出品：科普中國(guó)

作者: 石霧遙（生物學(xué)博士）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

據(jù)科技日?qǐng)?bào)6月26日?qǐng)?bào)道，全球首列用于商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的碳纖維地鐵列車“CETROVO 1.0 碳星快軌”，在青島正式發(fā)布。該車較傳統(tǒng)地鐵車輛減重11%，將引領(lǐng)地鐵列車實(shí)現(xiàn)全新綠色升級(jí)。

發(fā)布儀式現(xiàn)場(chǎng)觀眾參觀列車

（圖片來源：中國(guó)城市報(bào)記者 全亞軍通訊員 張進(jìn)剛 鄧旺強(qiáng)攝影報(bào)道）

碳纖維材料在交通行業(yè)的應(yīng)用尤為引人矚目，它不僅為軌道交通列車帶來了輕量化、高強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，還推動(dòng)了軌道交通行業(yè)的綠色、可持續(xù)發(fā)展，為城市軌道交通的未來發(fā)展注入了新的活力。

讓我們一同走進(jìn)碳纖維地鐵列車的世界，探索這一創(chuàng)新技術(shù)背后的奧秘與魅力！

城市軌道交通

（圖片來源：veer圖庫）

碳纖維是什么？

碳纖維，聽起來可能有些神秘和高科技，其實(shí)它就在我們的日常生活中扮演著越來越重要的角色。簡(jiǎn)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(jí)強(qiáng)大的“線”，但它不是普通的線，而是由極細(xì)的碳原子束組成的。想象一下，一根頭發(fā)絲被放大成千上萬倍，如果它是由純碳構(gòu)成的，那它就像是一根碳纖維。

頭發(fā)絲

（圖片來源：veer圖庫）

碳纖維怎么制備的？

碳纖維的制備像是一場(chǎng)奇妙的“魔法秀”，要想得到碳纖維材料，需要經(jīng)過纖維前驅(qū)體的制備、纖維化與熱解、高溫等一系列處理過程。

纖維前驅(qū)體是碳纖維制備的關(guān)鍵，可以采用聚丙烯腈、聚酰胺、粘膠纖維、天然纖維等物質(zhì)作為原料。先利用化學(xué)試劑將聚丙烯腈等物質(zhì)溶解，之后通過紡絲、拉伸等工藝制備得到纖維前驅(qū)體絲束。

接下來，經(jīng)過一系列化學(xué)和物理處理，去除纖維前軀體絲束中的雜質(zhì)，消除纖維內(nèi)部的缺陷，提高纖維的穩(wěn)定性。進(jìn)一步在高溫條件下對(duì)材料進(jìn)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(jīng)過這些處理，材料中的碳原子的排列會(huì)更加規(guī)則，內(nèi)部形成類石墨晶體結(jié)構(gòu)。最終對(duì)石墨化后的碳纖維進(jìn)行上漿處理，以改善其表面性能，進(jìn)一步提高材料的性能。

針對(duì)具體的應(yīng)用要求，也能對(duì)形成的碳纖維材料進(jìn)行表面改性、功能化修飾或與其他材料復(fù)合加工等，最終制成具有特定形狀和性能的碳纖維制品。

碳纖維材料

（圖片來源：veer圖庫）

碳纖維有哪些優(yōu)點(diǎn)？

碳纖維不但有著碳材料基本的特征，同時(shí)也兼具纖維材料優(yōu)秀的力學(xué)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(yōu)異，高模量碳纖維的抗拉強(qiáng)度比鋼材高出6倍之上，彈性模量也能達(dá)到鋼材的2倍。而且，碳纖維還特別耐高溫，即使在高溫環(huán)境下也不會(huì)變形。此外，碳纖維還具有出色的耐腐蝕性和導(dǎo)電性。因此它在建筑、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

碳纖維地鐵列車

2024年6月26日，由中車四方機(jī)車股份公司聯(lián)合青島地鐵集團(tuán)研制的商用碳纖維地鐵列車正式發(fā)布！

該車的主承載結(jié)構(gòu)，包括車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等都是采用碳纖維復(fù)合材料制造而成。由于碳纖維材料密度小、質(zhì)量輕。因此，制造的地鐵列車與傳統(tǒng)金屬材料制成的地鐵車輛相比，車體減重約25%、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架減重約50%、整車減重達(dá)到了11%。地鐵列車的輕量化使得其運(yùn)行能耗更低。

經(jīng)計(jì)算，與傳統(tǒng)的地鐵車輛相比，碳纖維地鐵列車的運(yùn)行能耗能降低7%。每列車每年就能實(shí)現(xiàn)二氧化碳減少排放約130噸，為節(jié)能減排做了巨大的貢獻(xiàn)。此外，高強(qiáng)度的碳纖維材料使得列車的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與安全性得以提高。

CETROVO 1.0 碳星快軌

（圖片來源：人民日?qǐng)?bào)）

航空航天領(lǐng)域

碳纖維的優(yōu)勢(shì)讓它在航空航天領(lǐng)域大放異彩，采用碳纖維復(fù)合材料制造的飛機(jī)整體重量更輕，因此能載荷能力、燃油效率更高，飛行距離更長(zhǎng)。

此外，碳纖維材料還用于制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件，因其良好的耐高溫和耐腐蝕性能，確保了發(fā)動(dòng)機(jī)在穿越大氣層等極端環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。

航天飛機(jī)

（圖片來源：veer圖庫）

建筑領(lǐng)域

碳纖維復(fù)合材料因其出色的力學(xué)性能和耐久性，被廣泛用于橋梁和道路的加固工程。通過粘貼碳纖維復(fù)合材料層，可以有效提高橋梁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，碳纖維復(fù)合材料還被用于制作防護(hù)罩和建筑裝飾材料。其輕質(zhì)高強(qiáng)的特性使得防護(hù)罩更加輕便且堅(jiān)固，能夠有效地保護(hù)建筑物和文物免受自然災(zāi)害和人為破壞。

橋梁

（圖片來源：veer圖庫）

運(yùn)動(dòng)器材

碳纖維材料以其輕質(zhì)高強(qiáng)、抗沖擊性好等特點(diǎn)被廣泛用于運(yùn)動(dòng)器材的制造中，為我們提供更加安全、舒適、高效的運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。自行車、高爾夫球桿、滑雪板等中都有它的身影。

碳纖維是高端自行車領(lǐng)域的首選材料，與傳統(tǒng)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(yōu)良的減震性能和穩(wěn)定性，能夠有效減少我們?cè)陂L(zhǎng)時(shí)間騎行過程中的疲勞感。另外，碳纖維滑雪板具備良好的抗沖擊性能，能夠減少運(yùn)動(dòng)員在滑雪過程中因意外撞擊而受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

碳纖維自行車

（圖片來源：veer圖庫）

結(jié)語

商用碳纖維地鐵列車的誕生，標(biāo)志著軌道交通行業(yè)在材料革新和綠色出行方面邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。它不僅將帶來更加高效、安全的出行體驗(yàn)，更將推動(dòng)整個(gè)軌道交通行業(yè)向著更加環(huán)保、可持續(xù)的方向發(fā)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(huì)成為城市公共交通的主力軍，引領(lǐng)我們走向更加綠色、低碳的未來！

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來源: 中國(guó)科普博覽

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