CN105093015A - 碳纤维复合材料层合板直流小电流伏安特性两电极测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料层合板直流小电流伏安特性两电极测量方法及装置，以得到碳纤维复合材料层合板在直流小电流区域的非线性伏安特性或者碳纤维复合材料体电阻和面电阻的特性。测量装置包括上升速率可调直流电源、保护电阻/限流电阻单元、电压取样单元与计算机测控与分析单元。通过被试碳纤维复合材料层合板的电流为两个电压传感器测得的电压差除以限流电阻。通过计算机控制改变可调直流电源的电压输出就可以获得一组被试品两端的电压与通过的电流值，通过被试碳纤维复合材料层合板的不同连接方法，可以获得被试碳纤维复合材料层合板不同方向、直流小电流下的伏安特性曲线或体电阻和面电阻特性曲线。

Description

碳纤维复合材料层合板直流小电流伏安特性两电极测量方法及装置

技术领域

本发明属于碳纤维复合材料层合板小电流伏安特性的测量，特别涉及航空航天用碳纤维复合材料层合板直流小电流伏安特性的两电极测量方法及测量装置。

背景技术

碳纤维复合材料既具有低密度、高强度、高模量、耐高温、耐化学腐蚀等特性，又具有纺织纤维的柔软可加工性，广泛应用于航空航天、军事及民用工业等各个领域。随着飞机设计的改进和碳纤维复合材料技术的进步，碳纤维增强型聚合物复合材料CFRP(CarbonFiberReinforcedPolymers)在大型民用飞机、军用飞机、无人机及隐形飞机上的用量不断增长，从1960年麦道公司DC-9机型上CFRP的用量不足1％，到2011年末波音B787的主翼、尾翼、机体、地板等结构的50％用的是CFRP材料，预计2014年中期投入运行的空客A350XWA上CFRP材料所占的比例达到53％。

相比较飞机中传统使用的铝、钢和钛合金材料，CFRP的电传导性能差。一般来讲，CFRP层合板经向方向的电阻率为10^-5Ω·m量级、横向平面方向的电阻率为10^-1Ω·m量级、深度/厚度方向的电阻率更大。这就使得CFRP层合板在雷击情况下无法像金属材料那样具有短时间使积累的电荷迅速转移或扩散的能力，这部分积聚的能量以焦耳热的形式使得CFRP温度急剧升高，从而导致CFRP的纤维断裂、树脂热解、深度分层等严重损伤。

自CFRP问世以来，诸多学者就将研究热点集中在其机械特性的研究方面，得出了机械冲击参量与CFRP的抗拉伸强度、抗压缩强度及损伤区域和损伤深度之间的关系规律。但是，雷电对飞机的直接效应包含着大电流引发的高压冲击波、磁场力及焦耳热效应，因此，雷电对碳纤维复合材料层合板的雷击损伤作用与机械冲击损伤存在着巨大差异。美国机动工程师协会SAE、美国军用标准MILSTD和欧洲民航组织EUROCAE对飞机及其部件的雷电直接效应的试验波形和试验方法做了详细规定，但碳纤维复合材料层合板雷电直接效应的试验波形和试验方法并未作出规定。

发明内容

本发明的目的是提供一种航空航天用碳纤维复合材料层合板直流小电流伏安特性两电极测量方法及装置，以得到碳纤维复合材料层合板在直流小电流区域的伏安特性，为碳纤维复合材料层合板雷电直接效应的研究和试验方法的制定提供理论依据。

为达到上述目的，本发明的装置包括可调直流电源、限流电阻、碳纤维复合材料层合板、电压取样单元和计算机测控与分析单元，可调直流电源的一输出端经限流电阻与碳纤维复合材料层合板的一端连接，碳纤维复合材料层合板另一端与可调直流电源的另一输出端相连并接参考地，在可调直流电源的输出端与参考地之间以及碳纤维复合材料层合板与参考地之间分别接有构成电压取样单元的第一电压传感器和第二电压传感器，第一电压传感器和第二电压传感器的输出端与计算机测控与分析单元相连。

所述的计算机测控与分析单元包括A/D模数转换器、计算机和D/A数模转换器，A/D模数转换器与电压取样单元的第一、第二电压传感器相连，将接收到的第一、第二电压传感器的模拟信号转变成数字信号后传递给计算机，计算机经计算得到通过被测试碳纤维复合材料层合板的电流信号和两端的电压信号，计算机通过D/A数模转换器输出模拟信号控制可调直流电源的输出电压。

本发明的测量方法包括以下步骤：

1)将被试碳纤维复合材料层合板两端表面、两侧或上下表面安装电极，一电极接直流电压的高压端，另一电极接直流电源低压端或接地；

2)在计算机输入碳纤维复合材料层合板直流小电流伏安特性的实验参数，包括起始电流值或最小I₁、终止电流值I_n、电流级差ΔI即两个电流等级之间的差值、限流电阻的阻值以及可调直流电源输出电压的上升速率v；

