碳纖維復合材料在交通運輸裝備輕量化中的應用前景和途徑國際交通運輸裝備輕量化碳纖維復合材料在交通運輸裝備輕量化中的應用前景和途徑國際交1目前交通運輸裝備的設計和制造面臨著升級換代，國內和國外的交通運輸裝備制造廠商都試圖在該領域取得突破，機會對國內和國外的廠商都是均等的，但國際和國內的巨大市場需求為國內企業帶來了特殊的商機，因此國內制造商必須抓住機遇，在國際市場的競爭中占據交通運輸裝備制造行業制高點，關鍵是誰能首先取得突破。面對挑戰 抓住機遇占據國際交通運輸裝備制造行業的制高點(b)挑戰和機遇目前交通運輸裝備的設計和制造面臨著升級換代，國內和國外的交2《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》“要大力發展新型功能材料、先進結構材料和復合材料，開展共性基礎材料研究和產業化，建立認定和統計體系，引導材料工業結構調整。”《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》“要大力發展新型功能3美國國家科技委員會——2012年美國SAMPE會議上的報告“從上個世紀80年代開始，技術的更新與經濟發展已經從未像現在這樣更多地依賴于新材料的開發利用。”美國國家科技委員會——2012年美國SAMPE會議上的報4材料是推動結構升級的基礎碳纖維復合材料的全方位應用是新一代交通運輸裝備的標志，會成為引領產業結構升級換代、加快國產品牌走向世界、促進我國經濟發展的催化劑材料是推動結構升級的基礎碳纖維復合材料的全方位應用是新一代交5輕量化是當前交通運輸裝備發展的潮流節能，降低燃料消耗的需要降低全壽命成本的途徑降低全系統工程造價（如橋梁、高架車站等）的需求交通運輸裝備制造產業升級的要求輕量化是當前交通運輸裝備發展的潮流節能，降低燃料消耗的需要6輕量化的材料選擇新型輕質合金新型增強塑料(SMC和LFT)碳纖維連續纖維增強復合材料輕量化的材料選擇新型輕質合金7新型輕質合金的問題與傳統金屬材料相比，其比剛度和比強度增加有限作為新研發的材料，在工藝制造和長期使用可靠性方面沒有積累新型輕質合金的問題與傳統金屬材料相比，其比剛度和比強度增加有8新型增強塑料(SMC和LFT)的問題比剛度和比強度遠低于傳統的金屬，只能用于非承力結構新型增強塑料(SMC和LFT)的問題比剛度和比強度遠低于傳統9碳纖維復合材料的優勢利用碳纖維的高比模量、高比強度和結構可設計性，減重效果突出，特別是對有較高剛度或變形要求的結構利用復合材料可整體成型和日趨成熟的液體成形工藝（如RTM和VARI工藝），將由大量零件通過機械連接實現的復雜形狀金屬結構組件，簡化為由少量一次成型零件，簡單裝配即可實現的的復合材料結構，大大減少零件和緊固件數，實現低成本制造在飛機結構中已應用了40年，積累了豐富的設計、制造和使用經驗，基本成熟，迄今未因復合材料發生過任何災難性的事故飛機結構已實現了性價比優于金屬結構的低成本工程化應用，復合材料是飛機結構輕量化的惟一選擇耐腐蝕、耐老化疲勞性能好優異的抗撞擊和吸能性能碳纖維復合材料的優勢利用碳纖維的高比模量、高比強度和結構可設10常用結構材料的性能比較常用結構材料的性能比較11應用的難點和存在的疑慮對先進復合材料制品長期使用的可靠性存有疑問，包括疲勞壽命、抗撞擊性、耐腐蝕性、老化性能和可維護性等；獲得的效益與增加的成本相比是否值得，不知是否能制造出性價比可接受的產品；缺乏對先進復合材料結構設計和制造技術的了解，包括人才和設備等，想用但又不知如何著手。信心(安全) 成本 技術應用的難點和存在的疑慮對先進復合材料制品長期使用的可靠性存有12商用飛機復合材料結構低成本之路上世紀70年代伊朗革命引發了石油危機降低油耗是航空公司對飛機制造商提出的迫切要求飛機結構輕量化是降低油耗的首選

