- 中国科协重大科学问题和工程技术难题征集评选系统

如何突破碳纤维复合材料在我国未来超高速轨道交通车辆装备的应用？

铁路超高速列车碳纤维复合材料

根据国家“双碳”发展战略部署，时速600公里高速磁浮、时速400公里及以上动车组及双层动车组为代表的超高速列车凭借高速高效、轻量智能、节能环保的优势，必将成为未来主流产品，而解决其存在的高速-能耗-低碳、轻量-安全-大载荷突出矛盾是今后发展最主要问题。因此，寻求综合性能优良的新材料、新结构，突破传统金属材料的局限，形成更轻、更强的材料-结构-工艺一体化核心技术解决方案，是确保高速列车领域技术引领地位、扩展国际话语权的基础，也将为国家战略新型材料在高端装备领域应用提供产业牵引。以碳纤维为代表的国家战略新型材料，具有高强度、高模量、耐腐蚀、耐疲劳、可设计性强等优异性能，是解决高速-能耗-低碳、轻量-安全-大载荷矛盾问题、实现高速列车轻量化的绝佳选择。 1. 技术问题：（1）如何借鉴高速动车组研发流程，结合复材积木式验证方法，形成顶层设计、层层分解、仿真-试验对比分析、循环迭代的科学高效的研发流程？（2）如何建立轨道车辆行业复合材料专有数据库，打造涵盖试样-元件-组件-大部件的多层次仿真试验平台，形成完善的研发能力？（3）如何结合仿真分析指导试验策划，验证整车及各系统部件强度、刚度、防火及电磁兼容等综合性能？（4）如何基于材料-结构-工艺一体化及力学、防火、噪声、电磁兼容等功能一体化理念，开发高效低成本的材料选型技术？（5）如何基于柔性理念，兼顾产品的力学、功能性、工艺性，建立高速列车专属的铺层设计技术？（7）如何解决高速列车车体、转向架等大型部件的损伤容限、检测效率、原位检测能力及开发大型件内缺陷检测方法等问题？（8）如何基于前期积累的试验数据，持续完成复合材料工程基础数据库，形成高速列车用复合材料系统系统标准体系？（9）如何建立高速列车车体、转向架等厚大复杂部件的修复相关技术，包括修复检测、评估、工艺、体系及标准等？ 2. 工艺问题：（1）如何开发基于拉挤、编织、缠绕等核心工艺及相关辅助工艺的高速列车专属成型工艺体系？（2）如何提升复合材料拉挤工艺的自动化水平，如原材料的自动化识别和上料、自动送丝及位置在线矫正、自动化浸胶以及产品在线自动检测？（3）如何解决编织工艺中轴向纤维比例低、张力不均、纤维角度偏差、编织条纹混乱等问题，保证大曲率大厚度复杂承载部件成型及高效率制造？（4）如何解决缠绕工艺中质量不均、空隙率大、树脂分布、气泡含量多等问题，提供纤维准确率高、连续性好的一体化解决方案？ 3. 产线问题：（1）如何建立适合复合材料产品生产的智能化生产线，包括智能视觉识别系统、机器学习、大数据处理等配套技术？（2）如何开发针对复合材料列车总装中自动化定位、自动化钻孔铆接、自动化涂胶、自动化尺寸测量和检测的复合材料产品组装生产线？（3）如何开发薄壁多腔、低成本自动化的型材高精度拉挤与高效低成本RTM等工艺技术与配套系统装备生产线？（4）如何建立适合高速列车转向架产品的编织、缠绕工艺生产线，包括自动化模具预处理、自动化在线线型设计、自动化打磨和加工？

推荐机构：詹天佑科学技术发展基金会

2023年度

如何突破低铂、低成本车用燃料电池电堆关键技术？

氢能质子交换膜燃料电池运输低铂低成本

当前质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术水平（包括功率密度、寿命、能量转换效率、低温启动性能等）均已满足车用要求，然而其成本居高不下，成为限制车用燃料电池动力系统商业化与规模化应用瓶颈。为了降低燃料电池成本，关键是大幅降低电极中铂基催化剂用量，然而催化剂载量的不断降低会牺牲电池性能与寿命。因此，如何突破低铂、低成本车用燃料电池电堆关键技术，解决成性能、寿命与成本之间的矛盾是当务之急。此外，燃料电池催化剂、碳纸、气体扩散层等关键材料主要依赖进口，进一步推高了我国燃料电池系统的成本，如何突破低铂、低成本车用燃料电池关键材料批量化制备技术，实现完全自主的国产化替代，构建完整的燃料电池产业链，对于我国燃料电池技术发展至关重要。

推荐机构：中国汽车工程学会

2023年度

非线性效应会随尺度变化吗？

微纳器件微纳尺度非线性效应尺度效应

非线性效应是前沿科学和工程技术中广泛存在的现象，在各学科都得到了深入的研究。然而，随着更小尺寸的人造体系不断涌现，人们对于非线性效应的已有认识，到微米纳米甚至更小的尺度是否仍然适用？非线性效应是否会出现新的体现形式，带来新的非线性现象？

推荐机构：中国微米纳米技术学会

2023年度