針對軌道交通車輛輕量化的需求,本論文開展了滿足電磁兼容要求的逆變器變頻箱體用碳纖維復(fù)合材料的仿真設(shè)計和成型工藝研究,突破碳纖維復(fù)合材料低頻電磁防護技術(shù),推動高性能電磁防護碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛領(lǐng)域的工程化應(yīng)用。既有碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能滿足軌道車輛的要求,但是電磁屏蔽效能較差,需要提升其低頻防護性能;通過分析軌道車輛中電磁干擾的特征,提出了碳纖維復(fù)合材料電磁屏蔽一體化的防護原則并進行鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計;通過碳纖維表面磁性納米顆粒改性、碳纖維復(fù)合材料電磁仿真優(yōu)化、熱壓罐成型工藝優(yōu)化、電磁屏蔽涂層的仿真與試驗,獲得滿足軌道車輛力學(xué)性能和寬頻電磁防護性能要求的碳纖維復(fù)合材料以及寬頻高效電磁屏蔽防護涂層。主要研究工作如下:(1)針對既有碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能和電磁屏蔽性能進行了研究,結(jié)果表明:碳纖維復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能,部分性能優(yōu)于鋁合金板材(6082),但碳纖維復(fù)合材料的低頻電磁屏蔽效能較差,需要進行碳纖維改性和鋪層優(yōu)化設(shè)計,提高其低頻電磁屏蔽效能,以滿足軌道車輛電磁防護要求。(2)通過對軌道車輛電磁干擾特點的分析,結(jié)合電磁防護的設(shè)計原則,提出碳纖維復(fù)合材料的電磁性能指標要求,設(shè)計了提升其低頻防護性能的方案,結(jié)果表明:軌道車輛中低頻(100kHz)磁場危害較大,需要提高碳纖維復(fù)合材料的低頻電磁屏蔽效能才能確保車輛電磁兼容性;設(shè)計多層屏蔽材料可以獲得寬頻防護效能的電磁防護材料,首先采用磁導(dǎo)率較低且不容易飽和的材料降低低頻強磁場的強度,然后利用高導(dǎo)磁率材料進行電磁屏蔽,最終設(shè)計了不同鋪層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料以滿足軌道車輛低頻電磁防護的要求。(3)采用兩步法即水熱法和熱解法成功地制備了兩種電磁屏蔽一體化碳纖維復(fù)合材料Co3O4/CF和Co3O4/Fe2O3@CF。Co3O4/CF中Co3O4的良好磁性充分保證了其抗電磁干擾性能,疏松涂層則能降低復(fù)合材料的密度;在碳纖維上制備了磁性Co304/Fe2O3納米顆粒,疏松納米涂層有助于降低復(fù)合材料的密度。(4)研究了碳纖維復(fù)合材料的熱壓罐固化成型工藝參數(shù)(溫度、壓力)對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,復(fù)合材料內(nèi)部存在白色區(qū)域,為樹脂流動性差造成的樹脂偏聚區(qū);提高熱壓罐成型溫度或壓力改善了樹脂的流動性,使樹脂和碳纖維的浸潤更加充分,降低了復(fù)合材料內(nèi)樹脂偏聚區(qū)的數(shù)量和面積;提高熱壓罐成型溫度或壓力,有助于提高復(fù)合材料的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度;綜合分析可知復(fù)合材料熱壓罐最優(yōu)的成型工藝參數(shù):溫度150℃、壓力0.5MPa。(5)針對設(shè)計的電磁屏蔽一體化碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)和屏蔽性能進行了研究,獲得了不同鋪層結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料屏蔽效能的仿真與試驗結(jié)果:與純碳纖維復(fù)合材料的屏蔽效能相比,電磁屏蔽一體化碳纖維復(fù)合材料的低頻屏蔽效能獲得了提升;增加磁性顆粒改性碳纖維或者坡莫合金層數(shù),能進一步提高碳纖維復(fù)合材料的電磁屏蔽效能,滿足軌道車輛碳纖維復(fù)合材料電磁屏蔽性能要求。磁性顆粒改性碳纖維或坡莫合金能夠減弱、阻礙樹脂的流動,增大樹脂的偏聚傾向,破壞材料的連續(xù)性和整體性,降低復(fù)合材料的力學(xué)性能、導(dǎo)電和導(dǎo)磁性能,屏蔽效能的試驗測定值低于理論計算結(jié)果,但變化趨勢一致。(6)采用數(shù)值仿真對碳纖維復(fù)合材料用新型寬頻電磁屏蔽涂層材料體系進行仿真設(shè)計,獲得了低頻、中頻和高頻下涂層導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率和厚度對涂層材料屏蔽效能的影響規(guī)律,制備了寬頻高效電磁屏蔽防護涂層,該涂層材料實測屏蔽效能數(shù)據(jù)與仿真模擬結(jié)果相近,誤差為±4dB。本研究以提高碳纖維復(fù)合材料的低頻防護性能為出發(fā)點,以電磁防護的理論為指導(dǎo),通過復(fù)合材料的工藝參數(shù)和鋪層設(shè)計,采用仿真和試驗相結(jié)合的方法,設(shè)計和開發(fā)了滿足軌道車輛輕量化要求的低頻防護碳纖維復(fù)合材料。
【學(xué)位單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB33
【部分圖文】：