3)计算机测控与分析单元则按照事先设定的电压上升速率v，通过计算机测控与分析单元的D/A数模转换器输出相应的模拟电压值至可调直流电源的输入端，当通过被测试品碳纤维复合材料的电流达到预先设定的初始电流值I₁时，停止升压，并将此时对应的电压取样单元的第一、第二电压传感器的模拟量通过计算机测控与分析单元的A/D模数转换器进行数据采集，然后传给计算机测控与分析单元的计算机进行数据分析，得到初始电流I₁及对应的被测试碳纤维复合材料层合板两端的电压U₁；

4)继续通过计算机测控与分析单元的D/A数模转换器输出控制使可调直流电源的输出电压升高，使得通过被试碳纤维复合材料层合板的电流达到(I₁+ΔI)时，停止升压，并将此时对应的电压取样单元的第一、第二电压传感器的模拟量通过计算机测控与分析单元的A/D模数转换器进行数据采集，然后传给计算机测控与分析单元的计算机进行数据分析，得到电流I₂(+ΔI)及对应的被试碳纤维复合材料层合板两端的电压U₂；

5)重复步骤4)直到通过被试碳纤维复合材料层合板3的电流达到I_n为止；

6)将得到的一组电流-电压值(I₁，U₁)、(I₂，U₂)……(I_n，U_n)连接起来就可以得到被试碳纤维复合材料层合板直流小电流下的伏安特性曲线；

7)根据得到的一组电流-电压值(I₁，U₁)、(I₂，U₂)……(I_n，U_n)，采用数值拟合方法可以得到被试碳纤维复合材料层合板的电压-电流(伏-安)关系表达式。

本发明具有以下有益效果：

本发明的可调直流电源的输出由计算机测控与分析单元控制，通过被试碳纤维复合材料层合板的电流为两个电压传感器测得的电压差除以限流电阻。通过计算机控制改变可调直流电源的电压输出就可以获得一组被试品两端的电压与通过的电流值，通过被试碳纤维复合材料层合板的不同连接方法，可以获得被试碳纤维复合材料层合板不同方向、直流小电流下的伏安特性曲线或体电阻和面电阻特性曲线。

附图说明

图1是本发明测试装置的组成框图；

图2是本发明计算机测控与分析单元组成框图；

图3是本发明被试碳纤维复合材料层合板的安装方法，其中a、c为电极表面两端安装图，b、d为电极两侧安装图，e为电极上下表面安装图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1，本发明的装置包括可调直流电源1、限流电阻2、碳纤维复合材料层合板3、电压取样单元4和计算机测控与分析单元5，可调直流电源1的一输出端经限流电阻2与碳纤维复合材料层合板3的一端连接，碳纤维复合材料层合板3另一端与可调直流电源1的另一输出端相连并接参考地，在可调直流电源1的输出端与参考地之间以及碳纤维复合材料层合板3与参考地之间分别接有构成电压取样单元的第一电压传感器6和第二电压传感器7，第一电压传感器6和第二电压传感器7的输出端与计算机测控与分析单元5相连。

参见图2，本发明的计算机测控与分析单元5包括A/D模数转换器8、计算机9和D/A数模转换器10，A/D模数转换器8与电压取样单元4的第一、第二电压传感器6、7相连，将接收到的第一、第二电压传感器6、7的模拟信号转变成数字信号后传递给计算机9，计算机9经计算得到通过被测试碳纤维复合材料层合板3的电流信号和两端的电压信号，计算机9通过D/A数模转换器10输出模拟信号控制可控直流电源1的输出电压。

A/D模数转换器8接收来自电压取样单元4的电压传感器6和电压传感器7的信号，并将接收到的电压传感器6和电压传感器7的模拟信号转变成数字信号后传递给计算机测控与分析单元5，计算机测控与分析单元5经计算得到通过被试碳纤维复合材料层合板3的电流信号和两端的电压信号。同时，计算机还可以通过D/A数模转换器输出模拟信号控制可调直流电源1的输出电压。

参见图3，本发明被试碳纤维复合材料层合板的安装方法包括以下三种：电极表面两端安装如图3a、c，电极两侧安装如图3b、d和电极上下表面安装如图3e。

本发明的测量方法包括以下步骤：

1)将被试碳纤维复合材料层合板3两端表面、两侧或上下表面安装电极，一电极接直流电压的高压端，另一电极接直流电源低压端或接地；

2)在计算机输入碳纤维复合材料层合板3直流小电流伏安特性的实验参数，包括起始电流值或最小I₁(如0.01mA)、终止电流值I_n(如1A)、电流级差ΔI(两个电流等级之间的差值)、限流电阻2的阻值以及可调直流电源输出电压的上升速率v；

3)计算机测控与分析单元5则按照事先设定的电压上升速率v，通过计算机测控与分析单元5的D/A数模转换器10输出相应的模拟电压值至可控直流电源1的输入端，当通过被测试品碳纤维复合材料3的电流达到预先设定的初始电流值I₁时，停止升压，并将此时对应的电压取样单元4的第一、第二电压传感器6、7的模拟量通过计算机测控与分析单元5的A/D模数转换器8进行数据采集，然后传给计算机测控与分析单元5的计算机9进行数据分析，得到初始电流I₁及对应的被测试碳纤维复合材料层合板3两端的电压U₁；

