全球首款！如何用碳纖維製造出地鐵列車的？

本文轉自：人民網-科普中國

據報道，前不久，全球首列用於商業化運營的碳纖維地鐵列車“CETROVO1.0碳星快軌”，在青島正式發佈。該車較傳統地鐵車輛減重11%，將引領地鐵列車實現全新綠色升級。

CETROVO1.0 碳星快軌

碳纖維材料在交通行業的應用尤爲引人矚目，它不僅爲軌道交通列車帶來了輕量化、高強度的優勢，還推動了軌道交通行業的綠色、可持續發展，爲城市軌道交通的未來發展注入了新的活力。

讓我們一同走進碳纖維地鐵列車的世界，探索這一創新技術背後的奧秘與魅力。

碳纖維是什麼？

碳纖維，聽起來可能有些神秘和高科技，其實它就在我們的日常生活中扮演着越來越重要的角色。簡單來說，碳纖維是一種含碳量超過90%的新型纖維材料。

碳纖維就像是一種超級強大的“線”，但它不是普通的線，而是由極細的碳原子束組成的。想象一下，一根頭髮絲被放大成千上萬倍，如果它是由純碳構成的，那它就像是一根碳纖維。

碳纖維怎麼製備的？

碳纖維的製備像是一場奇妙的“魔法秀”，要想得到碳纖維材料，需要經過纖維前驅體的製備、纖維化與熱解、高溫等一系列處理過程。

纖維前驅體是碳纖維製備的關鍵，可以採用聚丙烯腈、聚酰胺、粘膠纖維、天然纖維等物質作爲原料。先利用化學試劑將聚丙烯腈等物質溶解，之後通過紡絲、拉伸等工藝製備得到纖維前驅體絲束。

接下來，經過一系列化學和物理處理，去除纖維前軀體絲束中的雜質，消除纖維內部的缺陷，提高纖維的穩定性。進一步在高溫條件下對材料進行高溫碳化與石墨化處理等，使纖維中的非碳元素逐漸脫去，以提高纖維中碳的含量。

經過這些處理，材料中的碳原子的排列會更加規則，內部形成類石墨晶體結構。最終對石墨化後的碳纖維進行上漿處理，以改善其表面性能，進一步提高材料的性能。

針對具體的應用要求，也能對形成的碳纖維材料進行表面改性、功能化修飾或與其他材料複合加工等，最終制成具有特定形狀和性能的碳纖維製品。

碳纖維有哪些優點？

碳纖維不但有着碳材料基本的特徵，同時也兼具纖維材料優秀的力學性能。

首先，碳纖維非常輕，密度只有鋼鐵的四分之一。但是碳纖維的抗拉性能卻非常優異，高模量碳纖維的抗拉強度比鋼材高出6倍之上，彈性模量也能達到鋼材的2倍。而且，碳纖維還特別耐高溫，即使在高溫環境下也不會變形。此外，碳纖維還具有出色的耐腐蝕性和導電性。因此它在建築、航空航天等多個領域都有着廣泛的應用。

碳纖維地鐵列車

2024年6月26日，由中車四方機車股份公司聯合青島地鐵集團研製的商用碳纖維地鐵列車正式發佈。該車的主承載結構，包括車體、轉向架構架等都是採用碳纖維複合材料製造而成。由於碳纖維材料密度小、質量輕。因此，製造的地鐵列車與傳統金屬材料製成的地鐵車輛相比，車體減重約25%、轉向架構架減重約50%、整車減重達到了11%。地鐵列車的輕量化使得其運行能耗更低。

經計算，與傳統的地鐵車輛相比，碳纖維地鐵列車的運行能耗能降低7%。每列車每年就能實現二氧化碳減少排放約130噸，爲節能減排做了巨大的貢獻。此外，高強度的碳纖維材料使得列車的結構強度與安全性得以提高。

航空航天領域

碳纖維的優勢讓它在航空航天領域大放異彩，採用碳纖維複合材料製造的飛機整體重量更輕，因此載荷能力更強、燃油效率更高，飛行距離更長。

此外，碳纖維材料還用於製造飛機發動機部件，因其良好的耐高溫和耐腐蝕性能，確保了發動機在穿越大氣層等極端環境下的穩定運行。

建築領域

碳纖維複合材料因其出色的力學性能和耐久性，被廣泛用於橋樑和道路的加固工程。通過粘貼碳纖維複合材料層，可以有效提高橋樑和道路的承載能力和使用壽命，減少維修和重建的頻率。

此外，碳纖維複合材料還被用於製作防護罩和建築裝飾材料。其輕質高強的特性使得防護罩更加輕便且堅固，能夠有效地保護建築物和文物免受自然災害和人爲破壞。

運動器材

碳纖維材料以其輕質高強、抗衝擊性好等特點被廣泛用於運動器材的製造中，爲我們提供更加安全、舒適、高效的運動體驗。自行車、高爾夫球杆、滑雪板等中都有它的身影。

碳纖維是高端自行車領域的首選材料，與傳統的金屬材料相比，碳纖維車架的重量能夠減輕約30%，此外，碳纖維自行車還具備優良的減震性能和穩定性，能夠有效減少我們在長時間騎行過程中的疲勞感。另外，碳纖維滑雪板具備良好的抗衝擊性能，能夠減少運動員在滑雪過程中因意外撞擊而受傷的風險。

商用碳纖維地鐵列車的誕生，標誌着軌道交通行業在材料革新和綠色出行方面邁出了堅實的一步。它不僅將帶來更加高效、安全的出行體驗，更將推動整個軌道交通行業向着更加環保、可持續的方向發展。我們有理由相信，在不久的將來，這種綠色、高效、安全的地鐵列車會成爲城市公共交通的主力軍，引領我們走向更加綠色、低碳的未來。

作者：生物學博士石霧遙