1. 新产品新技术信息

碳纤维车体

2018年9月18日，在德国举行的柏林国际轨道交通技术展上，中车四方股份公司发布了新一代碳纤维地铁车辆“CETROVO”。该车最大的特点之一是车身采用碳纤维材质，碳纤维复合材料作为一种新材料，被称为“轻量化之王”，其轻质、高强度的优点为列车轻量化提供了绝佳的解决方案。碳纤维使车辆实现大幅“瘦身”。与采用钢、铝合金等传统金属材料相比，新一代碳纤维地铁车辆的车体、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%。

图1  CETROVO 车辆外观

图2  CETROVO 车辆内饰

据悉，600km/h磁悬浮列车车体将采用碳纤维材料，主要是基于轻量化考虑。目前运营高速列车速度与轻量化水平参数见表1。从表中可看出，日本的N700系列车每延米长度的质量最轻，约为1.73t/m，说明列车轻量化水平较高，法国TGV-Duplex、AGV、德国ICE3、AVE等系列车每延米长度的质量为2t/m左右，说明列车轻量化在高速化的进程中普遍受到关注。

表1 目前运营高速列车速度&轻量化水平参数

从目前情况来看，纤维增强复合材料的高成本短期内不会大幅的降低，那么目前只能想办法降低复合材料零部件的制造费用，通过一次成型技术避免金属材料所需要的二次加工，从而大大降低产品的消耗，减少人力和物力的浪费，以此来弥补与金属材料之间的成本劣势。同时，当车体被分成几个构件分别制作，再通过装配连接成一体时，这种结构往往没有足够的刚度去抵抗过度的振动，其装配连接却成为了整车车体的最薄弱环节。这也是法国的TGV和日本新干线列车复合材料实验车体不能进入商业化运营的主要原因。

为此，韩国的TTX摆式列车在复合材料车体内设置增强骨架（图3），并采用了大型热压罐一次成型技术。制造其车体专用的大型热压罐长30m，直径5m。执行温度范围由室温至180℃，最大压力水平为700kPa。其复合材料车体结构的制造过程可分为5个步骤。

图3  复合材料车体结构断面示意图

步骤1：制备模具（图4（ａ））。

为了制造大型车体结构，首先需要制备模具。构造全尺寸车体结构需要木质模具和复合材质模具2种。木质模具由三层组成，而复合材质模具则是在木质模具基础上手糊成型。手糊成型后，复合模具在室温下进行加工处理5天，并在80℃下进行后处理4h。复合材料模具的厚度为20mm，且在外层安装了加强结构。

步骤2：外表层的制备过程（见图4（b））。

当复合材质模具准备完成后，在模具的内表面进行车体外表层的铺设。所用材料为碳纤维环氧树脂预浸料坯，铺设厚度为3.5mm，并在外表层铺设剥离层且用真空袋压进行密封，随后置于热压罐中生成处理。

步骤3：铝蜂窝夹芯及内部加强结构的铺设（见图4（c））。车体外表层制备完成后，除去剥离层，然后将铝蜂窝夹芯及内部加强结构置于外表层上。通过粘合剂将外表层与夹芯粘合在一起。