飛機生產廠商（特別是波音和空客）之間的競爭加快了技術的升級換代

歷經40年，從技術上解決了低成本復合材料結構技術的工程化應用難題商用飛機復合材料結構低成本之路上世紀70年代伊朗革命引發了石13商用飛機復合材料結構低成本之路1980B767MD87A310B787A380MD82B757A320B777A330A321A340MD110205040301970 1975198519901995200020052010復合材料結構用量

%60MD90A35010商用飛機復合材料結構低成本之路1980B767MD87A31148300設計航程（海里）7900基準最大空重/座+2%基準輪檔燃油/座+6%基準現金使用成本/座+8%~900目前所獲訂單（架）

波音787的競爭機型1090A350波音787座位數（3級布局）2702428300設計航程（海里）7900基準最大空重/座+2%基準輪152004擬定復合材料用量增加到45％稱為“A350XWB”方案2006年底復合材料用量飆升到52％2006碳纖維復合材料用量約為40％A350迫于商業競爭壓力不斷修改設計方案，提高復合材料用量2004擬定復合材料用量增加到45％稱為“A350XWB16商用飛機復合材料結構低成本之路商用飛機復合材料結構低成本之路17商用飛機復合材料結構低成本之路美國政府為推動復合材料在飛機結構中應用的研究計劃ACEE（飛機能效計劃，1976~1986）ACT（先進復合材料技術計劃，1988~1997）AST（先進亞聲速計劃，1992~2002）CAI（低成本復合材料計劃，1996~2006）商用飛機復合材料結構低成本之路美國政府為推動復合材料在飛機結18商用飛機復合材料結構低成本之路歐盟贊助的推動復合材料在機翼機身結構中應用的研究計劃TANGO (Technology Application to Near

TermBusinessGoalsand

Objectives，2000~2004)

ALCAS (Advanced Low Cost Aircraft Structures

，2004~2008)商用飛機復合材料結構低成本之路歐盟贊助的推動復合材料在機翼機19商用飛機復合材料結構低成本之路民用飛機與軍機相比，更加注重安全性和成本，因此首先從擾流板這樣的非受力結構開始應用，然后進入次承力構件，取得成功后再嘗試主承力構件；在民機應用的初期，首先通過100多個擾流板的使用，取得復合材料在飛機結構中安全使用的經驗和發現使用中出現的復合材料結構特有的問題（濕熱影響和沖擊損傷）；對尾翼結構的應用表明，僅憑碳纖維復合材料在密度和性能方面的優勢所獲得的使用成本（耗油）降低，就足以抵消制造成本的增加，使得全壽命成本（即采購成本、使用成本和維護成本之和）低于金屬結構，因此從上世紀80年代中期后，幾乎所有的民機尾翼結構均采用復合材料，復合材料的用量長期保持在10%左右；商用飛機復合材料結構低成本之路民用飛機與軍機相比，更加注重安20商用飛機復合材料結構低成本之路從上世紀70年代中期開始，即著手機翼機身這樣的主結構應用，發現僅靠已獲得的減重效果帶來的效益不足以抵消制造成本的增加，無法取得全壽命成本的優勢。開始仍期望提高壓縮設計值，以獲得更多的減重效果。但研究發現，提高壓縮設計值的努力無法取得突破，又轉為對材料、制造工藝，以及整體化結構等其他途徑的探索。歷經了30多年的努力，本世紀初A380（復合材料占結構重量28%）和Boeing787（復合材料占結構重量50%以上，2009年12月15日首飛，2011年9月26日交付航線使用）投入批產，表明由材料、設計、制造工藝、維護性等的技術進步構成的低成本復合材料技術已進入工程化應用。為促進碳纖維復合材料在民用飛機結構中應用，需要政府部門贊助、以降低成本為核心的長期研究計劃來牽引。商用飛機復合材料結構低成本之路從上世紀70年代中期開始，即著21復合材料制件的成本構成總成本材料和制造50%緊固件和裝配50%制造成本鋪貼(46%)鋪層切割(8%)NDI(15%)修邊(6%)裝袋與固化(13%)模具(12%)降低低成成本本的的潛潛力力復合材料制件的成本構成總成本材料和制造緊固件和裝配制造成本鋪22CC22643020.ppt低成本的解決途徑原材料——中模高強碳纖維和增韌樹脂復合材料、大絲束、熱塑性樹脂等加工工藝——非熱壓罐工藝（OOA），包括真空袋成形、RTM（RFI、VARTM、VARI等），低溫固化等制造自動化——ATL，AFP（提高工效和降低廢品率）設計技術——整體化（利用共固化和共膠接技術，減少零件數和裝配工時）降低維護成本和提高出勤率——利用優良的抗疲勞和耐腐蝕性能CC22643020.ppt低成本的解決途徑原材料——中模高23December15

