高铁用碳纤维复合材料防静电技术及标准研究

科教论文 2020-04-13 09:13185未知xhm
  摘要:随着轨道交通用热塑性碳纤维复合材料需求的增长,以重点围绕轨道交通用碳纤维增强热塑性复合材料关键技术与应用示范项目在2018年获批立项,项目以突破热塑性碳纤维复合材料的材料设计与优化、部件结构设计、快速成型成套设备关键工艺等关键技术,实现轨道交通等领域用热塑性碳纤维复合材料零部件的高效批量制造和典型应用验证。高速状态下,车体表面与干燥空气摩擦,对静电的产生创造了良好的条件,摩擦会加剧电荷集聚,当车体静电电位达到几千伏以上时,会对司乘人员有很大危害。所以碳纤维复合材料防静电技术及其标准研究,对于保障行车安全、人身安全、驾乘的舒适感,具有重要的意义。
  关键词:高铁; 碳纤维; 复合材料; 防静电; 标准;

  高速铁路在发展过程中,对结构材料轻量化、高强度、高模量等性能要求逐渐提升,高速铁路机车结构材料瞄准了碳纤维复合材料,机车在高速运行的过程中表面持续与干燥的空气摩擦,机车表面的复合材料在此过程中会经历高度,导致表面温度的大幅度变化,摩擦起电会在车辆表面沉积大量的静电电荷。当车体静电电位达到几千伏以上时,会对车上的司乘人员产生很大危害,静电放电会对车辆电气设备产生电磁干扰、造成电源和敏感器件损坏以及表面材料性能退化,严重时给行车安全带来严重威胁。
  为有效减轻高铁机车的重量,增加任务载荷的目的,可重复使用机车整机身采用先进复合材料成为必然选择。复合材料也有其自身的缺点,由于其非金属特性,所以无法达到金属所具有的良好导电性能。当遇到静电环境时,机车机身无法实现等电位而产生的静电放电,对其车辆内部的电子设备产生干扰,因而静电防护及等电位设计问题成为制约可重复使用高铁机车的环境适应性关键问题。如何有效减少静电电荷积累,科学测评材料的防静电性能,就成为了亟待解决的课题。本文针对高铁用碳纤维复合材料防静电技术及标准研究进行了讨论,为评价高速铁路的静电安全性能提供了重要依据。
  根据静电理论,不同物质间相互作用的静电起电机理不同,带电极性和带电量存在显著差别。另外,大气压、环境温湿度、风速等因素也会影响起电过程。由此可见,解决可重复使用高铁机车静电防护问题离不开对环境、材料及等电位的研究。为此,主要从以下几个方面考虑。

  1 机车带电环境研究

  机车在高速运行状态下雷击、摩擦产生的静电放电干扰,人体静电会产生高至几十千伏的电压,带静电的产品在放电时会产生放电电流,导致产品故障或损坏。高铁机车其空间带电以表面带电为主,表面带电主要与高铁机车表面材料相关,由于高铁机车材料多样,且材料导电性能有差别,以及材料二次电子特性差异等因素的影响,不同部位、不同材料具有不同的电位。
  基于气体分子运动理论,利用粒子的麦克斯韦速度分布函数对高铁机车表面电位进行求解,根据高铁机车不同材料、不同区域及不同运动情况,较为精确地计算出高铁机车表面充电表达式,静电带电数学模型可以看出,等离子体温度、材料的二次发射系数是影响充电量级的主要参数。通过对高铁运行中静电带电环境的研究可知,由于充电电压低,高铁运行环境产生的静电干扰较小,因此,高铁机车表面材料的静电特性是否能够满足静电防护需求成为研究重点。

  2 机车表面材料静电特性研究

  高铁机车在高速运行状态下,需要复合材料具有耐高温、耐腐蚀、有高比强度和高比模量及导电等优异性能。树脂基复合材料有玻璃-酚醛、高硅氧-酚醛、碳-酚醛和以不同树脂为基体的低密度烧蚀材料,导电性能差,但是碳纤维复合材料可用作高铁机车结构材料、电磁屏蔽除电材料。
  目前利用复合材料实现静电防护功能的常用方法主要有3种:(1)利用碳纤维复合材料自身导电性能;(2)复合材料表面覆金属导电膜;(3)复合材料表面覆导电涂层。可通过碳纤维高性能复合材料表面预埋金属网格和在复合材料蒙皮表面喷涂一层金属铝,以实现静电防护。
  综合考虑3种方案质量、成本、工艺实施难度,通过碳纤维复合材料作为高铁机车静电防护层,实现具有“法拉第筒”等电位静电防护设计方案是最优方案。由于碳纤维复合材料通过碳纤维浸渍环氧树脂基体而形成,因此其电阻性能不稳定,使用时需要对材料进行测试后选用,必要时可采用对碳纤维化学镀金属方法,提高复合材料的导电性和屏蔽效能。

