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。碳纖維復合材料主要包括以下幾類：碳纖維增強樹脂基復合材料、 C/C 復合材料、 碳纖維增強金屬基復合材料（CFＲM）、 碳纖維增強陶瓷復合材料、 碳纖維增強橡膠復合材料等。碳纖維復合材料（CFＲP）作為一種先進的復合材料， 具有重量輕、 模量高、 比強度大、 熱膨脹系數低、 耐高溫、 耐熱沖擊、 耐腐蝕、 吸振性好等一系列優點， 在航空航天、 汽車、 新能源、 醫療器械、 文體休閑等領域已有廣泛應用。

    2 碳纖維材料在軌道交通行業的應用前景

    近些年， 軌道交通行業飛速發展， 低碳環保的要求也隨著行業的發展被迫切需求。為了實現低碳環保的目標， 車輛減重已經迫在眉睫， 傳統材料的應用已經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、 耐腐蝕的優質特性被廣泛關注。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境及氣候循環變化對金屬等材質產生的腐蝕問題。不僅延長了結構及設備的使用壽命， 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備在雜散電流等作用下的電化腐蝕， 保證結構的耐久性。

    （3）熱穩定性：復合材料制品的導熱系數只有鋼鐵的 1/100 －1/200， 是優良的絕熱材料。

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

    （5）可設計性：結構件在使用中如存在需要改進的問題， 可通過調整材料配比方法彌補產品生產或使用中出現的某一方面性能的弱點， 進而設計出最優產品。

    （6）優異的防火性能：復合材料優異的防火性能可很好的滿足軌道交通火災等意外情況。

    （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。高應力領域若有失效， 很多是因為動態承載結構件超過了疲勞強度而致使其破壞。在復合材料中， 力被轉移到鄰近層，因此缺口的影響大大降低。由于復合材料對擴展裂紋的敏感度很低， 即使出現損傷， 也不致被立即破壞， 安全性更高。

    3 碳纖維材料與傳統材料的對比分析

    以車輛常用的電氣接線箱為例， 如果設計采用碳纖維預浸料材料， 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， 抗低溫沖擊， 生產的電氣箱體較安全。

    3. 3. 2 鋁合金性能

    常用材質， 抗低溫沖擊， 吊腳焊縫偏短， 易出現起、 收弧熔合不良缺陷， 生產過程中應重點控制焊接質量。

    3. 3. 3 碳纖維性能

    由于碳纖維復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%。由于纖維與基體復合可緩和裂紋擴展， 以及存在纖維內力再分配的可能性， 復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小， 導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下料、 折彎、 焊接、 機加工做出最終制品， 制作工藝復雜， 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， 結構本體就能實現電磁屏蔽。鋁合金是電的良導體， 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， 為了實現箱體的電磁屏蔽， 需要進行特別的處理， 目前已經使用的方法有很多， 例如：表面噴涂導電涂料等。

    為了實現良好的屏蔽效果， 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的需求， 輕量化的碳纖維產品能夠滿足車輛輕量化設計的要求， 促進軌道交通節能減排、 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用。

    隨著軌道交通行業平臺化的發展， 碳纖維產品以其獨特的性能將會在軌道交通行業得到廣泛發展。

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