2009低成本復合材料技術已進入工程化應用的標志December152009低成本復合材料技術已進入工程24低成本復合材料技術已進入工程化應用的標志低成本復合材料技術已進入工程化應用的標志25成本是關乎碳纖維復合材料生存的命脈，只有生產出被用戶接受的產品，碳纖維復合材料才能得到生存、發展和成為推動經濟增長的動力。成本是關乎碳纖維復合材料生存的命脈，只有生產出被用戶接受的26航空與交通運輸裝備領域的異同——相同點都有減重的迫切需求開始進入各自領域時都面臨相同的問題——缺乏信心（安全）、成本和技術航空與交通運輸裝備領域的異同都有減重的迫切需求27航空與交通運輸裝備領域的異同——不同點交通運輸裝備領域對性能的要求略低于航空對采用碳纖維復合材料的迫切性不如航空對產品成本的可接受程度不如航空交通運輸裝備用復合材料結構的低成本技術可借鑒航空，但又有自己的特點，需要創新航空與交通運輸裝備領域的異同交通運輸裝備領域對性能的要求略低28碳纖維復合材料在軌道交通領域應用的動力隨著對減能降排和增加運力的需求，軌道交通裝備減重最有效的措施之一一定是采用碳纖維復合材料目前軌道交通運輸設備的總體技術雖稍占上風，但國外的創新能力遠高于國內，隨著國際上對高鐵、輕軌、磁懸浮列車市場的擴大，國外廠商對軌道交通運輸裝備市場的興趣會激發它們的技術創新，碳纖維復合材料必然是它們的首選。人無遠慮必有近憂碳纖維復合材料在軌道交通領域應用的動力隨著對減能降排和增加29碳纖維復合材料在軌道交通領域應用的現狀由于軌道交通領域缺乏碳纖維復合材料的設計與制造技術，習慣于用金屬的設計技術和玻璃鋼的傳統制造技術，無法用碳纖維復合材料獲得性價比優于用現有材料制造的結構，碳纖維復合材料尚未在行業內獲得認可在軌道交通運輸裝備輕量化中采用的材料依次是鋁合金

