軌道交通復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化之路

沈真

1 國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的下一個工業(yè)領(lǐng)域

目前，業(yè)界關(guān)注的國產(chǎn)碳纖維大量應(yīng)用的工業(yè)領(lǐng)域主要是：風(fēng)電葉片、以氫燃料儲氣罐為主的高壓壓力容器、汽車和軌道交通車輛。風(fēng)電葉片目前已然成為超過民航碳纖維用量的新的碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域，國產(chǎn)碳纖維如何開拓在風(fēng)電葉片領(lǐng)域的應(yīng)用將另文討論。壓力容器大量使用碳纖維的關(guān)鍵是碳纖維性能的一致性和穩(wěn)定性，同樣碳纖維價格也是另一個制約的要素，相對于其他結(jié)構(gòu)件，碳纖維價格在制品中的占比要高得多，工藝創(chuàng)新有助于降低制件成本，但潛力比其他工業(yè)領(lǐng)域要小。此外碳纖維纏繞壓力容器只是氫燃料罐的組成部分，其價格只是部分取決于碳纖維價格，碳纖維纏繞氫燃料儲氣罐的大量應(yīng)用還與其他很多因素有關(guān)，例如加氫站的設(shè)置等。汽車領(lǐng)域是碳纖維界熱議最多的領(lǐng)域，也是有可能用量多達幾十萬噸的工業(yè)領(lǐng)域，但在量產(chǎn)上有待于設(shè)計、材料、成型制造工藝及回收技術(shù)的進展，近期恐難突破。碳纖維在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用則是由中國國情決定的，其用量達幾萬噸是可以預(yù)期的。

由于碳纖維復(fù)合材料高端應(yīng)用首先在航空航天領(lǐng)域，現(xiàn)有的先進復(fù)合材料（不同于玻璃鋼）技術(shù)（材料、設(shè)計、成型工藝、裝配制造及維護等，以CMH—17《復(fù)合材料手冊》為代表）主要是基于航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的經(jīng)驗教訓(xùn)總結(jié)，因此將碳纖維復(fù)合材料在其他工業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用難易也取決于與航空航天領(lǐng)域應(yīng)用環(huán)境的差異程度（實際上風(fēng)電葉片的很多設(shè)計理念來源于直升機旋翼槳葉）。節(jié)能減排是當前世界各國發(fā)展的要求，結(jié)構(gòu)輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的有效措施之一，碳纖維復(fù)合材料又是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的首選材料，從而在交通運輸行業(yè)的推廣應(yīng)用碳纖維是國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化首先必須關(guān)注的工業(yè)領(lǐng)域。表1是筆者對碳纖維在交通運輸領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)的比較，具體包括民航、軌道交通車輛（包括公交車輛）和量產(chǎn)汽車3個領(lǐng)域。

可以看出，與量產(chǎn)汽車行業(yè)相比，在中國軌道交通車輛結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有可能是首先大量使用國產(chǎn)碳纖維的工業(yè)領(lǐng)域（當然必須由中車集團引導(dǎo)）。筆者的判斷是：①軌道交通車輛（包括公交車輛）有可能是繼風(fēng)電葉片后，（在中國）先于汽車行業(yè)大量使用碳纖維復(fù)合材料的另一工業(yè)領(lǐng)域；②在中國，軌道交通車輛可能是國產(chǎn)碳纖維實現(xiàn)其價值得到大規(guī)模應(yīng)用的首個工業(yè)領(lǐng)域。

2 軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化之路

筆者從2011年起開始關(guān)注碳纖維復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用，多年來在江蘇恒神股份有限公司（以下簡稱“恒神”）參與了多個國產(chǎn)軌道交通車輛碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研制和評審，對如何實現(xiàn)軌道交通車輛碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用有一些體會。

