碳纖維復(fù)合材料層合板小電流伏安特性的三電極測(cè)量方法及測(cè)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(cè)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三電極測(cè)量方法及測(cè)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(wú)人機(jī)及隱形飛機(jī)上的用量不斷增長(zhǎng)，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(lái)講，CFRP層合板經(jīng)向方向的電阻率為10 5 Ω.πι量級(jí)、橫向平面方向的電阻率為11Q.πι量級(jí)、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(wú)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(shù)脂熱解、深度分層等嚴(yán)重?fù)p傷。
[0004]自CFRP問(wèn)世以來(lái)，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(duì)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(chǎng)力及焦耳熱效應(yīng)，因此，雷電對(duì)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(guó)機(jī)動(dòng)工程師協(xié)會(huì)SAE、美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL STD和歐洲民航組織EUR0CAE對(duì)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航空航天用碳纖維復(fù)合材料層合板小電流伏安特性的三電極測(cè)量方法及測(cè)量裝置，以得到碳纖維復(fù)合材料層合板在直流小電流區(qū)域的非線性伏安特性，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]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的裝置包括可控直流電源以及設(shè)置在可控直流電源高壓輸出端的限流電阻，限流電阻的另一端通過(guò)圓盤(pán)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(cè)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(guò)電阻R1接可控直流電源的低壓端并接參考地，圓環(huán)電極C與可控直流電源I的低壓端相連并接參考地，在圓盤(pán)電極A與參考地之間接有第一電壓傳感器，在圓柱電極B與參考地之間接有第二電壓傳感器，第一、第二電壓傳感器組成的電壓取樣單元的輸出接計(jì)算機(jī)測(cè)控與分析單元。
[0007]所述的計(jì)算機(jī)測(cè)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(lái)自第一、第二電壓傳感器的信號(hào)，并將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)后傳遞給計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算得到通過(guò)被試碳纖維復(fù)合材料層合板的電流信號(hào)和兩端的電壓信號(hào)，同時(shí)，D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出模擬信號(hào)控制可控直流電源的輸出電壓。
[0008]本發(fā)明的測(cè)量方法包括以下步驟:
[0009]I)將被試碳纖維復(fù)合材料層合板安裝在圓盤(pán)電極A與圓柱電極B、圓環(huán)形電極C之間；
[0010]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(jí)差A(yù)l即兩個(gè)電流等級(jí)之間的差值、限流電阻的阻值以及可控直流電源輸出電壓的上升速率V;
[0011]3)計(jì)算機(jī)測(cè)控與分析單元按照事先設(shè)定的電壓上升速率V，通過(guò)計(jì)算機(jī)測(cè)控與分析單元的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出相應(yīng)的模擬電壓值至可控直流電源的輸入端，當(dāng)通過(guò)被測(cè)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(duì)應(yīng)的電壓取樣單元的第一、第二電壓傳感器的模擬量通過(guò)計(jì)算機(jī)測(cè)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(cè)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(duì)應(yīng)的被測(cè)試碳纖維復(fù)合材料層合板兩端的電壓U 1；
[0012]4)繼續(xù)通過(guò)計(jì)算機(jī)測(cè)控與分析單元的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出控制使可控直流電源的輸出電壓升高，使得通過(guò)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(guò)計(jì)算機(jī)測(cè)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(cè)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(duì)應(yīng)的被試碳纖維復(fù)合材料層合板兩端的電壓U2;
[0013]5)重復(fù)步驟4)直到通過(guò)被試碳纖維復(fù)合材料層合板的電流達(dá)到In為止；
[0014]6)將得到的一組電流-電壓值(I1, U1)、(I2, U2)……(In，Un)連接起來(lái)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；
[0015]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。
[0016]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0017]本發(fā)明通過(guò)計(jì)算機(jī)測(cè)控與分析單元改變可控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(guò)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(shuō)明】
[0018]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(cè)試方法和測(cè)試裝置的組成框圖；
[0019]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(cè)試方法和測(cè)試裝置的計(jì)算機(jī)測(cè)控與分析單元組成框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)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(shuō)明。
[0021]參見(jiàn)圖1，本發(fā)明的測(cè)試裝置包括可控的直流電源1，限流電阻單元2、被試碳纖維復(fù)合材料3、電壓取樣單元4和計(jì)算機(jī)測(cè)控與分析單元5?？煽氐闹绷麟娫碔的一輸出端與限流電阻2的一端相連，限流電阻2的另一端通過(guò)圓盤(pán)電極A與被試碳纖維復(fù)合材料層合板3的一端面連接，連接被試碳纖維復(fù)合材料層合板3的另一端面的圓柱電極B相連，在圓柱電極B的外側(cè)還有圓環(huán)形電極C與被試碳纖維復(fù)合材料層合板3連接；圓柱電極B通過(guò)電阻&接直流高壓電源的低壓端或參考地，圓環(huán)形電極C直接接直流高壓電源的低壓端或參考地。第一電壓傳感器6接在圓盤(pán)電極A與參考地之間，第二電壓傳感器7接在圓柱電極B與參考地之間(或電阻R1兩端)。電壓取樣單元4的第一、第二電壓傳感器6、7的輸出接到計(jì)算機(jī)測(cè)控與分析單元5。
[0022]參