SMC

LFT

玻璃鋼

碳纖維復合材料碳纖維復合材料在軌道交通領域應用的現狀由于軌道交通領域缺乏30碳纖維復合材料在軌道交通領域應用的技術途徑其技術難點是在結構設計時對不同材料的優化設計和不同材料整體化設計和制造技術軌道交通與碳纖維復合材料領域的技術團隊共同攻關借鑒航空復合材料低成本化的經驗，由國家支持：非承力件 次承力件 主承力件 全尺寸結構碳纖維復合材料在軌道交通領域應用的技術途徑其技術難點是在結31碳纖維復合材料在軌道交通領域應用的技術途徑不久前去世的中國材料科學界泰斗師昌緒院士說過：設計時靈魂，材料是基礎，工藝是關鍵，測試是保證由軌道交通領域牽頭，與碳纖維復合材料企業結成戰略同盟，以低成本為宗旨，以輕量化為目標，做出有示范意義，可批量生產的產品，實現碳纖維復合材料在軌道交通領域的大量應用碳纖維復合材料在軌道交通領域應用的技術途徑不久前去世的中國32碳纖維復合材料在汽車領域應用現狀汽車多年來一直是繼航空之后下一個碳纖維復合材料在結構輕量化應用中重點關注的領域由于汽車（特別是家用轎車）對成本的要求極為苛刻，同時要求有極高的生產效率（每年至少幾十萬輛），航空領域的碳纖維復合材料技術無法直接應用，只能用于豪華級的汽車，人們多年來一直認為家用轎車無法采用碳纖維復合材料但寶馬、通用、豐田的歐美日本的汽車領域堅持不懈，汽車的低成本碳纖維復合材料技術已基本突破，預計在近年內（大約5年內）可望實現碳纖維復合材料家用轎車的批量生產在國際上汽車將是碳纖維復合材料在工業領域，繼航空應用之后的第二個重大領域，推動了碳纖維的市場的急速增加碳纖維復合材料在汽車領域應用現狀汽車多年來一直是繼航空之后下33碳纖維復合材料在軌道交通領域的應用前景中國的軌道交通車輛輕量化需求遠超其他國家由于對碳纖維復合材料技術的研發長期不予重視，中國不可能在近期實現碳纖維復合材料家用轎車的批量生產，在可預見的將來永遠只能是汽車生產大國，而不可能是汽車生產強國隨著國際上對高速列車的需求日益增加，高速列車市場會越來越大，巨大的國際市場會激發國外公司對交通運輸車輛輕量化的重視，碳纖維復合材料技術必將是它們研發的重點方向結合中國國情和國際市場上的競爭態勢，軌道交通運輸裝備將是，也應該是中國碳纖維復合材料在工業領域擴大應用的首選碳纖維復合材料在軌道交通領域的應用前景中國的軌道交通車輛輕34想不到四十年前人們想不到碳纖維復合材料會成為飛機最主要的結構材料二十年前人們想不到碳纖維復合材料會成為汽車的主要結構用材料今天沒有人會想到碳纖維復合材料會成為軌道交通車輛的主要結構材料之一想不到3512/8/2014法國TGV列車碳纖維復合材料雙層車體標準件（ACX工業公司制造）①較鋁制車減重＞25%②提高安全舒適度12/8/2014法國TGV列車碳纖維復合材料雙層車體標準件36法國GEC阿爾斯通公司/

SNCF

使用碳纖維和玻璃纖維增強環氧樹脂包覆發泡蜂窩材料芯,

制造出了雙層、大容量高速客車,

并將總重保持在17噸,與單層高速客車重量水平相同，顯著提高了運載能力。法國GEC阿爾斯通37日本的N700

的車體結構中采用了大量的CFRP，其車頂、車底降噪板、車體空穴連接板、車裙等均采用CFRP材料，并據此實現了較其上一代的700系列減重近10噸，同時，加速性能和極速分別調高了62.5

％

和8％。日本的N700的車體結38新一代法國TGV列車碳纖維復合材料雙層車體由ACX工業公司制造，

采用夾層結構，

材料為ROHACELL

71IG泡沫，碳纖維環氧預浸料，在120℃固化，

真空袋壓成形。新一代法國TGV列車碳纖維復合材料雙層車體由ACX工業39日本新干線E4碳纖維/環氧司機室日本新干線E4碳纖維/環氧司機室4012/8/2014韓國TTX碳纖維復合材料整體車體不銹鋼骨架+碳纖維蒙皮12/8/2014韓國TTX41500公里高速列車車頭罩——恒神研發恒神為南車集團青島四方車輛廠研制的500公里高速列車車頭罩已于2012年底正式裝車試運行。1

kg鋁彈660km/h的高速撞擊350

kN的靜載荷DIN5510-2的阻燃S4級別500公里高速列車車頭罩恒神為南車集團青島四方車輛廠研制的42軌道列車碳纖維復合材料司機室——恒神研發料）減重要求：沖擊要求：阻燃要求：主要性能：≥

20%（比玻璃鋼材料）不穿透（UIC-651）S3,SR2,ST2(DIN5510-2)煙毒性要求：FED≤1.0隔熱性能：隔音性能：2014-12-8≤1.8W/m2·K(DIN567-1)≥38dB

