碳纤维铝合金材料电搭接技术研究

范晋丽，宋旭鹏

（1.中国电子科技集团公司第三十三研究所，山西 太原 030032；2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

随着轨道交通的迅猛发展，城市轨道交通、城际轨道交通模式越来越多。近年来国家越来越注重环境治理，倡导节能减排，轨道交通作为耗能大户，面临产业化升级。为促进产业化发展，极大地推动行驶低碳化，同时体现《中国制造2025》中提出的提高制造业创新能力和基础能力，促进制造业朝高端、绿色方向发展的要求，紧跟国家节能减排战略，进一步提高能源利用效率，在车体设计和制造要求中，轻质化成为了重要关注点之一。

电搭接是指在两物体金属层之间建立一个供电流流动的低阻抗通路，通过机械或化学方法把金属物体间进行结构固定。在设计和制定具体用途的搭接指标时，对设备的干扰必须予以考虑。另外一个重要的方面是选择搭接件的物理特性，诸如尺寸、强度、抗疲劳性、防腐蚀能力、电阻率和温度系数等[1-2]。设计的搭接应确保当设备处于其规范要求的环境条件时，搭接性能不发生恶劣变化[3]。

对于具体的搭接点而言，其电阻的极限值与流过该通路电流有关。例如，在仅用来防止静电电荷的场合，等于或大于50 kΩ 的电阻值仍然是允许的[4]。但是在涉及到雷电放电或强大故障电流的连接点时，则其通路的电阻必须非常低，以降低其热效应。为尽量降低噪声要求设计低于10 Ω 的通路电阻和1 mΩ 高质量的搭接电阻[5]。

碳纤维材料与不锈钢或铝合金等金属材料相比，导电率、导磁率等电磁特性存在一定的差异，所以车体外壳不能视为理想基准电位，需在碳纤维车体内进行相对独立的接地网络设计[6]。充分考虑车体空间结构、地线安装工艺、接地线长度要求、公共阻抗匹配、电荷泄放途径、系统地线回路等要素对整车系统接地性能的影响，顾及各要素的硬性要求和机车本身的特殊性[7-8]，通过整车车体嵌入式金属接地网络设计，接地网络采用“笼式”布局，在碳纤维车体上预埋金属螺柱固定连接，用电器和电器设备就近连接到车厢内和车厢下的接地网络上[9-10]，车厢内和车厢下接地网络通过导流体连接在一起，提高车体导电性能[11-12]。本文就关键的车体结构拼接处电搭接的设计及验证进行研究，另外还对接地网络间的搭接结果进行分析。

1 电搭接试验方法

选用直流电阻仪作为测试设备，如图1 所示，利用直流电阻仪对A 点到B 点的阻抗进行测量[13]，读取直流阻抗值R2。考虑连接电缆（a+b）的阻抗，连接电缆a 和b，读取阻抗值R1；A、B 点间的直流阻抗为R=R2-R1。

图1 测试连接图

参照GBT 21413.1—2000 铁路应用-机车车辆电气设备-第1 部分：一般使用条件和通用规则和EN50153铁路应用-机车车辆-电气危害防护的规定要求：接地排各点搭接电阻≤0.5 mΩ；碳纤维铝合金搭接部位小于≤5 mΩ 为依据。

2 典型结果及分析

碳纤维车体材料采用“三明治”夹心结构，2 层碳纤维中间夹铜网增加导电性[14-15]。

样品1 车顶碳纤维蒙皮与蒙皮导电搭接设计，为增加连接部位导电，蒙皮连接面部位将表面碳纤维打磨，使铜网导电层外露，采用0.1～0.2 mm 厚、30～50 mm 宽铜片，通过拉铆方式固定在铜网一侧，为保障导电性，在蒙皮打磨完涂刷导电胶层后压上铜片，蒙皮之间空隙用导电胶填充，如图2 所示。

图2 样品1 结构示意图

样品2 碳纤维侧蒙皮和铝合金边梁附件搭接，为增加连接部位导电，将蒙皮连接面部位表面打磨，使铜网导电层外露，后采用0.1～0.2 mm 厚、30～50 mm 宽U 型铜片，通过拉铆方式一边固定在铜网一侧，另一边固定在蒙皮和边梁附件之间，为保障导电性，在蒙皮打磨完涂刷导电胶层再压上铜片，如图3 所示。

图3 样品2 结构示意图

样品3 碳纤维蒙皮和铝合金车体搭接，将蒙皮连接部位表面打磨露出铜网，连接部位缝隙中垫上金属垫块，靠近铜网面涂刷导电胶，用紧固螺栓穿过垫块，紧固以保障可靠的电连接，缝隙用密封胶填充，如图4 所示。

图4 样品3 结构示意图

按照样品1、2、3 在实际车体上的结构形态，制作3块长500 mm 便于测量搭接阻抗的样板，表1 为样板不同位置点的测试结果。

表1 碳纤维铝合金搭接电阻测试数据

独立接地网络中铝合金排的搭接方式及结构影响其电阻值，对不同状态、工艺设计下的铝合金排进行测量，得到的数据见表2。

表2 铝合金接地排直流电阻测试结果

3 结果分析

由于测量方法及设备测量误差，短距离金属间电阻值几乎为0。样板1 中碳纤维与碳纤维板间的搭接电阻分别为4.15 mΩ、3.98 mΩ，与近点电阻小远点电阻大相符合；样板2、3 中搭接点和铝合金测量点间电阻分别为3.87 mΩ、1.87 mΩ 及2.83 mΩ、2.28 mΩ。结果表明碳纤维板与碳纤维板间、碳纤维板与铝合金间所有搭接点电阻值均小于5 mΩ，符合铁路应用中机车车辆电气危害防护的规定，证明碳纤维车体材料采用的“三明治”夹心结构增加了碳纤维板的导电性，在实际列车车体结构设计中可以满足电气安全的要求。

测试的铝合金排样品中搭接直流电阻都小于标准的接触电阻值5 mΩ，符合标准的要求。铝排打磨与否基本不影响接触电阻；铆接拉力不如螺接，接触电阻明显偏大20%多；每多一个螺栓接点，接触电阻增大5%～10%；螺接之间涂银导电胶后，接触电阻减小5%～10%；理论上一米铝排电阻为0.39 mΩ，实际测试点970 mm；铝的电阻率为4×10-8Ω·m，实际测试数据值符合理论值。