軌道交通行業(yè)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化之路可借鑒民機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)化之路的經(jīng)驗教訓(xùn)。圖1給出了民機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化的進程。圖1中飛機能效（ACEE）、先進復(fù)合材料技術(shù)（ACT）、亞聲速飛機技術(shù)（AST）、低成本復(fù)合材料（CAI）、應(yīng)用技術(shù)近期（目標TANGO）和先進低成本機體結(jié)構(gòu)（ALCAS）是美國和歐洲在近40年里贊助的推動碳纖維復(fù)合材料在民機結(jié)構(gòu)中大量應(yīng)用的研究計劃，這些計劃主要解決產(chǎn)業(yè)化過程中遇到的信心（安全）、技術(shù)、成本3個難題，其中最關(guān)鍵的是成本，所以“買得起（affordability）”構(gòu)成了這些計劃的核心和目標。可以看出，碳纖維產(chǎn)品在民機上的應(yīng)用經(jīng)歷了3個階段，先是非承力構(gòu)件，然后是次承力構(gòu)件，最后是主承力構(gòu)件。直至20世紀初以波音787和空客350碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分別占結(jié)構(gòu)總重的50%和52%為標志，實現(xiàn)了民機碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化的目標。時至今日，波音和空客公司仍在持續(xù)追求進一步降低成本的復(fù)合材料技術(shù)。當然軌道交通碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)化之路相對來說應(yīng)遠遠比民航應(yīng)用要快，用不了30年。

根據(jù)軌道交通行業(yè)的特點，筆者設(shè)想了軌道交通行業(yè)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)化之路，如圖2和圖3所示。其中，非承力件如裙板等，車體結(jié)構(gòu)包括設(shè)備艙、車頭罩、全尺寸車廂等，主承力件包括枕梁、轉(zhuǎn)向架等。目前大家的關(guān)注點主要集中在軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研制，即首先解決信心（安全性）和技術(shù)，成本暫時放在次要地位，迄今已取得顯著的成績，比較吸人眼球的成果如青島四方機車車輛股份有限公司和中車長春軌道客車股份有限公司（以下簡稱“長客”）的全碳纖維地鐵車體，長客的有軌電車車體、長客的枕梁和四方的轉(zhuǎn)向架等。在初始階段這種策略是正確的，軌道交通行業(yè)已對碳纖維復(fù)合材料的認識已經(jīng)有了長足的進步。根據(jù)筆者的體會，復(fù)合材料界與軌道交通行業(yè)技術(shù)與管理人員的溝通已漸入佳境，為軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)化提供了基礎(chǔ)。

當前，碳纖維在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用所面臨的主要問題有如下幾點：使碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制件低成本化，總結(jié)研制階段獲得的經(jīng)驗教訓(xùn)，制訂軌道交通行業(yè)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)所需的材料、設(shè)計、成型、制造規(guī)范標準和相應(yīng)的管理文件。目前，民航飛機的驗收標準是由歐美制訂的適航條例，中國缺乏經(jīng)驗只能遵照執(zhí)行；而中國軌道交通車輛的設(shè)計、制造和使用量已遠遠超過了歐美等其他先進制造大國，取得的經(jīng)驗教訓(xùn)是其他國家無法獲得的，標準規(guī)范就是設(shè)計、制造和使用的經(jīng)驗教訓(xùn)總結(jié)，如果好好總結(jié)、提高，就可以制定出領(lǐng)先于其他國家的標準規(guī)范（起碼可以根據(jù)中國的實踐，增加若干體現(xiàn)中國特色的條款），何至于在國際上招標還要執(zhí)行歐標。俗話說，“一流企業(yè)做標準，二流企業(yè)做品牌，三流企業(yè)做產(chǎn)”，中車集團應(yīng)該在世界上是軌道交通領(lǐng)域的一流企業(yè)，但沒有中國標準就配不上一流企業(yè)的稱謂。

軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化切忌大躍進。低成本化之路是一條艱辛之路，需要由主機廠牽頭將復(fù)合材料原材料生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、成型工藝、結(jié)構(gòu)制造、設(shè)備制造等廠商（團隊）等組成緊密配合的工作隊，按研發(fā)→低成本化→批量化生產(chǎn)的路線，朝著實現(xiàn)軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)全壽命成本（制造成本+使用成本+維護成本+回收成本）、優(yōu)于金屬結(jié)構(gòu)方向努力。在不太長的時間里，可以實現(xiàn)軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，同時實現(xiàn)國產(chǎn)碳纖維在軌道交通行業(yè)大批量應(yīng)用，到那時，幾萬噸碳纖維的年需量絕不會是夢。

復(fù)合材料界經(jīng)常說，設(shè)計是龍頭、材料是基礎(chǔ)、制造是關(guān)鍵、應(yīng)用是目的、維護是保障，其中低成本化突破的關(guān)鍵首先是設(shè)計。回顧碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵就是VESTAS在結(jié)構(gòu)設(shè)計思路上的突破，軌道交通行業(yè)碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的突破也必須首先在設(shè)計理念上的突破，既要繼承航空航天的碳纖維復(fù)合材料技術(shù)，又必須跳出航空航天固定思維的理念，才可能實現(xiàn)。同時很多研發(fā)人員往往忽視應(yīng)用是目的，在開發(fā)過程中沒有始終把批量生產(chǎn)作為目標，當下我國科研項目成果頗豐，但實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的很少，原因之一就是我國很多科研項目在制訂時沒有明確的產(chǎn)業(yè)化目標。

目前從事軌道交通碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研發(fā)人員來源于各種不同的行業(yè)，表2列出了他們各自的優(yōu)點和弱點，因此這些研發(fā)人員要對此有所認識，發(fā)揚優(yōu)點、克服自身的弱點，才有可能在軌道交通碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計中進行創(chuàng)新。表中提及的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的精細設(shè)計與制造主要源于碳纖維復(fù)合材料是一種高成本的材料，其用途主要是追求輕量化、對安全性要求極高的結(jié)構(gòu)，勢必需要對結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造做到精細化，才能充分利用材料的優(yōu)勢，表現(xiàn)為：對材料性能測試盡可能準確，結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全裕度在滿足結(jié)構(gòu)完整性要求的前提下盡可能小，在主承力0°方向纖維盡可能多，碳纖維在復(fù)合材料中所占的比例盡可能高，制件中的缺陷盡可能少等等。

總之，在前期已開展大量預(yù)研的基礎(chǔ)上，當前軌道交通碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制應(yīng)轉(zhuǎn)向下列重點：①建立軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適用的標準、規(guī)范和手冊；②以軌道交通車輛制造商牽頭，組成包括原材料供應(yīng)商、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)團隊、設(shè)備供應(yīng)商、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠等緊密結(jié)合的全產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)盟；③集中精力開發(fā)具有產(chǎn)業(yè)化前景的結(jié)構(gòu)件（即買得起的復(fù)合材料軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件），首先著重對已有研發(fā)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)開展低成本化研究，在取得階段性成果（即全壽命成本接近市場可接受水平）后進行小批量生產(chǎn)和試運行，同時開展產(chǎn)業(yè)化研究，建立大批量生產(chǎn)的生產(chǎn)線。

3 軌道交通碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研發(fā)體會

如CMH—17《復(fù)合材料手冊》中指出的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研發(fā)特點：“并行工程，由設(shè)計師、應(yīng)力分析、材料和工藝、制造、質(zhì)量控制、后勤保障工程師（可靠性、維護性和生存性）以及成本估算師組成的團隊聯(lián)合、并行地研制新產(chǎn)品或新系統(tǒng)，現(xiàn)已成為公認的設(shè)計方法。”這里列出了筆者接觸到，目前軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研發(fā)中出現(xiàn)的一些問題和今后的設(shè)想。

