材料百态

如果有一天，你走进了“塑料”材料制造的地铁列车，而且车厢豪华如同KTV包房，你会有何感想呢？这不是科幻小说中的虚幻场景，而是石化科技助力即将实现的美好生活。2018年9月18日，在德国举行的柏林国际轨道交通技术展上，来自中国的新一代碳纤维地铁车辆“CETROVO”精彩亮相。远远望去，外观比超级跑车还要炫，受到大批商家赞赏。此后，该种地铁列车相继在青岛、广州试跑成功，因优异的综合性能获得了2019年中国国际工业博览会科技创新大奖。

碳纤维的发展简史

碳纤维指含碳量在90%以上的高强度、高模量的新型纤维。目前，世界上的主流生产方式都是以腈纶纤维、沥青纤维、聚丙烯腈纤维等合成纤维为原料，经过高温等方式进行。这种材料既有碳物质自身固有的强韧，又兼具纺织纤维的柔软，因此被称作“新材料之王”。碳纤维的强度十分惊人。从相对密度上来说，碳纤维不足钢的1/4，但是强度却是钢的10倍，也就是说其单位质量所体现出来的强度是钢的40倍。手指头粗的一束碳纤维，可以拉动两架 C919 的飞机！

碳纤维的发明源于人类对光明的憧憬。1879年，在石油工业还没有出现的时候，美国发明家爱迪生将椴树内皮、黄麻、马尼拉麻和大麻等富含纤维的物质进行加工，使之定型为他需要的那种纤细的外形，然后对其进行高温烘烤，最后得到了一种碳丝——这就是最早的碳纤维。爱迪生想用它来制作灯泡中的灯丝，但这种东西容易碎断，试了半天只得放弃。最终，他用钨丝作白炽灯的发光体获得了成功。

这种碳纤维虽然在当时没有得到有效应用，但碳纤维的加工理念却被后来的科学家们继承下来，并不断摸索新的生产途径。不过，早期的碳纤维生产工艺虽然花样繁多，但都无法实现工业化生产，一直未能和人们的生活发生真正的联系。直到20世纪50年代初，由于航空航天技术的发展，部分国家对高强度、高模量和耐高温的新材料求之若渴，于是又想起了一直没有太大作为的碳纤维。

在碳纤维这种材料的成长过程中，美国、日本等国家的科学家做出了较大的贡献。美国首先发明了以黏胶纤维和聚丙烯腈(PAN)纤维为原料制取碳纤维的方法。随后，日本又制成了聚氯乙烯沥青基碳纤维、高性能聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，最终崛起为碳纤维生产大国。在这个过程中，可以说是石化工业的飞速发展为碳纤维带来了新生。

碳纤维的加工流程十分复杂，先是将石脑油加工成丙烯腈，再将其聚合成聚丙烯腈，然后经过一系列复杂的高温加工，才能制造出丝状的碳纤维。一根碳纤维丝的直径只有5微米，相当于一根头发丝的十到十二分之一。

不过，这种碳纤维单独使用效果并不好，一般情况下需要和环氧树脂——就是人们平时说的塑料进行复合，形成一种全新的碳纤维复合材料，才可以用来制造地铁车厢、飞机和航空器的某些结构。树脂就是平常说的塑料，这也是人们将碳纤维地铁说成“塑料地铁”的原因。

碳纤维和我们越来越近

碳纤维也分三六九等。按照丝束大小，碳纤维可分为大丝束和小丝束，一般来说，24K以下的为小丝束，24K以上的为大丝束（1K代表一束纤维丝里包含1000根单丝），小丝束碳纤维在工艺上的要求更严格。按照拉伸强度，可以分为T300、T600、T700、T800、T1000等型号。其中的“T”代表拉伸强度，强度越高，其生产难度越大，应用的范围越尖端。T800及T800以上的碳纤维基本上应用于国防军工和民用航空工业。T800以下视应用情况，分别可用于汽车、风机叶片、儿童玩具等。

近年来，碳纤维材料与我们的距离越来越近。电影《速度与激情》第三部《东京漂移》中，炫酷的350Z的车身就是碳纤维打造。《复仇者联盟》中猎鹰的翅膀，《超能陆战队》中大白的躯干等也都是碳纤维制成。最为著名的是超级跑车阿斯顿马丁的Valkyrie AMR Pro，也采用了全碳纤维的车身和大量的轻量化配件，它的整车质量仅为1吨！国产客机C919的碳纤维复合材料占比也达到了12%。

