重量比鋁還輕，強度卻高于鋼鐵，同時耐腐蝕、抗疲勞、可設(shè)計性強——碳纖維，被譽為"黑色黃金"和"21世紀新材料之王”。

最有可能出現(xiàn)的新高鐵是碳纖維高鐵？

1860年

1860年，托馬斯·愛迪生在研制白熾燈時，嘗試將棉線碳化制成燈絲，意外得到了人類歷史上最早的"碳纖維"。

1958年，美國聯(lián)合碳化公司的研究人員羅杰·培根（Roger Bacon）在高溫高壓下制備出高性能石墨纖維，拉伸強度達3000 MPa，標志著現(xiàn)代碳纖維的誕生。

但當時碳纖維生產(chǎn)成本極高，1克價值100美元，僅用于航天軍工。

日本東麗公司（Toray）從美國引進技術(shù)，改進聚丙烯腈（PAN）原絲工藝，于1971年推出T300碳纖維，并實現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)，碳纖維制造成本大幅下降。

碳纖維開始在航空航天、軍工、體育器材等領(lǐng)域應用，如飛機機身、F1賽車、高爾夫球桿等。

風電葉片采用碳纖維增強，長度突破100米。寶馬i3電動車首次實現(xiàn)碳纖維車體量產(chǎn)，成本得以控制在3萬美元/輛。

碳纖維制造

美國赫氏公司、德國西格里公司、日本三菱公司三家企業(yè)基本壟斷了國外整個大絲束碳纖維市場；日本東麗公司、日本三菱公司、日本東邦公司占據(jù)了大部分小絲束碳纖維市場。

中國目前已實現(xiàn)多個系列和級別的碳纖維國產(chǎn)化，解決了高性能碳纖維自主保障問題，成為繼日本、美國之后第三個掌握高性能碳纖維技術(shù)的國家。

目前我國大絲束碳纖維生產(chǎn)商有中國石化上海石油化工股份有限公司、吉林化纖集團有限責任公司和蘭州藍星纖維有限公司等。小絲束碳纖維以中復神鷹碳纖維股份有限公司為典型代表。

中國碳纖維產(chǎn)能也從2017年的約2萬噸/年提高到2022年超過8萬噸/年，2017后年均復合增長率達35%。

國內(nèi)碳纖維主要應用在體育休閑、風機葉片、建筑、壓力容器、航空航天等領(lǐng)域。風電葉片是我國碳纖維最大下游消費領(lǐng)域，約占我國碳纖維總消費量的30%以上。

預計到2027年，全國碳纖維消費量將達到15萬噸，2022~2027年年均增長率為16%。

未來已來

2023年，中車四方股份公司研制的全球首列碳纖維地鐵列車"CETROVO 1.0"在青島地鐵1號線正式投入商業(yè)運營。

列車采用碳纖維復合材料作為車體主承載結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)金屬材料車輛：車體減重25%，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架減重50%，整車減重約11%，運行能耗降低7%。

輕量化是高鐵列車設(shè)計師的持久追求。

我國已經(jīng)下線正在試驗的"世界最快高鐵"CR450高速動車組一些部件也已經(jīng)采用了碳纖維復合材料。

頭罩、排障器（列車前端結(jié)構(gòu)）采用碳纖維復合材料，降低重量并提升抗沖擊能力；設(shè)備艙、內(nèi)飾件等部位應用碳纖維，減重，提供乘坐舒適性。

CR450高鐵整車較以往減重10%以上，能耗降低20%，碳纖維實力助力列車時速突破400公里。

有關(guān)碳纖維最新信息是：在成本方面，新一代大絲束碳纖維成本降至15美元/公斤，接近鋁合金價格；在回收與可持續(xù)發(fā)展方面，日本開發(fā)的熱解回收技術(shù)可回收90%的碳纖維，解決環(huán)保難題。

隨著技術(shù)成熟和成本下降，碳纖維在高鐵上的應用將增長，可能的發(fā)展方向包括：

車體全面碳纖維化

碳纖維在地鐵車體已實現(xiàn)商用2年，在此基礎(chǔ)上，未來高鐵車體也可能采用全碳纖維或混合材料，如碳纖維+鋁合金，進一步降低重量，提升能效。

轉(zhuǎn)向架輕量化

轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)占列車重量約20%，若采用碳纖維復材，可大幅減重，降低輪軌磨損，提高運行平穩(wěn)性。

在已應用碳纖維排障器后，未來高鐵列車車體、轉(zhuǎn)向架或全面碳纖維化。

下一位，碳纖維高鐵？

來源：國家高速列車技術(shù)創(chuàng)新中心