(DIN52210-6-1989)首件樣品設計研發制作已完成，

已通過南車株洲電力機車有限公司驗收，

待裝車試運行。軌道列車碳纖維復合材料司機室料）減重要求：主要性能：煙毒性要43CFRP受電弓導流罩CFRP司機室操作臺CFRP司機室車輪罩材料：玻纖/碳纖混雜重量：46kg 28.5kg減重38%成本：基本相當其他軌道交通碳纖維復合材料制品——恒神研發CFRP受電弓導流罩CFRP司機室操作臺CFRP司機室車輪罩44高鐵車廂裙板分析和試驗結果表明，

所研制的復合材料裙板不僅滿足EN12663-2000《軌道車身的結構要求》和DIN

5510-2-2007《軌道車輛中的防火措施——第2部分：原材料和配件的燃燒特性與燃燒邊界效應；分類，要求和檢測程序》

的要求，而且各項性能指標均優于鋁合金裙板。重

量：鋁合金裙板結構的總重為5.7kg，復合材料裙板結構重量大約為3.8kg，減重約33.3%。成本：與原金屬件基本相當高鐵車廂裙板分析和試驗結果表明，所研制的復合材料裙板不僅滿45利用復合材料的優勢（高模量、優異的疲勞性能、可設計性）通過混雜和VARI工藝降低成本按照設計規范，通過計算和必要的試驗證明復合材料裙板的結構完整性（安全性）（不因其小而忽略）用示范件征服用戶高鐵車廂裙板利用復合材料的優勢（高模量、優異的疲勞性能、可設計性）高鐵車46碳纖維復合材料在交通運輸裝備輕量化中的應用前景和途徑課件47碳纖維復合材料在交通運輸裝備輕量化中的應用前景和途徑國際交通運輸裝備輕量化碳纖維復合材料在交通運輸裝備輕量化中的應用前景和途徑國際交48目前交通運輸裝備的設計和制造面臨著升級換代，國內和國外的交通運輸裝備制造廠商都試圖在該領域取得突破，機會對國內和國外的廠商都是均等的，但國際和國內的巨大市場需求為國內企業帶來了特殊的商機，因此國內制造商必須抓住機遇，在國際市場的競爭中占據交通運輸裝備制造行業制高點，關鍵是誰能首先取得突破。面對挑戰 抓住機遇占據國際交通運輸裝備制造行業的制高點(b)挑戰和機遇目前交通運輸裝備的設計和制造面臨著升級換代，國內和國外的交49《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》“要大力發展新型功能材料、先進結構材料和復合材料，開展共性基礎材料研究和產業化，建立認定和統計體系，引導材料工業結構調整。”《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》“要大力發展新型功能50美國國家科技委員會——2012年美國SAMPE會議上的報告“從上個世紀80年代開始，技術的更新與經濟發展已經從未像現在這樣更多地依賴于新材料的開發利用。”美國國家科技委員會——2012年美國SAMPE會議上的報51材料是推動結構升級的基礎碳纖維復合材料的全方位應用是新一代交通運輸裝備的標志，會成為引領產業結構升級換代、加快國產品牌走向世界、促進我國經濟發展的催化劑材料是推動結構升級的基礎碳纖維復合材料的全方位應用是新一代交52輕量化是當前交通運輸裝備發展的潮流節能，降低燃料消耗的需要降低全壽命成本的途徑降低全系統工程造價（如橋梁、高架車站等）的需求交通運輸裝備制造產業升級的要求輕量化是當前交通運輸裝備發展的潮流節能，降低燃料消耗的需要53輕量化的材料選擇新型輕質合金新型增強塑料(SMC和LFT)碳纖維連續纖維增強復合材料輕量化的材料選擇新型輕質合金54新型輕質合金的問題與傳統金屬材料相比，其比剛度和比強度增加有限作為新研發的材料，在工藝制造和長期使用可靠性方面沒有積累新型輕質合金的問題與傳統金屬材料相比，其比剛度和比強度增加有55新型增強塑料(SMC和LFT)的問題比剛度和比強度遠低于傳統的金屬，只能用于非承力結構新型增強塑料(SMC和LFT)的問題比剛度和比強度遠低于傳統56碳纖維復合材料的優勢利用碳纖維的高比模量、高比強度和結構可設計性，減重效果突出，特別是對有較高剛度或變形要求的結構利用復合材料可整體成型和日趨成熟的液體成形工藝（如RTM和VARI工藝），將由大量零件通過機械連接實現的復雜形狀金屬結構組件，簡化為由少量一次成型零件，簡單裝配即可實現的的復合材料結構，大大減少零件和緊固件數，實現低成本制造在飛機結構中已應用了40年，積累了豐富的設計、制造和使用經驗，基本成熟，迄今未因復合材料發生過任何災難性的事故飛機結構已實現了性價比優于金屬結構的低成本工程化應用，復合材料是飛機結構輕量化的惟一選擇耐腐蝕、耐老化疲勞性能好優異的抗撞擊和吸能性能碳纖維復合材料的優勢利用碳纖維的高比模量、高比強度和結構可設57常用結構材料的性能比較常用結構材料的性能比較58應用的難點和存在的疑慮對先進復合材料制品長期使用的可靠性存有疑問，包括疲勞壽命、抗撞擊性、耐腐蝕性、老化性能和可維護性等；獲得的效益與增加的成本相比是否值得，不知是否能制造出性價比可接受的產品；缺乏對先進復合材料結構設計和制造技術的了解，包括人才和設備等，想用但又不知如何著手。信心(安全) 成本 技術應用的難點和存在的疑慮對先進復合材料制品長期使用的可靠性存有59商用飛機復合材料結構低成本之路上世紀70年代伊朗革命引發了石油危機降低油耗是航空公司對飛機制造商提出的迫切要求飛機結構輕量化是降低油耗的首選

