碳纖維鋁合金材料電搭接技術研究

范晉麗，宋旭鵬

（1.中國電子科技集團公司第三十三研究所，山西 太原 030032；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

隨著軌道交通的迅猛發展，城市軌道交通、城際軌道交通模式越來越多。近年來國家越來越注重環境治理，倡導節能減排，軌道交通作為耗能大戶，面臨產業化升級。為促進產業化發展，極大地推動行駛低碳化，同時體現《中國制造2025》中提出的提高制造業創新能力和基礎能力，促進制造業朝高端、綠色方向發展的要求，緊跟國家節能減排戰略，進一步提高能源利用效率，在車體設計和制造要求中，輕質化成為了重要關注點之一。

電搭接是指在兩物體金屬層之間建立一個供電流流動的低阻抗通路，通過機械或化學方法把金屬物體間進行結構固定。在設計和制定具體用途的搭接指標時，對設備的干擾必須予以考慮。另外一個重要的方面是選擇搭接件的物理特性，諸如尺寸、強度、抗疲勞性、防腐蝕能力、電阻率和溫度系數等[1-2]。設計的搭接應確保當設備處于其規范要求的環境條件時，搭接性能不發生惡劣變化[3]。

對于具體的搭接點而言，其電阻的極限值與流過該通路電流有關。例如，在僅用來防止靜電電荷的場合，等于或大于50 kΩ 的電阻值仍然是允許的[4]。但是在涉及到雷電放電或強大故障電流的連接點時，則其通路的電阻必須非常低，以降低其熱效應。為盡量降低噪聲要求設計低于10 Ω 的通路電阻和1 mΩ 高質量的搭接電阻[5]。

碳纖維材料與不銹鋼或鋁合金等金屬材料相比，導電率、導磁率等電磁特性存在一定的差異，所以車體外殼不能視為理想基準電位，需在碳纖維車體內進行相對獨立的接地網絡設計[6]。充分考慮車體空間結構、地線安裝工藝、接地線長度要求、公共阻抗匹配、電荷泄放途徑、系統地線回路等要素對整車系統接地性能的影響，顧及各要素的硬性要求和機車本身的特殊性[7-8]，通過整車車體嵌入式金屬接地網絡設計，接地網絡采用“籠式”布局，在碳纖維車體上預埋金屬螺柱固定連接，用電器和電器設備就近連接到車廂內和車廂下的接地網絡上[9-10]，車廂內和車廂下接地網絡通過導流體連接在一起，提高車體導電性能[11-12]。本文就關鍵的車體結構拼接處電搭接的設計及驗證進行研究，另外還對接地網絡間的搭接結果進行分析。

1 電搭接試驗方法

選用直流電阻儀作為測試設備，如圖1 所示，利用直流電阻儀對A 點到B 點的阻抗進行測量[13]，讀取直流阻抗值R2。考慮連接電纜（a+b）的阻抗，連接電纜a 和b，讀取阻抗值R1；A、B 點間的直流阻抗為R=R2-R1。

圖1 測試連接圖

參照GBT 21413.1—2000 鐵路應用-機車車輛電氣設備-第1 部分：一般使用條件和通用規則和EN50153鐵路應用-機車車輛-電氣危害防護的規定要求：接地排各點搭接電阻≤0.5 mΩ；碳纖維鋁合金搭接部位小于≤5 mΩ 為依據。

2 典型結果及分析

碳纖維車體材料采用“三明治”夾心結構，2 層碳纖維中間夾銅網增加導電性[14-15]。

樣品1 車頂碳纖維蒙皮與蒙皮導電搭接設計，為增加連接部位導電，蒙皮連接面部位將表面碳纖維打磨，使銅網導電層外露，采用0.1～0.2 mm 厚、30～50 mm 寬銅片，通過拉鉚方式固定在銅網一側，為保障導電性，在蒙皮打磨完涂刷導電膠層后壓上銅片，蒙皮之間空隙用導電膠填充，如圖2 所示。

圖2 樣品1 結構示意圖

樣品2 碳纖維側蒙皮和鋁合金邊梁附件搭接，為增加連接部位導電，將蒙皮連接面部位表面打磨，使銅網導電層外露，后采用0.1～0.2 mm 厚、30～50 mm 寬U 型銅片，通過拉鉚方式一邊固定在銅網一側，另一邊固定在蒙皮和邊梁附件之間，為保障導電性，在蒙皮打磨完涂刷導電膠層再壓上銅片，如圖3 所示。

圖3 樣品2 結構示意圖

樣品3 碳纖維蒙皮和鋁合金車體搭接，將蒙皮連接部位表面打磨露出銅網，連接部位縫隙中墊上金屬墊塊，靠近銅網面涂刷導電膠，用緊固螺栓穿過墊塊，緊固以保障可靠的電連接，縫隙用密封膠填充，如圖4 所示。

圖4 樣品3 結構示意圖

按照樣品1、2、3 在實際車體上的結構形態，制作3塊長500 mm 便于測量搭接阻抗的樣板，表1 為樣板不同位置點的測試結果。

表1 碳纖維鋁合金搭接電阻測試數據

獨立接地網絡中鋁合金排的搭接方式及結構影響其電阻值，對不同狀態、工藝設計下的鋁合金排進行測量，得到的數據見表2。

表2 鋁合金接地排直流電阻測試結果

3 結果分析

由于測量方法及設備測量誤差，短距離金屬間電阻值幾乎為0。樣板1 中碳纖維與碳纖維板間的搭接電阻分別為4.15 mΩ、3.98 mΩ，與近點電阻小遠點電阻大相符合；樣板2、3 中搭接點和鋁合金測量點間電阻分別為3.87 mΩ、1.87 mΩ 及2.83 mΩ、2.28 mΩ。結果表明碳纖維板與碳纖維板間、碳纖維板與鋁合金間所有搭接點電阻值均小于5 mΩ，符合鐵路應用中機車車輛電氣危害防護的規定，證明碳纖維車體材料采用的“三明治”夾心結構增加了碳纖維板的導電性，在實際列車車體結構設計中可以滿足電氣安全的要求。

測試的鋁合金排樣品中搭接直流電阻都小于標準的接觸電阻值5 mΩ，符合標準的要求。鋁排打磨與否基本不影響接觸電阻；鉚接拉力不如螺接，接觸電阻明顯偏大20%多；每多一個螺栓接點，接觸電阻增大5%～10%；螺接之間涂銀導電膠后，接觸電阻減小5%～10%；理論上一米鋁排電阻為0.39 mΩ，實際測試點970 mm；鋁的電阻率為4×10-8Ω·m，實際測試數據值符合理論值。