3.1 設(shè)計規(guī)范

結(jié)構(gòu)安全性的標準是滿足結(jié)構(gòu)完整性要求，飛機結(jié)構(gòu)完整性的定義是：“影響飛機安全使用和成本費用的機體結(jié)構(gòu)的強度、剛度、損傷容限、耐久性和功能的總稱。”具體體現(xiàn)就是飛機結(jié)構(gòu)強度與剛度設(shè)計規(guī)范，該定義基本上適用于對安全性有較高要求的其他工業(yè)領(lǐng)域。各工業(yè)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)都必須按各自的強度剛度設(shè)計規(guī)范進行結(jié)構(gòu)安全性評估，但只有少數(shù)工業(yè)領(lǐng)域的規(guī)范包含復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，如表3所示。其中航空領(lǐng)域的條款是針對碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，而船舶和風(fēng)電葉片的規(guī)范主要是玻璃鋼應(yīng)用經(jīng)驗的總結(jié)，不一定適用于碳纖維復(fù)合材料，其他工業(yè)領(lǐng)域基本沒有復(fù)合材料的應(yīng)用經(jīng)驗，沒有適用的的設(shè)計規(guī)范要求。目前多數(shù)軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計師或者通過增加安全系數(shù)，或者是遵照玻璃鋼風(fēng)電葉片的設(shè)計規(guī)范來進行設(shè)計，實際上這種設(shè)計方法存在很大的安全隱患。根據(jù)筆者對飛機碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與使用及飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度與剛度設(shè)計規(guī)范編制過程中的體會，飛機規(guī)范中的下列要點應(yīng)適用于其他工業(yè)領(lǐng)域以桿板殼形式出現(xiàn)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，參見表4。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.1 整體化結(jié)構(gòu)與工藝成本的權(quán)衡

復(fù)合材料成型工藝的特點是適合于整體成型復(fù)雜形狀零件，可以減少裝配工作量和緊固件，但會增加模具的復(fù)雜性和加工成本，同時過分整體化給維修帶來隱患，必須適度。

3.2.2 充分利用復(fù)合材料鋪層的可設(shè)計性

很多缺乏碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗的設(shè)計師不會利用復(fù)合材料鋪層的可設(shè)計性，習(xí)慣于按準各向同性材料進行設(shè)計，只是利用密度小的優(yōu)勢，往往達不到最佳的減重效果；此外，習(xí)慣于采用夾層結(jié)構(gòu)來提高結(jié)構(gòu)剛度，不習(xí)慣采用加筋結(jié)構(gòu)來滿足剛度要求。

3.2.3 創(chuàng)新的連接方法

連接一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點，軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無法采用金屬結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)連接方式，采用航空結(jié)構(gòu)的連接方式往往比較昂貴，如何在二者當中取得平衡，可能必須采用創(chuàng)新的連接方式。

3.2.4 多種材料/多種工藝混用

有2個層次的混用，即組件結(jié)構(gòu)級和零件級。組件級中零件可以采用不同材料和工藝制造，然后將不同材料（工藝）制造的零件進行組裝，其中關(guān)鍵零件可能需要使用碳纖維復(fù)合材料，其他零件可以采用玻璃纖維、工程塑料、片狀模塑料（Sheet Molding Compound，SMC）、長纖維增強熱塑性材料（Long Fiber reinforced Thermoplastics，LFT），甚至金屬制造，然后組裝在一起。零件級也可以采用多種材料/工藝一次成型（圖 4），也可以像風(fēng)電葉片一樣，由不同材料/工藝生產(chǎn)出半成品零件最后整體成型（圖5）。

3.2.5 結(jié)構(gòu)功能一體化

傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要考慮中結(jié)構(gòu)力學(xué)性能要求，其他功能，例如保溫、減震降噪、電磁性能、導(dǎo)電性能等采用其他方法解決，今后可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計時利用復(fù)合材料可設(shè)計性（包括功能）的優(yōu)勢，通過特種纖維、樹脂或夾芯材料及材料設(shè)計，在結(jié)構(gòu)成型的同時滿足其特種功能需求。