飛機生產廠商（特別是波音和空客）之間的競爭加快了技術的升級換代

歷經40年，從技術上解決了低成本復合材料結構技術的工程化應用難題商用飛機復合材料結構低成本之路上世紀70年代伊朗革命引發了石60商用飛機復合材料結構低成本之路1980B767MD87A310B787A380MD82B757A320B777A330A321A340MD110205040301970 1975198519901995200020052010復合材料結構用量

%60MD90A35010商用飛機復合材料結構低成本之路1980B767MD87A31618300設計航程（海里）7900基準最大空重/座+2%基準輪檔燃油/座+6%基準現金使用成本/座+8%~900目前所獲訂單（架）

波音787的競爭機型1090A350波音787座位數（3級布局）2702428300設計航程（海里）7900基準最大空重/座+2%基準輪622004擬定復合材料用量增加到45％稱為“A350XWB”方案2006年底復合材料用量飆升到52％2006碳纖維復合材料用量約為40％A350迫于商業競爭壓力不斷修改設計方案，提高復合材料用量2004擬定復合材料用量增加到45％稱為“A350XWB63商用飛機復合材料結構低成本之路商用飛機復合材料結構低成本之路64商用飛機復合材料結構低成本之路美國政府為推動復合材料在飛機結構中應用的研究計劃ACEE（飛機能效計劃，1976~1986）ACT（先進復合材料技術計劃，1988~1997）AST（先進亞聲速計劃，1992~2002）CAI（低成本復合材料計劃，1996~2006）商用飛機復合材料結構低成本之路美國政府為推動復合材料在飛機結65商用飛機復合材料結構低成本之路歐盟贊助的推動復合材料在機翼機身結構中應用的研究計劃TANGO (Technology Application to Near

TermBusinessGoalsand

Objectives，2000~2004)