4)继续通过计算机测控与分析单元5的D/A数模转换器输出控制使可控直流电源1的输出电压升高，使得通过被试碳纤维复合材料层合板3的电流达到(I₁+ΔI)时，停止升压，并将此时对应的电压取样单元4的第一、第二电压传感器6、7的模拟量通过计算机测控与分析单元5的A/D模数转换器进行数据采集，然后传给计算机测控与分析单元5的计算机进行数据分析，得到电流I₂(+ΔI)及对应的被试碳纤维复合材料层合板3两端的电压U₂；

5)重复步骤4)直到通过被试碳纤维复合材料层合板3的电流达到I_n为止；

6)将得到的一组电流-电压值(I₁，U₁)、(I₂，U₂)……(I_n，U_n)连接起来就可以得到被试碳纤维复合材料层合板3直流小电流下的伏安特性曲线；

7)根据得到的一组电流-电压值(I₁，U₁)、(I₂，U₂)……(I_n，U_n)，采用数值拟合方法可以得到被试碳纤维复合材料层合板3的电压-电流(伏-安)关系表达式。

Claims (3)

1.一种碳纤维复合材料层合板直流小电流伏安特性两电极测量装置，其特征在于：包括可控直流电源(1)、限流电阻(2)、碳纤维复合材料层合板(3)、电压取样单元(4)和计算机测控与分析单元(5)，可控直流电源(1)的一输出端经限流电阻(2)与碳纤维复合材料层合板(3)的一端连接，碳纤维复合材料层合板(3)另一端与可控直流电源(1)的另一输出端相连并接参考地，在可控直流电源(1)的输出端与参考地之间以及碳纤维复合材料层合板(3)与参考地之间分别接有构成电压取样单元的第一电压传感器(6)和第二电压传感器(7)，第一电压传感器(6)和第二电压传感器(7)的输出端与计算机测控与分析单元(5)相连。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料层合板直流小电流伏安特性两电极测量装置，其特征在于：所述的计算机测控与分析单元(5)包括A/D模数转换器(8)、计算机(9)和D/A数模转换器(10)，A/D模数转换器(8)与电压取样单元(4)的第一、第二电压传感器(6、7)相连，将接收到的第一、第二电压传感器(6、7)的模拟信号转变成数字信号后传递给计算机(9)，计算机(9)经计算得到通过被测试碳纤维复合材料层合板(3)的电流信号和两端的电压信号，计算机(9)通过D/A数模转换器(10)输出模拟信号控制可控直流电源(1)的输出电压。

3.一种如权利要求1所述的碳纤维复合材料层合板直流小电流伏安特性两电极测量装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将被试碳纤维复合材料层合板(3)两端表面、两侧或上下表面安装电极，一电极接直流电压的高压端，另一电极接直流电源低压端或接地；

2)在计算机输入碳纤维复合材料层合板(3)直流小电流伏安特性的实验参数，包括起始电流值或最小I₁、终止电流值I_n、电流级差ΔI即两个电流等级之间的差值、限流电阻(2)的阻值以及可调直流电源(1)输出电压的上升速率v；

3)计算机测控与分析单元(5)则按照事先设定的电压上升速率v，通过计算机测控与分析单元(5)的D/A数模转换器(10)输出相应的模拟电压值至可控直流电源(1)的输入端，当通过被测试品碳纤维复合材料(3)的电流达到预先设定的初始电流值I₁时，停止升压，并将此时对应的电压取样单元(4)的第一、第二电压传感器(6、7)的模拟量通过计算机测控与分析单元(5)的A/D模数转换器(8)进行数据采集，然后传给计算机测控与分析单元(5)的计算机(9)进行数据分析，得到初始电流I₁及对应的被测试碳纤维复合材料层合板(3)两端的电压U₁；

4)继续通过计算机测控与分析单元(5)的D/A数模转换器(10)输出控制使可控直流电源(1)的输出电压升高，使得通过被试碳纤维复合材料层合板(3)的电流达到(I₁+ΔI)时，停止升压，并将此时对应的电压取样单元(4)的第一、第二电压传感器(6、7)的模拟量通过计算机测控与分析单元(5)的A/D模数转换器进行数据采集，然后传给计算机测控与分析单元(5)的计算机进行数据分析，得到电流I₂(+ΔI)及对应的被试碳纤维复合材料层合板(3)两端的电压U₂；

5)重复步骤4)直到通过被试碳纤维复合材料层合板(3)的电流达到I_n为止；

6)将得到的一组电流-电压值(I₁，U₁)、(I₂，U₂)……(I_n，U_n)连接起来就可以得到被试碳纤维复合材料层合板(3)直流小电流下的伏安特性曲线；

7)根据得到的一组电流-电压值(I₁，U₁)、(I₂，U₂)……(I_n，U_n)，采用数值拟合方法可以得到被试碳纤维复合材料层合板(3)的电压-电流(伏-安)关系表达式。