1 碳纤维材料的介绍

  碳纤维是由有机纤维如粘胶纤维、 聚丙烯晴纤维或沥青基纤维在保护气氛下热处理碳化成为含碳量 90% －100%的纤维。碳纤维复合材料主要包括以下几类：碳纤维增强树脂基复合材料、 C/C 复合材料、 碳纤维增强金属基复合材料（CFＲM）、 碳纤维增强陶瓷复合材料、 碳纤维增强橡胶复合材料等。碳纤维复合材料（CFＲP）作为一种先进的复合材料， 具有重量轻、 模量高、 比强度大、 热膨胀系数低、 耐高温、 耐热冲击、 耐腐蚀、 吸振性好等一系列优点， 在航空航天、 汽车、 新能源、 医疗器械、 文体休闲等领域已有广泛应用。

  2 碳纤维材料在轨道交通行业的应用前景

  近些年， 轨道交通行业飞速发展， 低碳环保的要求也随着行业的发展被迫切需求。为了实现低碳环保的目标， 车辆减重已经迫在眉睫， 传统材料的应用已经无法达到显著的效果， 碳纤维材料以其重量轻、 强度大、 耐高温、 耐冲击、 耐腐蚀的优质特性被广泛关注。碳纤维材料具体性能如下：

  （1）耐腐蚀性能、 耐候性：可极好地解决潮湿环境及气候循环变化对金属等材质产生的腐蚀问题。不仅延长了结构及设备的使用寿命， 且不需采取防腐、 防锈等防护措施， 全寿命周期基本免维护， 减少了维修费用及运营维护工作量。

  （2）电性能：可有效阻止轨道交通设备在杂散电流等作用下的电化腐蚀， 保证结构的耐久性。

  （3）热稳定性：复合材料制品的导热系数只有钢铁的 1/100 －1/200， 是优良的绝热材料。

  （4）耐蠕变、 消声的作用：可极好的达到材料耐蠕变效果， 同时产品的消声效果也非常明显， 可降低环境中的噪声。

  （5）可设计性：结构件在使用中如存在需要改进的问题， 可通过调整材料配比方法弥补产品生产或使用中出现的某一方面性能的弱点， 进而设计出最优产品。

  （6）优异的防火性能：复合材料优异的防火性能可很好的满足轨道交通火灾等意外情况。

  （7）高疲劳强度和低缺口敏感度：疲劳特性是涉及安全性的主要问题。高应力领域若有失效， 很多是因为动态承载结构件超过了疲劳强度而致使其破坏。在复合材料中， 力被转移到邻近层，因此缺口的影响大大降低。由于复合材料对扩展裂纹的敏感度很低， 即使出现损伤， 也不致被立即破坏， 安全性更高。

  3 碳纤维材料与传统材料的对比分析

  以车辆常用的电气接线箱为例， 如果设计采用碳纤维预浸料材料， 成型方案采用袋压高温成型方案。从重量、 成本、 性能等多方面进行对比分析如下：

  3. 1 电气接线箱重量对比

  由上表三种材料的电气接线箱质量对比可以看出， 碳纤维电气接线箱重量约为铝电气接线箱的 73. 5%， 约为不锈钢电气接线箱的 33. 8%， 减重效果比较明显。

  3. 2 电气接线箱成本对比

  此碳纤维电气接线箱每个成本价格约为 7500 －9000 元左右，模具费用大约 3 万元左右。

  3. 3 电气接线箱箱体机械性能对比

  3. 3. 1 不锈钢性能

  常用材质， 抗低温冲击， 生产的电气箱体较安全。

  3. 3. 2 铝合金性能

  常用材质， 抗低温冲击， 吊脚焊缝偏短， 易出现起、 收弧熔合不良缺陷， 生产过程中应重点控制焊接质量。

  3. 3. 3 碳纤维性能

  由于碳纤维复合材料本身性能特点， 碳纤维接线箱耐酸性好，对酸呈惰性， 能耐浓盐酸、 磷酸、 硫酸等侵蚀， 此外碳纤维接线箱还可耐油、 抗辐射。

  碳纤维电气接线箱疲劳强度高于不锈钢和铝接线箱。金属材料在交变应力作用下， 疲劳极限仅为静荷强度的 30% ～ 40%。由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展， 以及存在纤维内力再分配的可能性， 复合材料的疲劳极限较高， 约为静荷强度的 70% ～ 80%，并在破坏前有变形显著的征兆。

  碳纤维接线箱的热膨胀系数小， 导热率随温度升高而下降， 耐骤冷、 急热， 高低温变化中碳纤维接线箱尺寸基本不会发生变化。

  3. 4 电气接线箱加工工艺对比

  不锈钢、 铝接线箱均需板材经下料、 折弯、 焊接、 机加工做出最终制品， 制作工艺复杂， 碳纤维电气接线箱箱体采用钢模组合式模具， 可一体成型出箱体主体部分， 无需拼接， 部分开孔可由模具直接成型出来， 减少了加工过程。碳纤维制件的铣削、 开孔等加工工艺与金属件相似， 可采用金属通用加工设备加工。

  3. 5 电气接线箱电气性能对比

  3. 5. 1 不锈钢、 铝合金抗干扰

  性能：作为金属材料， 结构本体就能实现电磁屏蔽。铝合金是电的良导体， 对高阻抗电场有很好的屏蔽作用， 但对低阻抗磁场的屏蔽却不够理想；不锈钢却对低阻抗磁场有很好的屏蔽作用。

  3. 5. 2 碳纤维材料抗干扰性

  碳纤维作为非金属材料， 为了实现箱体的电磁屏蔽， 需要进行特别的处理， 目前已经使用的方法有很多， 例如：表面喷涂导电涂料等。

  为了实现良好的屏蔽效果， 又能施工方便， 我们采用了在碳纤维材料中贴金属箔的方式， 并将金属箔引出接到车体底架， 最终通过车体底架与车体接地装置连接接到大地。

  4 结论

  碳纤维材料从加工工艺方面、 机械性能方面能够满足轨道交通行业的需求， 轻量化的碳纤维产品能够满足车辆轻量化设计的要求， 促进轨道交通节能减排、 提高运营能力， 减少能耗。但是考虑到成本因素、 电气性能适用性等因素目前还未得到广泛应用。

  随着轨道交通行业平台化的发展， 碳纤维产品以其独特的性能将会在轨道交通行业得到广泛发展。