3.2.6 結(jié)構(gòu)組件標準化

風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新在于將復(fù)雜大型整體成型的葉片分解為將若干標準件進行組裝后整體成型，其中的標準件可以采用傳統(tǒng)工藝高效生產(chǎn)，其性能優(yōu)于一次整體成型的大型零件。這種設(shè)計思路同樣可以在軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中采用。

3.3 選材和材料性能確定方法

3.3.1 阻燃性能

軌道交通結(jié)構(gòu)對阻燃性能有很高的要求，目前可用的樹脂體系很難滿足，當然通過研發(fā)可以獲得滿足軌道交通阻燃標準的材料體系，但滿足阻燃要求的材料體系的成本及工藝性可能無法接受，必要時需要將阻燃要求與工藝性及成本進行權(quán)衡。毫無疑問結(jié)構(gòu)的阻燃要求是完整性要求的一部分，必須滿足，但是否可以由材料體系本身與其他結(jié)構(gòu)設(shè)計途徑各分擔(dān)一部分，而不是全部歸為材料體系的要求。

3.3.2 材料性能分散性

金屬的性能在離開材料供應(yīng)商之后基本確定，后續(xù)的加工（除熱處理、鍛造外）對材料性能基本沒有影響；而復(fù)合材料的特點是材料與結(jié)構(gòu)同時形成，沒有結(jié)構(gòu)也沒有材料，材料性能分散性的來源包括材料組分與生產(chǎn)以及結(jié)構(gòu)成型工藝2部分，性能分散性比金屬要大，因此對設(shè)計用材料性能數(shù)據(jù)的確定方法也不同于金屬，要借鑒航空領(lǐng)域的方法建立碳纖維復(fù)合材料體系穩(wěn)定性的評估方法與后續(xù)供料一致性的管理體系，不能簡單地采用增加安全系數(shù)的習(xí)慣方法。民機咨詢通報AC20-107B《飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)》中提出的原則：“要建立覆蓋材料、材料工藝和制造方法的標準，確保制造可重現(xiàn)和可靠結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。需要材料規(guī)范來保證所采購材料的一致性，并用批次驗收試驗或統(tǒng)計過程控制來保證材料性能任何時候都不會出現(xiàn)偏離。應(yīng)建立覆蓋工藝方法的規(guī)范來保證能生產(chǎn)出可重現(xiàn)且可靠的結(jié)構(gòu)，在每一材料規(guī)范中定義的工藝鑒定與驗收試驗的方法應(yīng)代表擬采用的制造工藝，生產(chǎn)試驗件的工藝參數(shù)應(yīng)與制造真實產(chǎn)品零件所用的工藝參數(shù)盡可能相一致，試驗件與產(chǎn)品零件都必須符合材料與工藝規(guī)范。”同樣適用于對安全性有很高要求的其他工業(yè)領(lǐng)域。

3.3.3 原材料國產(chǎn)化

第一，原材料國產(chǎn)化除是軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定生產(chǎn)的安全保障外（雖然不像軍機與民機原材料供應(yīng)安全性那么重要），同時也是作為戰(zhàn)略物資的國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的良機。航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用原材料需要在飛機結(jié)構(gòu)研發(fā)階段同時完成原材料的鑒定及材料規(guī)范的制訂，飛機取得適航后其他來源供應(yīng)商進入供應(yīng)鏈是非常痛苦的過程，甚至不一定再有機會，國產(chǎn)碳纖維若是無法在軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制階段進入圖紙，研制完成后進入也將是極其痛苦的進程，甚至就此失去機會。

第二，作為軌道交通結(jié)構(gòu)所用的原材料，必須同時提供碳纖維和滿足軌道交通使用要求相匹配的樹脂，滿足使用要求（包括性能與工藝性）的樹脂通常無法從市場上直接獲取，必須專門研發(fā)。