?北京交通大學(xué)博士學(xué)位論文???以達到±２?°Ｃ。山東眾泰達熱壓罐設(shè)備有限公司制造的有效尺寸為??（Ｄ８００ｍｍｘｌ０００ｍｍ的熱壓罐使用遠紅外線直接加熱，配備了熱風(fēng)循環(huán)組合裝置，??降低了罐內(nèi)溫度偏差，可以達到士ｒｃ。高玉峰等人［３９］等采用ＡＮＳＹＳ軟件，通過??數(shù)值方法模擬了熱壓罐內(nèi)部的升溫過程，并與實測數(shù)據(jù)進行對比，實測值與試驗??值的溫度誤差為＂４．５＾２°Ｃ。美國Ｂｏｅｉｎｇ標準對熱壓罐內(nèi)氣氛溫度場的均勻性進??行了規(guī)定：熱壓罐進入保溫狀態(tài)后，每約１〇４立方英尺的罐內(nèi)區(qū)域，其熱電偶檢測??值誤差不超過±５．５°Ｃ［４Ｇ］。目前，熱壓罐空載溫度場研究較為成熟，均勻性較好，己??經(jīng)形成了工程驗收化標準［４１１。??Ｐｒｅｓｓｕｒｅ?ｖｅｓｓｅｌ?Ｐｒｅｓｓｕｒｅ?ｓｙｓｔｅｍ??

Ｌｉ?Ｊｉｍ％等人利用模型研究了結(jié)構(gòu)件內(nèi)部溫度、固化度、翹曲變形以及由化學(xué)??反應(yīng)對構(gòu)件固化變形的影響。Ｇｉｌｌｈａｍ［５８】建立了樹脂的固化相圖（又稱ＴＴＴ圖），??描述了放熱反應(yīng)過程的物態(tài)轉(zhuǎn)變（如圖１－２）。在固化階段，樹脂內(nèi)存在物態(tài)變化??和體積收縮的現(xiàn)象，而固化反應(yīng)完成的程度又會直接影響復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性??能，最終導(dǎo)致了構(gòu)件的固化變形和內(nèi)部缺陷。對于厚度較大且梯度明顯的復(fù)雜構(gòu)??件，固化放熱不同會造成構(gòu)件內(nèi)溫度不均并形成溫度梯度，構(gòu)件內(nèi)部固化度分布??比較離散，最終影響了復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量。因此，在復(fù)合材料構(gòu)件的固化過程??中，應(yīng)盡量避免構(gòu)件內(nèi)部較大波動的固化度。??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??圖１－２固化相圖［５８］??Ｆｉｇ．?１－２?Ｃｕｒｉｎｇ?ｐｈａｓｅ?ｄｉａｇｒａｍ＾５８１??國內(nèi)外的科研工作者對樹脂基復(fù)合材料內(nèi)部熱力場對構(gòu)件成型質(zhì)量的影響進??行了廣泛深入的研宄，建立了預(yù)測模型研究構(gòu)件內(nèi)部的熱場，因未考慮多場耦合??對構(gòu)件固化變形的影響，所以普適性較差。??李艷霞［５９］等人研究了壓力場對熱壓罐成型工藝的影響

在１ＧＨｚ時僅比目前航空工業(yè)上使用的外層銅絲網(wǎng)低１０％。??Ｋｗｏｎ［８１］等人借助有限元軟件ＡＮＳＹＳ?ＨＦＳＳ，研究了鋼纖維增強砂漿的電磁屏??蔽效能，構(gòu)建了如圖１－６所示的三維模型。通過對不同直徑、長度和體積分數(shù)的材??料進行模擬發(fā)現(xiàn)，纖維的長度對材料的電磁屏蔽效能影響不大，較小的纖維直徑??和較大的體積分數(shù)會使材料有更好的電磁屏蔽效能，實驗結(jié)果也驗證了模擬的準??確性。????圖１－６鋼纖維填充砂漿復(fù)合材料的三維幾何模型［８１］??Ｆｉｇ．?１－６?Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ?ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｓｔｅｅｌ?ｆｉｂｅｒ?ｆｉｌｌｅｄ?ｍｏｒｔａｒ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ＾８１１??Ｍａｔｔｈｉｅｕ?ＧｒｅＳｉｌ［８２］等使用玻璃纖維代替部分碳纖維，利用法拉第籠裝置通過實??驗和數(shù)值模擬的方法研究了玻璃纖維／碳纖維填充乙烯基酯樹脂基體的電磁屏蔽效??能，并與未替代的樣本對比，結(jié)果表明，玻璃纖維／碳纖維／乙烯基酯復(fù)合材料的電??磁屏蔽效能為８２ｄＢ，與碳纖維／乙烯基醋復(fù)合材料電磁屏蔽效能接近。??Ｐａｔｒｉｚｉａ?Ｌａｍｂｅｒｔ卩８３１等人提出一種基于有限元方法和蒙特卡洛方法設(shè)計并制備??了具有優(yōu)良電磁屏蔽效能的熱解碳薄膜。研宄表明材料厚度與表面電阻是材影響??電磁屏蔽效能的兩個重要參數(shù)。曲寶龍％］利用商業(yè)有限元軟件Ａｎｓｙｓ建立了電磁??屏蔽復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)與電磁屏蔽的關(guān)系模型，模擬了石墨微片／聚丙烯復(fù)合??材料的電磁屏蔽效能，結(jié)果表明樹脂基體中形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)的微片與非連續(xù)微片相??比
【參考文獻】

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本文編號：2836211