  3 碳纤维复合材料高铁等电位设计建议

  碳纤维复合材料虽然具备传导和耗散静电电荷的功能,以及静电防护能力,但是对于高铁机车电气系统,其共地阻抗较大且各向分布不均匀,因此无法作为高铁机车接地主体。为避免形成公共阻抗干扰和接地闭合环路,准备一条接地母线连接各车厢体接地点,由接地母线去接接地极。为了减少接地引线的阻抗特别是电感,最好采用截面积大于60mm2的扁平铜排作为总接地母线,一般分支接地线也要采用截面积大于22mm2的铜导线。将接地母线与承载结构静电防护层相连,形成运载器静电防护等电位地。该方案可满足高铁机车电气设备大容量、低阻抗等电位的要求,又实现了静电防护功能。为高铁机车电子设备提供可靠、安全、抗干扰的电磁环境。

  4 碳纤维复合材料防静电性能评估

  随着我国高铁动车组的迅速发展,我国主导了很多的产品技术标准。目前中国动车组技术标准体系,涵盖了动车组基础通用、车体、走行装置、司机室布置及设备、牵引电气、制动及供风、列车网络标准、运用维修等10多个方面。大量采用中国国家标准、行业标准、中国铁路总公司企业标准等技术标准,同时采用了一批国际标准和国外先进标准,使中国标准动车组具有良好的兼容性能。列车安全标准,包括防火、防碰撞、动力学等方面,提高列车可靠性,具备失稳检测、烟火报警、轴温监控、受电弓视频监视等安全防护功能,安全防护设计更为完善。“中国标准”动车组统一了全国各动车维修基地的维修标准,为运营部门降低了成本。
  高铁用碳纤维复合材料作为新鲜事物,在应用于高铁机车结构件的同时,其相关标准也应该成为中国标准高铁动车组的一个亮点,使高铁用碳纤维复合材料成为符合高铁安全标准、节能环保、能有效降低高铁全寿命周期成本的基本材料,实现进一步提高安全冗余的作用。因此我们率先研究高铁用碳纤维复合材料结构件的防静电性能,并进行评估是对安全行车至关重要的。
  传统上认为可以通过测量材料的体电阻率、表面电阻率等来评价材料的防静电性能,但是很多材料在静电高压的强电场作用下,电阻特性随场强的变化而变化,呈现非线性的特征,因此在低压下测定的电阻率很难科学表征材料的真实防静电性能。此外,本研究中的硅基复合材料由非均质多层网状材料编织构成,试验样块的不同截取方式会对电阻测试结果产生影响。因此,单纯靠测量材料的电阻率难以全面评价其防静电性能。
  对于高铁用碳纤维复合材料结构件更适当的方法是以特定方式在被测材料表面上堆积静电电荷,同时利用快速响应的非接触式静电场强计来直接测量材料表面电位变化的方法来评价材料的静电耗散能力,即静电电荷衰减测试法。根据被测试样带电方式的不同,目前测试方法主要有电晕喷电法、摩擦法和充电法。利用充电法对碳纤维复合材料结构件的静电衰减时间进行测量的装置,由两组试样夹、高压直流电源、高压开关、非接触式静电电位计和记录仪或数字存储示波器等组成。每组试样夹由一根方形铜杆和一根方形聚四氟乙烯杆组成,两组试样夹用有机玻璃等绝缘材料平行固定于静电电位计的壳体上,使电位计的探头对准被测试样的中央。两组试样夹的铜杆位于被测试样的同一侧,都用高压线接到高压开关的中间触点,以便对被测试样的某一面进行充电或放电,测试该面的静电衰减时间。并以相关安全指标为参考,制定相关的防静电性能评估标准,执行严格的结构件检测,以保证装机后,高铁机车运行安全。

  5 结论

  经过多年发展,我国轨道交通装备尤其是高铁动车组已达到世界先进水平。目前,我国轨道交通路网扩展迅速,高铁动车组体量不断增大,复合材料的应用也更加广泛。随着复合材料在高铁动车组上的使用部位和应用面积的不断扩大,以及电气、电子设备的不断更新,复合材料电性能对高铁特性的影响也将逐渐暴露,这些问题势必会影响高铁的运行安全,也影响装备效益。因此,高铁动车组用碳纤维复合材料结构件防静电对安全行车至关重要。虽然我国在静电放电效应研究中取得了一定的成绩,但是在标准与规范方面仍然匮乏,尚无相关的顶层标准和规范。在研究中,我国通常借鉴国外的标准与规范,但其中关键指标的适应性有待进一步研究和确认。
  因此在轨道交通用碳纤维增强热塑性复合材料关键技术与应用示范项目研究的过程中,我们就应该考虑碳纤维复合材料防静电技术的设计及其标准的研究,通过标准的制定填补我国在材料静电放电标准方面的空白,不断深化理论上、方法上和应用上的研究,在建立静电放电相关的环境国家标准和实验相关国家行业标准中贡献一份力量。通过提高轨道交通装备的安全性、可靠性,进一步保障轨道交通装备有序、高效运营,为广大旅客提供更舒适的乘坐体验,给旅客出行、城市轨道交通运营及整个社会都带来积极影响。

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