轨道车辆用碳纤维复合材料电磁屏蔽结构设计及仿真与试验研究

发布时间：2020-10-11 06:28

　　 针对轨道交通车辆轻量化的需求,本论文开展了满足电磁兼容要求的逆变器变频箱体用碳纤维复合材料的仿真设计和成型工艺研究,突破碳纤维复合材料低频电磁防护技术,推动高性能电磁防护碳纤维复合材料在轨道车辆领域的工程化应用。既有碳纤维复合材料的力学性能满足轨道车辆的要求,但是电磁屏蔽效能较差,需要提升其低频防护性能;通过分析轨道车辆中电磁干扰的特征,提出了碳纤维复合材料电磁屏蔽一体化的防护原则并进行铺层结构设计;通过碳纤维表面磁性纳米颗粒改性、碳纤维复合材料电磁仿真优化、热压罐成型工艺优化、电磁屏蔽涂层的仿真与试验,获得满足轨道车辆力学性能和宽频电磁防护性能要求的碳纤维复合材料以及宽频高效电磁屏蔽防护涂层。主要研究工作如下:(1)针对既有碳纤维复合材料的力学性能和电磁屏蔽性能进行了研究,结果表明:碳纤维复合材料具有良好的力学性能,部分性能优于铝合金板材(6082),但碳纤维复合材料的低频电磁屏蔽效能较差,需要进行碳纤维改性和铺层优化设计,提高其低频电磁屏蔽效能,以满足轨道车辆电磁防护要求。(2)通过对轨道车辆电磁干扰特点的分析,结合电磁防护的设计原则,提出碳纤维复合材料的电磁性能指标要求,设计了提升其低频防护性能的方案,结果表明:轨道车辆中低频(100kHz)磁场危害较大,需要提高碳纤维复合材料的低频电磁屏蔽效能才能确保车辆电磁兼容性;设计多层屏蔽材料可以获得宽频防护效能的电磁防护材料,首先采用磁导率较低且不容易饱和的材料降低低频强磁场的强度,然后利用高导磁率材料进行电磁屏蔽,最终设计了不同铺层结构的碳纤维复合材料以满足轨道车辆低频电磁防护的要求。(3)采用两步法即水热法和热解法成功地制备了两种电磁屏蔽一体化碳纤维复合材料Co3O4/CF和Co3O4/Fe2O3@CF。Co3O4/CF中Co3O4的良好磁性充分保证了其抗电磁干扰性能,疏松涂层则能降低复合材料的密度;在碳纤维上制备了磁性Co304/Fe2O3纳米颗粒,疏松纳米涂层有助于降低复合材料的密度。(4)研究了碳纤维复合材料的热压罐固化成型工艺参数(温度、压力)对复合材料力学性能的影响规律。研究结果表明,复合材料内部存在白色区域,为树脂流动性差造成的树脂偏聚区;提高热压罐成型温度或压力改善了树脂的流动性,使树脂和碳纤维的浸润更加充分,降低了复合材料内树脂偏聚区的数量和面积;提高热压罐成型温度或压力,有助于提高复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度;综合分析可知复合材料热压罐最优的成型工艺参数:温度150℃、压力0.5MPa。(5)针对设计的电磁屏蔽一体化碳纤维复合材料的力学和屏蔽性能进行了研究,获得了不同铺层结构碳纤维复合材料屏蔽效能的仿真与试验结果:与纯碳纤维复合材料的屏蔽效能相比,电磁屏蔽一体化碳纤维复合材料的低频屏蔽效能获得了提升;增加磁性颗粒改性碳纤维或者坡莫合金层数,能进一步提高碳纤维复合材料的电磁屏蔽效能,满足轨道车辆碳纤维复合材料电磁屏蔽性能要求。磁性颗粒改性碳纤维或坡莫合金能够减弱、阻碍树脂的流动,增大树脂的偏聚倾向,破坏材料的连续性和整体性,降低复合材料的力学性能、导电和导磁性能,屏蔽效能的试验测定值低于理论计算结果,但变化趋势一致。(6)采用数值仿真对碳纤维复合材料用新型宽频电磁屏蔽涂层材料体系进行仿真设计,获得了低频、中频和高频下涂层导电率、导磁率和厚度对涂层材料屏蔽效能的影响规律,制备了宽频高效电磁屏蔽防护涂层,该涂层材料实测屏蔽效能数据与仿真模拟结果相近,误差为±4dB。本研究以提高碳纤维复合材料的低频防护性能为出发点,以电磁防护的理论为指导,通过复合材料的工艺参数和铺层设计,采用仿真和试验相结合的方法,设计和开发了满足轨道车辆轻量化要求的低频防护碳纤维复合材料。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

?北京交通大学博士学位论文???以达到±２?°Ｃ。山东众泰达热压罐设备有限公司制造的有效尺寸为??（Ｄ８００ｍｍｘｌ０００ｍｍ的热压罐使用远红外线直接加热，配备了热风循环组合装置，??降低了罐内温度偏差，可以达到士ｒｃ。高玉峰等人［３９］等采用ＡＮＳＹＳ软件，通过??数值方法模拟了热压罐内部的升温过程，并与实测数据进行对比，实测值与试验??值的温度误差为＂４．５＾２°Ｃ。美国Ｂｏｅｉｎｇ标准对热压罐内气氛温度场的均匀性进??行了规定：热压罐进入保温状态后，每约１〇４立方英尺的罐内区域，其热电偶检测??值误差不超过±５．５°Ｃ［４Ｇ］。目前，热压罐空载温度场研究较为成熟，均匀性较好，己??经形成了工程验收化标准［４１１。??Ｐｒｅｓｓｕｒｅ?ｖｅｓｓｅｌ?Ｐｒｅｓｓｕｒｅ?ｓｙｓｔｅｍ??

