用飞机复合材料结构低成本之路民用飞机与军机相比，更加注重安全性和成本，因此首先从扰流板这 样的非受力结构开始应用，然后进入次承力构件，取得成功后再尝 试主承力构件；在民机应用的初期，首先通过100多个扰流板的使用，取得复合材料 在飞机结构中安全使用的经验和发现使用中出现的复合材料结构特 有的问题（湿热影响和冲击损伤）；对尾翼结构的应用表明，仅凭碳

8、纤维复合材料在密度和性能方面的优 势所获得的使用成本（耗油）降低，就足以抵消制造成本的增加 ，使得全寿命成本（即采购成本、使用成本和维护成本之和）低于 金属结构，因此从上世纪80年代中期后，几乎所有的民机尾翼结构 均采用复合材料，复合材料的用量长期保持在10%左右；商用飞机复合材料结构低成本之路从上世纪70年代中期开始，即着手机翼机身这样的主结构应用，发 现仅靠已获得的减重效果带来的效益不足以抵消制造成本的增加 ，无法取得全寿命成本的优势。开始仍期望提高压缩设计值，以 获得更多的减重效果。但研究发现，提高压缩设计值的努力无法 取得突破，又转为对材料、制造工艺，以及整体化结构等其他途 径的探索。

9、历经了30多年的努力，本世纪初A380（复合材料占结 构重量28%）和Boeing787（复合材料占结构重量50%以上， 2009年12月15日首飞，2011年9月26日交付航线使用）投入批产， 表明由材料、设计、制造工艺、维护性等的技术进步构成的低成 本复合材料技术已进入工程化应用。为促进碳纤维复合材料在民用飞机结构中应用，需要政府部门赞助 、以降低成本为核心的长期研究计划来牵引。复合材料制件的成本构成总成本材料和制造50%紧固件和装配50%制造成本铺贴(46%)铺层切割(8%)NDI (15%)修边(6%)装袋与固化(13%)模具(12%)降低低成成本本的的潜潜力力CC22643020.p

10、pt低成本的解决途径原材料中模高强碳纤维和增韧树脂复合材料、大丝束、热塑性 树脂等加工工艺非热压罐工艺（OOA），包括真空袋成形、RTM（RFI、VARTM、VARI等），低温固化等制造自动化ATL，AFP（提高工效和降低废品率）设计技术整体化（利用共固化和共胶接技术，减少零件数和装配 工时）降低维护成本和提高出勤率利用优良的抗疲劳和耐腐蚀性能December 15 2009低成本复合材料技术已进入工程化应用的标志低成本复合材料技术已进入工程化应用的标志成本是关乎碳纤维复合材料生存的命脉，只 有生产出被用户接受的产品，碳纤维复合材料才能 得到生存、发展和成为推动经济增长的动力。航空与交通运输装

11、备领域的异同相同点都有减重的迫切需求开始进入各自领域时都面临相同的问题缺乏信心（安全）、成本和技术航空与交通运输装备领域的异同不同点交通运输装备领域对性能的要求略低于航空对采用碳纤维复合材料的迫切性不如航空对产品成本的可接受程度不如航空交通运输装备用复合材料结构的低成本技术可借鉴 航空，但又有自己的特点，需要创新碳纤维复合材料在轨道交通领域应 用的动力随着对减能降排和增加运力的需求，轨道交通装备减重最有 效的措施之一一定是采用碳纤维复合材料目前轨道交通运输设备的总体技术虽稍占上风，但国外的 创新能力远高于国内，随着国际上对高铁、轻轨、磁悬浮列 车市场的扩大，国外厂商对轨道交通运输装备市场的兴趣

12、 会激发它们的技术创新，碳纤维复合材料必然是它们的首 选。人无远虑必有近忧碳纤维复合材料在轨道交通领域应 用的现状由于轨道交通领域缺乏碳纤维复合材料的设计与制 造技术，习惯于用金属的设计技术和玻璃钢的传 统制造技术，无法用碳纤维复合材料获得性价比 优于用现有材料制造的结构，碳纤维复合材料尚 未在行业内获得认可在轨道交通运输装备轻量化中采用的材料依次是铝 合金 SMC LFT 玻璃钢 碳纤维复合材料碳纤维复合材料在轨道交通领域应 用的技术途径其技术难点是在结构设计时对不同材料的优化设计和不同 材料整体化设计和制造技术轨道交通与碳纤维复合材料领域的技术团队共同攻关借鉴航空复合材料低成本化的经验，由

