1 碳纖維材料的介紹

    碳纖維是由有機纖維如粘膠纖維、 聚丙烯晴纖維或瀝青基纖維在保護氣氛下熱處理碳化成為含碳量 90% －100%的纖維。碳纖維復(fù)合材料主要包括以下幾類：碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料、 C/C 復(fù)合材料、 碳纖維增強金屬基復(fù)合材料（CFＲM）、 碳纖維增強陶瓷復(fù)合材料、 碳纖維增強橡膠復(fù)合材料等。碳纖維復(fù)合材料（CFＲP）作為一種先進的復(fù)合材料， 具有重量輕、 模量高、 比強度大、 熱膨脹系數(shù)低、 耐高溫、 耐熱沖擊、 耐腐蝕、 吸振性好等一系列優(yōu)點， 在航空航天、 汽車、 新能源、 醫(yī)療器械、 文體休閑等領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用。

    2 碳纖維材料在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用前景

    近些年， 軌道交通行業(yè)飛速發(fā)展， 低碳環(huán)保的要求也隨著行業(yè)的發(fā)展被迫切需求。為了實現(xiàn)低碳環(huán)保的目標， 車輛減重已經(jīng)迫在眉睫， 傳統(tǒng)材料的應(yīng)用已經(jīng)無法達到顯著的效果， 碳纖維材料以其重量輕、 強度大、 耐高溫、 耐沖擊、 耐腐蝕的優(yōu)質(zhì)特性被廣泛關(guān)注。碳纖維材料具體性能如下：

    （1）耐腐蝕性能、 耐候性：可極好地解決潮濕環(huán)境及氣候循環(huán)變化對金屬等材質(zhì)產(chǎn)生的腐蝕問題。不僅延長了結(jié)構(gòu)及設(shè)備的使用壽命， 且不需采取防腐、 防銹等防護措施， 全壽命周期基本免維護， 減少了維修費用及運營維護工作量。

    （2）電性能：可有效阻止軌道交通設(shè)備在雜散電流等作用下的電化腐蝕， 保證結(jié)構(gòu)的耐久性。

    （3）熱穩(wěn)定性：復(fù)合材料制品的導(dǎo)熱系數(shù)只有鋼鐵的 1/100 －1/200， 是優(yōu)良的絕熱材料。

    （4）耐蠕變、 消聲的作用：可極好的達到材料耐蠕變效果， 同時產(chǎn)品的消聲效果也非常明顯， 可降低環(huán)境中的噪聲。

    （5）可設(shè)計性：結(jié)構(gòu)件在使用中如存在需要改進的問題， 可通過調(diào)整材料配比方法彌補產(chǎn)品生產(chǎn)或使用中出現(xiàn)的某一方面性能的弱點， 進而設(shè)計出最優(yōu)產(chǎn)品。

    （6）優(yōu)異的防火性能：復(fù)合材料優(yōu)異的防火性能可很好的滿足軌道交通火災(zāi)等意外情況。

    （7）高疲勞強度和低缺口敏感度：疲勞特性是涉及安全性的主要問題。高應(yīng)力領(lǐng)域若有失效， 很多是因為動態(tài)承載結(jié)構(gòu)件超過了疲勞強度而致使其破壞。在復(fù)合材料中， 力被轉(zhuǎn)移到鄰近層，因此缺口的影響大大降低。由于復(fù)合材料對擴展裂紋的敏感度很低， 即使出現(xiàn)損傷， 也不致被立即破壞， 安全性更高。

    3 碳纖維材料與傳統(tǒng)材料的對比分析

    以車輛常用的電氣接線箱為例， 如果設(shè)計采用碳纖維預(yù)浸料材料， 成型方案采用袋壓高溫成型方案。從重量、 成本、 性能等多方面進行對比分析如下：

    3. 1 電氣接線箱重量對比

    由上表三種材料的電氣接線箱質(zhì)量對比可以看出， 碳纖維電氣接線箱重量約為鋁電氣接線箱的 73. 5%， 約為不銹鋼電氣接線箱的 33. 8%， 減重效果比較明顯。