步骤4：内表层的铺设过程。

铝蜂窝夹芯与内部加强结构成功铺设在外表层后，再次使用粘合剂，将蜂窝夹芯与内表层进行粘合，即完成内表层的铺设。

步骤5：热压罐处理及脱模过程。

在所有铺设步骤完成后，将已完成结构放置热压罐内，依据图4（d）所示进行加工固化。热压罐中的加工循环结束后，将车体结构从复合材料模具中进行脱模。

图4   复合材料车体制备过程及固化机制

2. 行业发展动态

2.1. 市场需求信息

深圳地铁公司提出地铁车辆防腐涂装应采用水性涂料。实际上，近年来国家、地方及相关行业组织相继出台了一系列的政策法规，如2015 年1 月26 日国家财政局联合国家税务总局发布了征收“涂料消费税”的通知，2015年6 月底VOC 排污收费试点方案也已发布。目前我国铁路车辆涂装用涂料大部分是溶剂型涂料，铁路货车广泛应用的溶剂型厚浆醇酸涂料以及一些铁路机车和客车面漆均有一定量的VOC 排放。2015 年工信部发布的《水性聚氨酯涂料》、《水性环氧树脂防腐涂料》、《水性丙烯酸树脂涂料》3 项水性工业涂料行业产品标准已正式实施；2016 年，《水性醇酸树脂涂料》、《水性无机磷酸盐溶剂防腐涂料》等水性涂料行业标准也开始实施，水性工业涂料的标准化规范已经逐步完善，铁路涂料涂装水性化迫在眉睫！

2.2. 行业发展动态

l 西门子开发的机车车体积极采用激光焊技术，其主要的合作方是Photon AG公司。图5是ET490 DT5车型3D激光焊技术的应用示意图。图6是IEC4的侧墙及顶盖结构示意图。

图5  ET490 DT5车型激光焊焊缝示意图

 图6 ICE4侧墙及顶盖结构示意图

l 庞巴迪生产的俄罗斯某款机车采用了整体承载结构，基于瑞典的IORE机车设计，运行环境温度为-50到50℃，使用寿命45年。车体主要材料有2种，分别是厚度3-6mm的S355 NL/EN 10025-3,以及厚度为8-100mm的。

图7  俄罗斯某机车车体结构示意图

2.3. 产业资源

近几年国内碳纤维产业发展迅速，主要的研制生产如下：

l 晋飞碳纤：国内先进的碳纤维复合材料方案提供商，在轨道交通领域的研发能力和技术优势尤为突出，由其研制的玻璃纤维和碳纤维VIP 座椅私密罩，已大量运用于我国高铁列车车厢；近年来，晋飞碳纤又先后与中车四方、中车唐山合作，成功开发了中国标准动车碳纤维设备舱、下一代地铁CFRP 司机室和双层卧铺车碳纤维内装件等，成为国内重要的碳纤维复合材料轨道列车部件生产商。

l 海源机械：公司对碳纤维短周期大批量成型工艺进行了多年的投入，在2015年实现了技术突破，并于2015年9月通过海源碳纤维概念车的开发，对公司自主研发的碳纤维车身工艺和装备进行了验证。

l 恒神股份：公司成立于2007 年，曾主营产品有丹强丝和碳纤维两大板块，2015 年开始专营碳纤维及相关产品，其主要产品为T300 级碳纤维，进入庞巴迪（全球第三大民航）体系。已经实现HF10、HF30、HF40 产品的产业化，其中千吨级生产线生产的HF10A（T300 级）已通过航空鉴定并形成批量供应，现正在进行用于民用飞机的适航鉴定；千吨级生产的HF40（T800 级）碳纤维性能已与东丽T800H 相当，实现了稳定生产，正在开始航空鉴定和用于民机的适航鉴定。同时公司正开展高模M55 级、M60级、高强T1000 级产品的研发，同时具备各应用领域的树脂和复合材料产品设计制造开发能力。公司相继与国内航空、轨道交通、兵器、海装等客户合作开发了诸如直升机平尾，运输机缝翼、司机室、列车裙板、方舱、驱逐舰仪表台等制件，并取得了巨大的成功，帮助客户实现了减重和其它功能性需求。

l 康得新：公司多年经营，已初步搭建起了一整套的碳纤维轻量化生态平台。包括中安信高性能碳纤维生产基地、康得复材的工业4.0版智能化碳纤维车体及部件制造工厂，以及位于德国慕尼黑的KDX欧洲复合材料研发中心和KDX雷丁汽车轻量化设计中心，并得到德国GFG公司和SGL公司的生产技术支持。其5100吨碳纤维项目一期单线产能1700吨高性能碳纤维生产线已于2016年8月建成投产，为高性能碳纤维生产线，产品包括ZA55X、ZA50X等高强型碳纤维和M/MJ系列高模型碳纤维，经多家第三方权威机构评价，性能已达到/超过国际同类产品先进水平。

