碳纖維復(fù)合材料層合板小電流伏安特性的測量方法及測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于碳纖維復(fù)合材料層合板小電流伏安特性的測量，特別涉及航空航天用碳纖維復(fù)合材料層合板小電流伏安特性的測量方法及測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維復(fù)合材料既具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕等特性，又具有紡織纖維的柔軟可加工性，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事及民用工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)的改進(jìn)和碳纖維復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)步，碳纖維增強(qiáng)型聚合物復(fù)合材料CFRP(CarbonFiber Reinforced Polymers)在大型民用飛機(jī)、軍用飛機(jī)、無人機(jī)及隱形飛機(jī)上的用量不斷增長，從1960年麥道公司DC-9機(jī)型上CFRP的用量不足I %，到2011年末波音B787的主翼、尾翼、機(jī)體、地板等結(jié)構(gòu)的50%用的是CFRP材料，預(yù)計(jì)2014年中期投入運(yùn)行的空客A350XWA上CFRP材料所占的比例達(dá)到53 %。
[0003]相比較飛機(jī)中傳統(tǒng)使用的招、鋼和鈦合金材料，CFRP的電傳導(dǎo)性能差。一般來講，CFRP層合板經(jīng)向方向的電阻率為10 5 Ω.πι量級、橫向平面方向的電阻率為11Q.πι量級、深度/厚度方向的電阻率更大。這就使得CFRP層合板在雷擊情況下無法像金屬材料那樣具有短時(shí)間使積累的電荷迅速轉(zhuǎn)移或擴(kuò)散的能力，這部分積聚的能量以焦耳熱的形式使得CFRP溫度急劇升高，從而導(dǎo)致CFRP的纖維斷裂、樹脂熱解、深度分層等嚴(yán)重?fù)p傷。
[0004]自CFRP問世以來，諸多學(xué)者就將研究熱點(diǎn)集中在其機(jī)械特性的研究方面，得出了機(jī)械沖擊參量與CFRP的抗拉伸強(qiáng)度、抗壓縮強(qiáng)度及損傷區(qū)域和損傷深度之間的關(guān)系規(guī)律。但是，雷電對飛機(jī)的直接效應(yīng)包含著大電流引發(fā)的高壓沖擊波、磁場力及焦耳熱效應(yīng)，因此，雷電對碳纖維復(fù)合材料層合板的雷擊損傷作用與機(jī)械沖擊損傷存在著巨大差異。美國機(jī)動工程師協(xié)會SAE、美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL STD和歐洲民航組織EUR0CAE對飛機(jī)及其部件的雷電直接效應(yīng)的試驗(yàn)波形和試驗(yàn)方法做了詳細(xì)規(guī)定，但碳纖維復(fù)合材料層合板雷電直接效應(yīng)的試驗(yàn)波形和試驗(yàn)方法并未作出規(guī)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種碳纖維復(fù)合材料層合板小電流伏安特性的測量方法及測量裝置，克服現(xiàn)有固體絕緣材料三電極測試方法不能準(zhǔn)確測量半導(dǎo)電型碳纖維復(fù)合材料的體電阻和面電阻的顯著缺陷，可以獲得碳纖維復(fù)合材料層合板在直流小電流區(qū)域的非線性伏安特性，同時(shí)還可以獲得碳纖維復(fù)合材料的體電阻特性，為碳纖維復(fù)合材料層合板雷電直接效應(yīng)的試驗(yàn)波形和試驗(yàn)方法的制定提供依據(jù)。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明的裝置包括可調(diào)直流電源以及設(shè)置在可調(diào)直流電源高壓輸出端的限流電阻，限流電阻的另一端通過圓盤電極A與被試碳纖維復(fù)合材料層合板的一端面連接，被測試碳纖維復(fù)合材料層合板的另一端與圓柱電極B相連；在圓柱電極B的外側(cè)還設(shè)計(jì)有與被試碳纖維復(fù)合材料層合板相連的圓環(huán)形電極C，圓柱電極B通過第一電阻R1接可調(diào)直流電源的低壓端并接參考地，圓環(huán)形電極C通過第二電阻R2與可調(diào)直流電源的低壓端相連并接參考地，在圓柱形電極B與參考地之間接有第一電壓傳感器；在圓盤電極B與參考地之間接有第二電壓傳感器，在圓環(huán)形電極C與參考地之間接有第三電壓傳感器，第一、第二、第三電壓傳感器組成的電壓取樣單元的輸出接計(jì)算機(jī)測控與分析單元。
[0008]所述的計(jì)算機(jī)測控與分析單元包括依次相連的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收來自第一、第二、第三電壓傳感器的信號，并將接收到的模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號后傳遞給計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算得到通過被試碳纖維復(fù)合材料層合板的電流信號和兩端的電壓信號和面電流信號，同時(shí)，D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出模擬信號控制可調(diào)直流電源的輸出電壓。