    3. 2 電氣接線箱成本對比

    此碳纖維電氣接線箱每個成本價格約為 7500 －9000 元左右，模具費用大約 3 萬元左右。

    3. 3 電氣接線箱箱體機械性能對比

    3. 3. 1 不銹鋼性能

    常用材質(zhì)， 抗低溫沖擊， 生產(chǎn)的電氣箱體較安全。

    3. 3. 2 鋁合金性能

    常用材質(zhì)， 抗低溫沖擊， 吊腳焊縫偏短， 易出現(xiàn)起、 收弧熔合不良缺陷， 生產(chǎn)過程中應(yīng)重點控制焊接質(zhì)量。

    3. 3. 3 碳纖維性能

    由于碳纖維復(fù)合材料本身性能特點， 碳纖維接線箱耐酸性好，對酸呈惰性， 能耐濃鹽酸、 磷酸、 硫酸等侵蝕， 此外碳纖維接線箱還可耐油、 抗輻射。

    碳纖維電氣接線箱疲勞強度高于不銹鋼和鋁接線箱。金屬材料在交變應(yīng)力作用下， 疲勞極限僅為靜荷強度的 30% ～ 40%。由于纖維與基體復(fù)合可緩和裂紋擴展， 以及存在纖維內(nèi)力再分配的可能性， 復(fù)合材料的疲勞極限較高， 約為靜荷強度的 70% ～ 80%，并在破壞前有變形顯著的征兆。

    碳纖維接線箱的熱膨脹系數(shù)小， 導(dǎo)熱率隨溫度升高而下降， 耐驟冷、 急熱， 高低溫變化中碳纖維接線箱尺寸基本不會發(fā)生變化。

    3. 4 電氣接線箱加工工藝對比

    不銹鋼、 鋁接線箱均需板材經(jīng)下料、 折彎、 焊接、 機加工做出最終制品， 制作工藝復(fù)雜， 碳纖維電氣接線箱箱體采用鋼模組合式模具， 可一體成型出箱體主體部分， 無需拼接， 部分開孔可由模具直接成型出來， 減少了加工過程。碳纖維制件的銑削、 開孔等加工工藝與金屬件相似， 可采用金屬通用加工設(shè)備加工。

    3. 5 電氣接線箱電氣性能對比

    3. 5. 1 不銹鋼、 鋁合金抗干擾

    性能：作為金屬材料， 結(jié)構(gòu)本體就能實現(xiàn)電磁屏蔽。鋁合金是電的良導(dǎo)體， 對高阻抗電場有很好的屏蔽作用， 但對低阻抗磁場的屏蔽卻不夠理想；不銹鋼卻對低阻抗磁場有很好的屏蔽作用。

    3. 5. 2 碳纖維材料抗干擾性

    碳纖維作為非金屬材料， 為了實現(xiàn)箱體的電磁屏蔽， 需要進行特別的處理， 目前已經(jīng)使用的方法有很多， 例如：表面噴涂導(dǎo)電涂料等。

    為了實現(xiàn)良好的屏蔽效果， 又能施工方便， 我們采用了在碳纖維材料中貼金屬箔的方式， 并將金屬箔引出接到車體底架， 最終通過車體底架與車體接地裝置連接接到大地。

    4 結(jié)論

    碳纖維材料從加工工藝方面、 機械性能方面能夠滿足軌道交通行業(yè)的需求， 輕量化的碳纖維產(chǎn)品能夠滿足車輛輕量化設(shè)計的要求， 促進軌道交通節(jié)能減排、 提高運營能力， 減少能耗。但是考慮到成本因素、 電氣性能適用性等因素目前還未得到廣泛應(yīng)用。

    隨著軌道交通行業(yè)平臺化的發(fā)展， 碳纖維產(chǎn)品以其獨特的性能將會在軌道交通行業(yè)得到廣泛發(fā)展。

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