l 光威复材：拥有核心装备研发制造能力，拥有大型数控加工中心等精密加工设备，取得压力容器设计制造资质，具备碳纤维及预浸料、制品生产线的关键设备自主设计与制造能力。光威复材拥有碳纤维行业的全产业链布局，主要产品包括碳纤维、碳纤维织物、碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、碳纤维复合材料制品及碳纤维核心生产设备（公司具备碳纤维及碳纤维复合材料生产设备制造及生产线建设能力）等。主要产品为GQ3522 型（T300 级）碳纤维及织物，应用于航空航天领域。其他产品主要分布于渔具、体育休闲等工业领域。

l 精功科技：公司是国内首家研制碳纤维生产线的企业。公司研制的国内首条碳纤维生产线主要负责从原丝到碳纤维的生产过程公司。2013年起研发碳纤维生产线，目前已成功研发碳纤维成套生产线，该生产线以12K、24K及以上原丝为原料，具备年生产1千吨以上碳纤维生产能力，整条生产线核心设备和工艺采用德国、意大利等国外知名公司为供应商，整线技术处于国内领先水平。公司是国内少数进军大丝束的企业，2017年12月20日，1.2万吨大丝束碳纤维项目一期2000吨生产线以正式开车投产。大丝束产线的搭建将为国内碳纤维成本的下降提供新思路。

3. 车体知识产权态势分析

3.1. 行业标准

l 由中国铁道科学研究院城市轨道交通中心牵头完成了CJ/T 533-2018《城市轨道交通车辆车体技术条件》，并于2019年5月开始实施。标准规定了城市轨道交通车辆车体的基本技术要求、车体及其各部件技术要求、车体材料及许用应力、车体结构功能评定、车体载荷工况、车体强度验证试验、质量保证、标记、交货、包装运输及贮存。标准规定的适用范围包括地铁车辆、轻轨车辆、直线电机车辆、跨座式单轨交通车辆、低地板有轨电车和中低速磁浮交通车辆等。

3.2. 专利

l 2018年10-12月，陆续公开了前期申请的相关专利。主要车体专利见下表。

序号

申报单位

专利名称

专利简介

简图

1

青岛四方

CN 107878483 -一种100%低地板有轨电车车体结构

本发明涉及一种100％低地板有轨电车车体

结构,为不锈钢车体，包括车顶、侧墙、端墙、底架、上铰接安装座和下铰接安装座组成。车体的整体结构简单，满足了车辆轻量化要求。 

2

青岛四方

CN 108414623 -一种基于超声波扫查成像的电阻点焊质量评价方法

涉及电阻点焊超声波成像领域，根据压痕深度或焊核区域直径对电阻点焊质量进行评价。本发明操作简单，扫查直径大，效率高，获取的结果更真实。

3

长客股份

CN 207875666 -一种吸能车体及具有该车体的轨道车辆

提供了一种吸能车体，包括设置在车体前端的车钩，在所述车钩的两侧对称设置有吸能装置，在车钩上方设置吸能模块。能够提升轨道车辆前端吸能量，从各角度最大限度的降低碰撞脱轨的可能。

4

西南交通大学

CN 108622123-低成本的碳纤维复合材料空铁车体的结构及制造工艺

提供了一种低成本的碳纤维复合材料空铁车体的结构及制造工艺，加强筋骨架的内部填充有夹芯泡沫，达到在车体轻量化的前提下满足悬挂式车体的承载方式的功能与结构的目的。

5

青岛四方

CN 108827185-一种轨道车辆车身的三维重建装置及三维重建方法

提供一种轨道车辆车身的三维重建装置及三维重建方法。设置多个三维数据测量传感器，测量得到的点云数据进行拼接，再通过点云处理算法，将点云数据中的体外孤点和重合点去除，最终得到车身表面三维数据。

