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。