ALCAS (Advanced Low Cost Aircraft Structures

，2004~2008)商用飛機復合材料結構低成本之路歐盟贊助的推動復合材料在機翼機66商用飛機復合材料結構低成本之路民用飛機與軍機相比，更加注重安全性和成本，因此首先從擾流板這樣的非受力結構開始應用，然后進入次承力構件，取得成功后再嘗試主承力構件；在民機應用的初期，首先通過100多個擾流板的使用，取得復合材料在飛機結構中安全使用的經驗和發現使用中出現的復合材料結構特有的問題（濕熱影響和沖擊損傷）；對尾翼結構的應用表明，僅憑碳纖維復合材料在密度和性能方面的優勢所獲得的使用成本（耗油）降低，就足以抵消制造成本的增加，使得全壽命成本（即采購成本、使用成本和維護成本之和）低于金屬結構，因此從上世紀80年代中期后，幾乎所有的民機尾翼結構均采用復合材料，復合材料的用量長期保持在10%左右；商用飛機復合材料結構低成本之路民用飛機與軍機相比，更加注重安67商用飛機復合材料結構低成本之路從上世紀70年代中期開始，即著手機翼機身這樣的主結構應用，發現僅靠已獲得的減重效果帶來的效益不足以抵消制造成本的增加，無法取得全壽命成本的優勢。開始仍期望提高壓縮設計值，以獲得更多的減重效果。但研究發現，提高壓縮設計值的努力無法取得突破，又轉為對材料、制造工藝，以及整體化結構等其他途徑的探索。歷經了30多年的努力，本世紀初A380（復合材料占結構重量28%）和Boeing787（復合材料占結構重量50%以上，2009年12月15日首飛，2011年9月26日交付航線使用）投入批產，表明由材料、設計、制造工藝、維護性等的技術進步構成的低成本復合材料技術已進入工程化應用。為促進碳纖維復合材料在民用飛機結構中應用，需要政府部門贊助、以降低成本為核心的長期研究計劃來牽引。商用飛機復合材料結構低成本之路從上世紀70年代中期開始，即著68復合材料制件的成本構成總成本材料和制造50%緊固件和裝配50%制造成本鋪貼(46%)鋪層切割(8%)NDI(15%)修邊(6%)裝袋與固化(13%)模具(12%)降低低成成本本的的潛潛力力復合材料制件的成本構成總成本材料和制造緊固件和裝配制造成本鋪69CC22643020.ppt低成本的解決途徑原材料——中模高強碳纖維和增韌樹脂復合材料、大絲束、熱塑性樹脂等加工工藝——非熱壓罐工藝（OOA），包括真空袋成形、RTM（RFI、VARTM、VARI等），低溫固化等制造自動化——ATL，AFP（提高工效和降低廢品率）設計技術——整體化（利用共固化和共膠接技術，減少零件數和裝配工時）降低維護成本和提高出勤率——利用優良的抗疲勞和耐腐蝕性能CC22643020.ppt低成本的解決途徑原材料——中模高70December15

2009低成本復合材料技術已進入工程化應用的標志December152009低成本復合材料技術已進入工程71低成本復合材料技術已進入工程化應用的標志低成本復合材料技術已進入工程化應用的標志72成本是關乎碳纖維復合材料生存的命脈，只有生產出被用戶接受的產品，碳纖維復合材料才能得到生存、發展和成為推動經濟增長的動力。成本是關乎碳纖維復合材料生存的命脈，只有生產出被用戶接受的73航空與交通運輸裝備領域的異同——相同點都有減重的迫切需求開始進入各自領域時都面臨相同的問題——缺乏信心（安全）、成本和技術航空與交通運輸裝備領域的異同都有減重的迫切需求74航空與交通運輸裝備領域的異同——不同點交通運輸裝備領域對性能的要求略低于航空對采用碳纖維復合材料的迫切性不如航空對產品成本的可接受程度不如航空交通運輸裝備用復合材料結構的低成本技術可借鑒航空，但又有自己的特點，需要創新航空與交通運輸裝備領域的異同交通運輸裝備領域對性能的要求略低75碳纖維復合材料在軌道交通領域應用的動力隨著對減能降排和增加運力的需求，軌道交通裝備減重最有效的措施之一一定是采用碳纖維復合材料目前軌道交通運輸設備的總體技術雖稍占上風，但國外的創新能力遠高于國內，隨著國際上對高鐵、輕軌、磁懸浮列車市場的擴大，國外廠商對軌道交通運輸裝備市場的興趣會激發它們的技術創新，碳纖維復合材料必然是它們的首選。人無遠慮必有近憂碳纖維復合材料在軌道交通領域應用的動力隨著對減能降排和增加76碳纖維復合材料在軌道交通領域應用的現狀由于軌道交通領域缺乏碳纖維復合材料的設計與制造技術，習慣于用金屬的設計技術和玻璃鋼的傳統制造技術，無法用碳纖維復合材料獲得性價比優于用現有材料制造的結構，碳纖維復合材料尚未在行業內獲得認可在軌道交通運輸裝備輕量化中采用的材料依次是鋁合金