13、国家支持：非 承力件次承力件主承力件全尺寸结构碳纤维复合材料在轨道交通领域 应用的技术途径不久前去世的中国材料科学界泰斗师昌绪院士说过：设计时灵魂，材料是基础，工艺是关键，测试是保证由轨道交通领域牵头，与碳纤维复合材料企业结成战略 同盟，以低成本为宗旨，以轻量化为目标，做出有示范意 义，可批量生产的产品，实现碳纤维复合材料在轨道交通 领域的大量应用碳纤维复合材料在汽车领域应用现状汽车多年来一直是继航空之后下一个碳纤维复合材料在结 构轻量化应用中重点关注的领域由于汽车（特别是家用轿车）对成本的要求极为苛刻，同时 要求有极高的生产效率（每年至少几十万辆），航空领域 的碳纤维复合材料技术无法直接应用

14、，只能用于豪华级的 汽车，人们多年来一直认为家用轿车无法采用碳纤维复合 材料但宝马、通用、丰田的欧美日本的汽车领域坚持不懈，汽车 的低成本碳纤维复合材料技术已基本突破，预计在近年 内（大约5年内）可望实现碳纤维复合材料家用轿车的批量 生产在国际上汽车将是碳纤维复合材料在工业领域，继航空应 用之后的第二个重大领域，推动了碳纤维的市场的急速增加碳纤维复合材料在轨道交通领域的 应用前景中国的轨道交通车辆轻量化需求远超其他国家由于对碳纤维复合材料技术的研发长期不予重视，中国不可 能在近期实现碳纤维复合材料家用轿车的批量生产，在可 预见的将来永远只能是汽车生产大国，而不可能是汽车 生产强国随着国际上对高

15、速列车的需求日益增加，高速列车市场会越 来越大，巨大的国际市场会激发国外公司对交通运输车辆 轻量化的重视，碳纤维复合材料技术必将是它们研发的重 点方向结合中国国情和国际市场上的竞争态势，轨道交通运输装备 将是，也应该是中国碳纤维复合材料在工业领域扩大应用 的首选想不到四十年前人们想不到碳纤维复合材料会成为 飞机最主要的结构材料二十年前人们想不到碳纤维复合材料会成 为汽车的主要结构用材料今天没有人会想到碳纤维复合材料会成为 轨道交通车辆的主要结构材料之一12/8/2014法国TGV列车碳纤维复合材料双层车体标准件（ACX工业公司制造）较铝制车减重25%提高安全舒适度法国GEC阿尔斯通公司/ SN

16、CF 使用碳纤维 和玻璃纤维增强环氧树脂 包覆发泡蜂窝材料芯, 制 造出了双层、大容量高速客 车, 并将总重保持在17吨 ,与单层高速客车重量水 平相同，显著提高了运载 能力。日本的N700 的车体结构中采用了大量的CFRP， 其车顶、车底降噪板、车体空 穴连接板、车裙等均采用 CFRP材料，并据此实现了较 其上一代的700系列减重 近10吨，同时，加速性能和 极速分别调高了62.5 和8。新一代法国TGV列 车碳纤维复合材料 双层车体由ACX工 业公司制造， 采用 夹层结构， 材料为 ROHACELL 71IG泡沫，碳纤维环氧 预浸料，在120固化， 真空袋压成形 。日本新干线E4碳 纤维/

17、环氧司机室12/8/2014韩国TTX碳纤维复合材料整体车体不 锈钢骨架+碳纤维蒙皮500公里高速列车车头罩恒神研发恒神为南车集团青岛四方车辆厂研 制的500公里高速列车车头罩已于 2012年底正式装车试运行。1 kg铝弹660km/h的高速撞击350 kN的静载荷DIN5510-2的阻燃S4级别轨道列车碳纤维复合材料司机室恒神研发料）减重要求：冲击要求：阻燃要求：主要性能： 20%（比玻璃钢材料） 不穿透（UIC-651）S3,SR2,ST2(DIN5510-2)烟毒性要求：FED1.0隔热性能：隔音性能：2014-12-81.8W/m2K(DIN567-1)38dB (DIN52210-6-1989)首件样品设计研 发制作已完成， 已通 过南车株洲电力机车有 限公司验收， 待装车 试运行。CFRP受电弓导流罩CFRP司机室操作台CFRP司机室车轮罩材料：玻纤/碳纤混杂重量：46kg28.5kg减重38%成本：基本相当其他轨道交通碳纤维复合材料制品恒神研发高铁车厢裙板分析和试验结果表明， 所研制的复合材料