更有艺术性的应用，那就是2022年北京冬奥会火炬“飞扬”。它以碳纤维为主材，采用三维编织技术制成，如同织女“织毛衣”一样织成了精巧绝伦的火炬外形。别看它是“塑料”的，但它既耐高温，又能够耐火，在800摄氏度左右的燃烧环境下都可以保持金身不破，正常使用。

现在，大到航天飞机，小到手机壳，碳纤维的身影已经随处可见，“软硬兼施”地深入到我们的世界之中，让生活变得更加便捷和美好。它和地铁列车的联姻过程虽然缓慢，但它不可替代的优势正在显现。

自1863年英国伦敦建成世界上第一条地铁线以来，地铁车辆用材料经历了以普通钢、不锈钢和铝合金为主的三个阶段。材料使用的趋势是向更轻便、更坚固的方向发展。碳纤维在不断的升级过程中，展示出无与伦比的强度，地铁列车也开始与其擦出了“情感火花”。

2000年，法国国营铁路公司研发出双层高速列车（TGV）挂车。2010年，韩国铁道科学研究院着手研制倾斜摆式列车。这两种列车车体均采用碳纤维铝蜂窝夹芯材质，在复合层中嵌入不锈钢骨架用来提高车体的结构强度，通过此工艺，车体总质量降低了40%。随后，德国、韩国等国家将碳纤维陆续用于高速列车车顶、转向架、过渡车钩、刹车片和司机室等部分，大大地减轻了车体质量。2011年底，中国中车也研制出高速试验车碳纤维复合材料车头罩。不过，到此为止，世界上还没有任何一个国家用碳纤维为材料来制造地铁整车。

炫酷的“CETROVO”

中国碳纤维产业后来虽未居上，但成绩也十分可观。2017年，中国碳纤维产能上升到2.60万吨，仅次于美国和日本，成为碳纤维生产和应用大国。材料研发的进步为“塑料地铁”的诞生创造了条件。经过几十年的技术积累，成功突破碳纤维大型复杂件结构设计、制造成型等关键技术，最终集大成地完成了全球首辆整体车身均采用碳纤维复合材料制造的地铁列车“CETROVO”。该列车车体、转向架构架、司机室、设备舱及设备机体等均使用碳纤维复合材料制造，可满足地铁车体运行时各种复杂工况要求。

与传统地铁相比，从皮肤到骨骼都采用碳纤维的“CETROVO”表现出许多不可比拟的优点。一是车体轻，与采用钢、铝合金等传统金属材料相比，车体、司机室、设备舱分别减重30%以上，转向架构架减重40%，整车减重13%；二是节能，身体轻消耗的能量也少，据测算，新一代地铁车辆可综合节能15%以上；三是速度快，列车运行时正常时速可达140千米，传统地铁列车只能望尘莫及；四是不怕冷，能够在高温高湿、零下40摄氏度高寒、2500米高海拔等复杂环境下运行；五是噪声低，采用先进的减振降噪技术，优化了降噪设计，列车运行时客室噪声仅68分贝，比传统地铁降低了3分贝以上……

更为重要的是，为满足人们的生活和工作需要，“塑料地铁”应用现代智能化技术，让乘客在上下班途中可以轻松进入智慧世界的“触控”时代，每个车窗将变身为一个触控显示屏，成为能传达各种图文视频信息的超大版“Pad”，乘客只需用手指触摸车窗，就能在车窗上看新闻、刷抖音、上网课。如果乘客达成一致，还可以在车厢内K歌，地铁车厢瞬间变身为穿行在城市中的一间KTV包房。

有人会说“塑料地铁”的成本会很贵。碳纤维复合材料地铁的制造成本确实要高于传统金属材料。但碳纤维复合材料更加轻量化，运行成本明显降低，节能优势明显，可有效保证列车在30年服役期内不发生疲劳、腐蚀等问题，减少了运营成本。因此，从列车的全生命周期考虑，成本并不高。

聚丙烯腈和合成树脂都是极其普通的石化材料。但是，化腐朽为神奇的科技力量一旦在世界找到一个支点，创造出一种神奇的材料或技术，就将撬动我们的生活，创造出惊人的奇迹。“塑料地铁”就是这种科技进步的典范。让我们等待它快速地普及起来吧！

【我们尊重原创，也注重分享。版权原作者所有，如有侵犯您的权益请及时联系，我们将第一时间删除。分享内容不代表本网观点，仅供参考。】