6

青岛四方

CN 208101995-一种轨道列车及其防撞装置

涉及一种磁悬浮列车及其防撞装置，其中防撞装置包括主吸能盒，主吸能盒内均填充有吸能材料；主吸能盒的底部还设有导向结构，导向结构的两个导向面相对设于主吸能盒的两侧并沿列车的长度方向由前向后渐缩。

7

重庆中车长客

CN 108995667

-一种车体及AS型地铁

本方案的车体采用中空双壁铝合金挤压型材组焊而成的整体承载结构，此结构能够承受正常载荷的作用而不产生永久变形和疲劳损伤，并有足够的刚度和满足修理和纠正脱轨的要求。

4. 专题：碳纤维产业

4.1 性能优异的碳纤维

    碳纤维是由有机母体纤维在1000℃-3000℃的高温、惰性气体环境下，高温分解、碳化而成的含碳量90%以上的无机高分子纤维。其力学、化学、电学等性能优异，是国民经济与国防建设不可缺少的战略新型材料，被誉为“黑色黄金”。

    碳纤维是由碳元素组成的纤维，既有碳材料固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性。自问世以来，应用于各个方面。1959年，美空军为寻找能更耐烧蚀的材料来制造航天飞机，与此同时，美国联合碳化物公司成功研制出黏胶基碳纤维Thornei-25。不甘于落后美国，日本于70年代奋起直追。1971年日本东丽发力体育休闲行业，不同于美国军工订单，日本以小博大成就碳纤维目前的霸主地位。2000年后，中国发力碳纤维行业。初始阶段，只有山东、吉林等地有极少数企业涉足碳纤维产品，年生产线规模仅为几十吨，且产品水平落后。自2005年后，随着国家出台相关扶持政策，碳纤维产业驶上发展快车道。目前，我国已经培育出光威复材、中复神鹰、江苏恒神等龙头企业。

4.2 来源丰富，PAN基为主

    按照原材料来源划分，碳纤维主要可以分为聚丙烯腈（PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶剂碳纤维以及酚醛基碳纤维。其中，PAN基碳纤维因生产工艺相对简单，工艺较成熟，产品力学性能好，成本较低，是碳纤维的主打产品，约占全球碳纤维总产量的90%。沥青基碳纤维是碳纤维的第二大品种，产量约占全球7%。

4.3 制作流程精细，原丝制备为首要要求

    PA N基碳纤维的制备流程复杂。可以总体分为两步：第一步是PAN单体制造PAN原丝，第二步是PAN原丝的碳化。

    原丝生产过程包括聚合、脱泡、计量、喷丝、牵引、水洗、上油、烘干收丝等工序；其碳化过程包括放丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆烘干、收丝卷绕等工序。制作流程精细复杂。

    在碳纤维制备的众多环节中，原丝制备是至关重要的一环。制备高纯度、高强度、高致密化以及高表面光洁度的原丝是制备高性能碳纤维的首要条件。一方面，高质量原丝将杂质缺陷降到最低，提高碳纤维性能；另一方面，高质量原丝有助于缩短预氧化等工艺时间，降低整体生产成本。在PAN基碳纤维生产中，原丝约占总成本的50%-60%。

(1) 纺丝   

(2) 预氧炉

(3) 低碳炉 

(4) 卧式罗拉

(5) 高碳炉

  (6) 表面处理

(7) 上浆立式烘干 

(8) 收丝

4.4 价格概况

    在碳纤维整体产业链中，随着产品向下游开发，尤其是应用于航空航天等高精尖领域，碳纤维复合材料的价格大幅提升，最高具有200倍的产品附加值。以恒神2015年招股说明书为例，同一品种原丝的售价约40元/公斤，碳纤维约180元/公斤，预浸料约600元/公斤。当合成为复合材料后，民用复合材料售价约1,000元/公斤，汽车复合材料约3,000元/公斤，航空复合材料约8,000 元/公斤。