3.4 適合軌道交通行業(yè)特點的成型工藝

1996年，在由美國國家科學(xué)院、國家工程院和國家醫(yī)學(xué)研究院下屬先進民用飛機新材料專業(yè)委員會編制的《下一代民用運輸機用的新材料》中明確指出：“雖然復(fù)合材料的市場銷量增長緩慢往往歸因為原材料的高成本，但材料成本實際上僅占復(fù)合材料構(gòu)件總成本的8%～10%。事實上工藝制造成本是總成本中最高的單項成本。過去性能因素推動著復(fù)合材料在航空航天中的應(yīng)用研究，但近年來成本則起到了更大的作用。這樣，開發(fā)下一代民用運輸機工藝的一個基本準則是低成本制造的可能性。委員會相信，在可預(yù)見的將來，發(fā)展趨勢是不斷開發(fā)低成本的制造工藝。”該建議同樣適用于軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型工藝通常包括下列幾類：熱壓罐工藝、液體成型工藝、模壓工藝、真空袋（非熱壓罐）、拉擠工藝和纏繞工藝成型工藝等。在民機結(jié)構(gòu)成型工藝傳統(tǒng)以熱壓罐工藝為主，在低成本化過程中，液體成型（VARI、RFI、RTM等）工藝正在開始替代熱壓罐工藝。航天領(lǐng)域大量采用纏繞工藝，在其他行業(yè)出于成本考慮采用了很多低成本的工藝。軌道交通碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)目前多采用液體成型和非熱壓罐工藝，少量也使用熱壓罐工藝，考慮到降低成本的要求，不是所有的結(jié)構(gòu)都有很高的性能要求，因此除碳纖維外還會采用多種其他材料制造的結(jié)構(gòu)（或結(jié)構(gòu)組分），同時也可以采用其他低成本的成型工藝，如圖6所示。風(fēng)電葉片的使用經(jīng)驗已為其他工業(yè)領(lǐng)域碳纖維復(fù)合材料的使用提供了啟示。

3.5 復(fù)合材料回收技術(shù)

對于目前年產(chǎn)量幾百萬噸的玻璃鋼廢棄物、年用量超過2萬t的碳纖維復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)、超過2萬t的碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片，復(fù)合材料回收技術(shù)是更加迫切的問題。好在復(fù)合材料的回收技術(shù)近年來已取得很大進展。波音公司將從2017年3月開始每年向ELG發(fā)送 454t的廢料，由ELG公司回收在加工。2018年11月10日， “首屆纖維復(fù)合材料回收國際論壇”在北京召開，并成立了纖維復(fù)合材料再生分會。纖維復(fù)合材料回收再利用技術(shù)在國際和國內(nèi)都取得了突破性進展，為軌道交通領(lǐng)域使用碳纖維復(fù)合材料解除了后顧之憂。

4 結(jié)語

回顧碳纖維的發(fā)展歷史，如果不是東麗首先在高爾夫球桿上實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，就不可能會有民用飛機碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的今天。所有的新材料從研發(fā)到實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用都要經(jīng)過漫長的歷程，碳纖維如此，納米材料和石墨烯材料也是如此。研發(fā)人員要首先意識到所開發(fā)新材料的優(yōu)勢和劣勢，找尋最適用的應(yīng)用領(lǐng)域，并與該領(lǐng)域的應(yīng)用對象密切合作開發(fā)出可以實現(xiàn)性價比優(yōu)于原用材料的示范產(chǎn)品，然后沿此方向繼續(xù)擴大應(yīng)用，才能實現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。新材料的開發(fā)者不應(yīng)寄希望由用戶首先開發(fā)出適用的產(chǎn)品，因為新材料開發(fā)者最清楚這種材料的優(yōu)缺點，也只有開發(fā)者主動與用戶一起實現(xiàn)從材料到產(chǎn)品的工藝路線，才能實現(xiàn)新材料的最初應(yīng)用。