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从风电到轨道交通

发布日期:2019/12/6 8:39:49 浏览:1260

系本身与其他结构设计途径各分担一部分,而不是全部归为材料体系的要求。

2)材料性能分散性

金属的性能在离开材料供应商之后基本确定,后续的加工(除热处理、锻造外)对材料性能基本没有影响;而复合材料的特点是材料与结构同时形成,没有结构也没有材料,材料性能分散性的来源包括材料组分与生产以及结构成型工艺两部分,性能分散性比金属要大,因此对设计用材料性能数据的确定方法也不同于金属,要借鉴航空领域的方法建立碳纤维复合材料体系稳定性的评估方法与后续供料一致性的管理体系,不能简单地采用增加安全系数的习惯方法。民机咨询通报AC20-107B《飞机复合材料结构》中提出的原则:“要建立覆盖材料、材料工艺和制造方法的标准,确保制造可重现和可靠结构的基础。需要材料规范来保证所采购材料的一致性,并用批次验收试验或统计过程控制来保证材料性能任何时候都不会出现偏离。应建立覆盖工艺方法的规范来保证能生产出可重现且可靠的结构,在每一材料规范中定义的工艺鉴定与验收试验的方法应代表拟采用的制造工艺,生产试验件的工艺参数应与制造真实产品零件所用的工艺参数尽可能相一致,试验件与产品零件都必须符合材料与工艺规范。”同样适用于对安全性有很高要求的其他工业领域。

3)原材料国产化

a)原材料国产化除是轨交复合材料结构稳定生产的安全保障外(虽然不像军机与民机原材料供应安全性那么重要),同时也是作为战略物资的国产碳纤维产业发展的良机。航空复合材料结构用原材料需要在飞机结构研发阶段同时完成原材料的鉴定及材料规范的制订,飞机取得适航后其他来源供应商进入供应链是非常痛苦的过程,甚至不一定再有机会,国产碳纤维若是无法在轨交复合材料结构研制阶段进入图纸,研制完成后进入也将是极其痛苦的进程,甚至就此失去机会。

b)作为轨交结构所用的原材料,必须同时提供碳纤维和满足轨交使用要求相匹配的树脂,满足使用要求(包括性能与工艺性)的树脂通常无法从市场上直接获取,必须专门研发。

5.4适合轨道交通行业特点的成型工艺

1996年在由美国国家科学院、国家工程院和国家医学研究院下属先进民用飞机新材料专业委员会编制的《下一代民用运输机用的新材料》中明确指出:“虽然复合材料的市场销量增长缓慢往往归因为原材料的高成本,但材料成本实际上仅占复合材料构件总成本的8~10。事实上工艺制造成本是总成本中最高的单项成本。过去性能因素推动着复合材料在航空航天中的应用研究,但近年来成本则起到了更大的作用。这样,开发下一代民用运输机工艺的一个基本准则是低成本制造的可能性。委员会相信,在可预见的将来,发展趋势是不断开发低成本的制造工艺。”该建议同样适用于轨交复合材料结构。复合材料结构成型工艺通常包括下列几类:热压罐工艺、液体成型工艺、模压工艺、真空袋(非热压罐)、拉挤工艺和缠绕工艺成型工艺等。在民机结构成型工艺传统以热压罐工艺为主,在低成本化过程中,液体成型(VARI、RFI、RTM等)工艺正在开始替代热压罐工艺;航天领域大量采用缠绕工艺,在其他行业出于成本考虑采用了很多低成本的工艺;轨道交通碳纤维复合材料结构目前多采用液体成型和非热压罐工艺,少量也使用热压罐工艺,考虑到降低成本的要求,不是所有的结构都有很高的性能要求,因此除碳纤维外还会采用多种其他材料制造的结构(或结构组分),同时也可以采用其他低成本的成型工艺,如图5所示。风电叶片的使用经验已为其他工业领域碳纤维复合材料的使用提供了启示。

图5不同工业领域采用的成型工艺

5.5复合材料回收技术

对于目前年产量几百万吨的玻璃钢废弃物、年用量超过2万吨的碳纤维复合材料飞机结构、超过2万吨的碳纤维复合材料风电叶片,复合材料回收技术是更加迫切的问题。好在复合材料的回收技术近年来已取得很大进展,例如最近网上流传“碳纤维回收性里程碑ELG与波音携手共筑”,波音公司将从2017年3月开始每年向ELG发送454吨的废料,由ELG公司回收在加工,今年11月10日在北京召开了“首届纤维复合材料回收国际论坛”并成立了纤维复合材料再生分会,从会议报道及群中的交流可以看出,纤维复合材料回收再利用技术在国际和国内都取得了突破性进展,为轨交领域使用碳纤维复合材料没有了后顾之忧。

6结束语

所有的新材料从研发到实现产业化应用都要经过漫长的历程,碳纤维如此,纳米材料和石墨烯材料也是如此,研发人员要首先意识到所开发新材料的优势和劣势,找寻最适用的应用领域,并与该领域的应用对象密切合作开发出可以实现性价比优于原用材料的示范产品,然后沿此方向继续扩大应用,才能实现在工业领域的大规模应用。新材料的开发者不应寄希望由用户首先开发出适用的产品,因为新材料开发者最清楚这种材料的优缺点,也只有开发者主动与用户一起实现从材料到产品的工艺路线,才能实现新材料的最初应用。回顾碳纤维的发展历史,如果不是东丽首先在高尔夫球杆上实现产业化应用,就不可能会有民用飞机碳纤维复合材料应用的今天。

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