SMC

LFT

玻璃鋼

碳纖維復合材料碳纖維復合材料在軌道交通領域應用的現狀由于軌道交通領域缺乏77碳纖維復合材料在軌道交通領域應用的技術途徑其技術難點是在結構設計時對不同材料的優化設計和不同材料整體化設計和制造技術軌道交通與碳纖維復合材料領域的技術團隊共同攻關借鑒航空復合材料低成本化的經驗，由國家支持：非承力件 次承力件 主承力件 全尺寸結構碳纖維復合材料在軌道交通領域應用的技術途徑其技術難點是在結78碳纖維復合材料在軌道交通領域應用的技術途徑不久前去世的中國材料科學界泰斗師昌緒院士說過：設計時靈魂，材料是基礎，工藝是關鍵，測試是保證由軌道交通領域牽頭，與碳纖維復合材料企業結成戰略同盟，以低成本為宗旨，以輕量化為目標，做出有示范意義，可批量生產的產品，實現碳纖維復合材料在軌道交通領域的大量應用碳纖維復合材料在軌道交通領域應用的技術途徑不久前去世的中國79碳纖維復合材料在汽車領域應用現狀汽車多年來一直是繼航空之后下一個碳纖維復合材料在結構輕量化應用中重點關注的領域由于汽車（特別是家用轎車）對成本的要求極為苛刻，同時要求有極高的生產效率（每年至少幾十萬輛），航空領域的碳纖維復合材料技術無法直接應用，只能用于豪華級的汽車，人們多年來一直認為家用轎車無法采用碳纖維復合材料但寶馬、通用、豐田的歐美日本的汽車領域堅持不懈，汽車的低成本碳纖維復合材料技術已基本突破，預計在近年內（大約5年內）可望實現碳纖維復合材料家用轎車的批量生產在國際上汽車將是碳纖維復合材料在工業領域，繼航空應用之后的第二個重大領域，推動了碳纖維的市場的急速增加碳纖維復合材料在汽車領域應用現狀汽車多年來一直是繼航空之后下80碳纖維復合材料在軌道交通領域的應用前景中國的軌道交通車輛輕量化需求遠超其他國家由于對碳纖維復合材料技術的研發長期不予重視，中國不可能在近期實現碳纖維復合材料家用轎車的批量生產，在可預見的將來永遠只能是汽車生產大國，而不可能是汽車生產強國隨著國際上對高速列車的需求日益增加，高速列車市場會越來越大，巨大的國際市場會激發國外公司對交通運輸車輛輕量化的重視，碳纖維復合材料技術必將是它們研發的重點方向結合中國國情和國際市場上的競爭態勢，軌道交通運輸裝備將是，也應該是中國碳纖維復合材料在工業領域擴大應用的首選碳纖維復合材料在軌道交通領域的應用前景中國的軌道交通車輛輕81想不到四十年前人們想不到碳纖維復合材料會成為飛機最主要的結構材料二十年前人們想不到碳纖維復合材料會成為汽車的主要結構用材料今天沒有人會想到碳纖維復合材料會成為軌道交通車輛的主要結構材料之一想不到8212/8/2014法國TGV列車碳纖維復合材料雙層車體標準件（ACX工業公司制造）①較鋁制車減重＞25%②提高安全舒適度12/8/2014法國TGV列車碳纖維復合材料雙層車體標準件83法國GEC阿爾斯通公司/

SNCF

使用碳纖維和玻璃纖維增強環氧樹脂包覆發泡蜂窩材料芯,

制