[0009]本發(fā)明的測量方法，包括以下步驟:
[0010]I)將被試碳纖維復(fù)合材料層合板安裝在圓盤電極A與圓柱電極B、圓環(huán)形電極C之間；
[0011]2)在計(jì)算機(jī)人機(jī)交互顯示界面上輸入碳纖維復(fù)合材料層合板直流小電流伏安特性的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，包括起始電流值或最小I1、終止電流值In、電流級差A(yù)l即兩個(gè)電流等級之間的差值、限流電阻的阻值以及可調(diào)直流電源輸出電壓的上升速率V;
[0012]3)計(jì)算機(jī)測控與分析單元按照事先設(shè)定的電壓上升速率V，通過計(jì)算機(jī)測控與分析單元的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出相應(yīng)的模擬電壓值至可調(diào)直流電源的輸入端，當(dāng)通過被測試品碳纖維復(fù)合材料的電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的初始電流值^時(shí)，停止升壓，并將此時(shí)對應(yīng)的電壓取樣單元的第一、第二、第三電壓傳感器的模擬量通過計(jì)算機(jī)測控與分析單元的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后傳給計(jì)算機(jī)測控與分析單元的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到初始電流^及對應(yīng)的被測試碳纖維復(fù)合材料層合板兩端的電壓U工和被測試碳纖維復(fù)合材料層合板⑶的面電流Isl;
[0013]4)繼續(xù)通過計(jì)算機(jī)測控與分析單元的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出控制使可調(diào)直流電源I的輸出電壓升高，使得通過被試碳纖維復(fù)合材料層合板的電流達(dá)到(I1+A I)時(shí)，停止升壓，并將此時(shí)第一、第二電壓傳感器的模擬量通過計(jì)算機(jī)測控與分析單元的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后傳給計(jì)算機(jī)測控與分析單元的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到電流I2(+A I)及對應(yīng)的被試碳纖維復(fù)合材料層合板兩端的電壓U2和被測試碳纖維復(fù)合材料層合板(3)的面電流Is2;
[0014]5)重復(fù)步驟4)直到通過被試碳纖維復(fù)合材料層合板的電流達(dá)到In和被測試碳纖維復(fù)合材料層合板(3)的面電流Isn為止；
[0015]6)將得到的一組電流-電壓值(I1, U1)、(I2, U2)……(In，Un)連接起來得到被試碳纖維復(fù)合材料層合板直流小電流下的伏安特性曲線；
[0016]7)根據(jù)得到的一組電流-電壓值(I1, U1)、(I2, U2)……(In，Un)，采用數(shù)值擬合方法得到被試碳纖維復(fù)合材料層合板的電壓-電流(伏-安)關(guān)系表達(dá)式。
[0017]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0018]本發(fā)明的可調(diào)直流電源的輸出由計(jì)算機(jī)測控與分析單元通過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制，三個(gè)電壓傳感器的輸出通過12或16位高分辨率的A/D模數(shù)采集單元，通過被試碳纖維復(fù)合材料層合板的電流為電壓傳感器上的電壓除以電阻R1阻值，電壓傳感器測得的電壓差即為被試碳纖維復(fù)合材料層合板兩端的電壓。通過計(jì)算機(jī)測控與分析單元改變可調(diào)直流電源的電壓輸出就可以獲得一組被試碳纖維復(fù)合材料層合板兩端的電壓與通過的電流值，從而獲得被試碳纖維復(fù)合材料層合板直流小電流下的伏安特性曲線及非線性系數(shù)。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的航空航天用碳纖維復(fù)合材料層合板小電流特性的三電極測試方法和測試裝置的組成框圖；
[0020]圖2是本發(fā)明的航空航天用碳纖維復(fù)合材料層合板小電流特性的三電極測試方法和測試裝置的計(jì)算機(jī)測控與分析單元組成框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0022]參見圖1，本發(fā)明的測試裝置可調(diào)直流電源I以及設(shè)置在可調(diào)直流電源I高壓輸出端的限流電阻2，限流電阻2的另一端通過圓盤電極A與被試碳纖維復(fù)合材料層合板3的一端面連接，被測試碳纖維復(fù)合材料層合板3的另一端與圓柱電極B相連；在圓柱電極B的外側(cè)還設(shè)計(jì)有與被試碳纖維復(fù)合材料層合板3相連的圓環(huán)形電極C，圓柱電極B通過第一電阻札接可調(diào)直流電源I的低壓端并接參考地，圓環(huán)形電極C通過第二電阻1?2與可調(diào)直流電源I的低壓端相連并接參考地，在圓柱形電極B與參考地之間接有第一電壓傳感器8 ;在圓盤電極B與參考地之間接有第二電壓傳感