Ｌｉ?Ｊｉｍ％等人利用模型研究了结构件内部温度、固化度、翘曲变形以及由化学??反应对构件固化变形的影响。Ｇｉｌｌｈａｍ［５８】建立了树脂的固化相图（又称ＴＴＴ图），??描述了放热反应过程的物态转变（如图１－２）。在固化阶段，树脂内存在物态变化??和体积收缩的现象，而固化反应完成的程度又会直接影响复合材料构件的力学性??能，最终导致了构件的固化变形和内部缺陷。对于厚度较大且梯度明显的复杂构??件，固化放热不同会造成构件内温度不均并形成温度梯度，构件内部固化度分布??比较离散，最终影响了复合材料构件的质量。因此，在复合材料构件的固化过程??中，应尽量避免构件内部较大波动的固化度。??Ｉ?ｉ?＂＾＾－＾ａｒｂｏｎｉｚｉｎｇ?ｒｅｇｉｏｎ??、Ｒｕｂｂｅｒｙ?ｒｅｇｉｏｎ??＾?Ｔｉ〇〇ｉ????Ｓ?Ｖ?（ｖＴｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ??２?＼?Ｉ??＾?、?＼?Ｉ?Ｇｌａｓｓ?ｓｔａｔｅ?ａｒｅａ??Ｂ?Ｇｅｌａｔｉｏ＾?ｘ?＼?／??｜ｇｅｌ＾???ｕ?、????＾〇ｌ?Ｉ?）??Ｕｎｓｅｔ?ｇｅｌａｔｉｎ?ｒｅｇｉｏｎ?????＾??Ｌｏｇａｒｉｔｈｍ?ｏｆ?Ｔｉｍｅ??图１－２固化相图［５８］??Ｆｉｇ．?１－２?Ｃｕｒｉｎｇ?ｐｈａｓｅ?ｄｉａｇｒａｍ＾５８１??国内外的科研工作者对树脂基复合材料内部热力场对构件成型质量的影响进??行了广泛深入的研宄，建立了预测模型研究构件内部的热场，因未考虑多场耦合??对构件固化变形的影响，所以普适性较差。??李艳霞［５９］等人研究了压力场对热压罐成型工艺的影响

在１ＧＨｚ时仅比目前航空工业上使用的外层铜丝网低１０％。??Ｋｗｏｎ［８１］等人借助有限元软件ＡＮＳＹＳ?ＨＦＳＳ，研究了钢纤维增强砂浆的电磁屏??蔽效能，构建了如图１－６所示的三维模型。通过对不同直径、长度和体积分数的材??料进行模拟发现，纤维的长度对材料的电磁屏蔽效能影响不大，较小的纤维直径??和较大的体积分数会使材料有更好的电磁屏蔽效能，实验结果也验证了模拟的准??确性。????图１－６钢纤维填充砂浆复合材料的三维几何模型［８１］??Ｆｉｇ．?１－６?Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ?ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｓｔｅｅｌ?ｆｉｂｅｒ?ｆｉｌｌｅｄ?ｍｏｒｔａｒ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ＾８１１??Ｍａｔｔｈｉｅｕ?ＧｒｅＳｉｌ［８２］等使用玻璃纤维代替部分碳纤维，利用法拉第笼装置通过实??验和数值模拟的方法研究了玻璃纤维／碳纤维填充乙烯基酯树脂基体的电磁屏蔽效??能，并与未替代的样本对比，结果表明，玻璃纤维／碳纤维／乙烯基酯复合材料的电??磁屏蔽效能为８２ｄＢ，与碳纤维／乙烯基醋复合材料电磁屏蔽效能接近。??Ｐａｔｒｉｚｉａ?Ｌａｍｂｅｒｔ卩８３１等人提出一种基于有限元方法和蒙特卡洛方法设计并制备??了具有优良电磁屏蔽效能的热解碳薄膜。研宄表明材料厚度与表面电阻是材影响??电磁屏蔽效能的两个重要参数。曲宝龙％］利用商业有限元软件Ａｎｓｙｓ建立了电磁??屏蔽复合材料微观组织结构与电磁屏蔽的关系模型，模拟了石墨微片／聚丙烯复合??材料的电磁屏蔽效能，结果表明树脂基体中形成连续网络的微片与非连续微片相??比
【参考文献】

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本文编号：2836211