CN105629068B - 一种测定碳纤维体积电阻率的方法 - Google Patents

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    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant

Abstract

本发明涉及一种用于碳纤维体积电阻率的测量方法，使用交流阻抗技术，以碳纤维单丝为测试样品，消除了束丝样品测试时毛丝、断丝等导致的测试误差。该方法具有可操作性强，测试精度高等优点。

Description

一种测定碳纤维体积电阻率的方法
技术领域
本发明涉及一种用于碳纤维体积电阻率的测量方法，属于分析测试的技术领域。
背景技术
碳纤维具有高比强度、高比模量、耐热、耐腐蚀、导电等一系列优良性能，是一种具有高力学性能的增强材料，在20世纪90年代中期以前，航天、航空工业与体育休闲领域一直是高性能碳纤维的主要市场。在高速工业化的背景下，碳纤维开始深入应用到工业领域的核心，替代金属和混凝土材料等来满足环保、安全、节能等要求。例如在土木工程和建筑领域，碳纤维在抗震修补和增强措施中使用。在高速公路建设中，采用碳纤维增强材料给高速公路“强筋健体”。深海勘探、风力发电、机器部件、医疗器械、家用电器及半导体相关设备等都需要用碳纤维复合材料来增加强度、防静电、电磁波。碳纤维复合材料在汽车领域用做车身以及刹车片、传动轴和燃料箱材料及环保汽车用的压缩天然气气瓶等，使汽车的安全性实现飞跃。碳纤维产品价格昂贵，一旦材料失效，会造成重大经济损失，因此碳纤维产品结构与性能的准确检测，对于碳纤维产品的质量管理和安全应用都非常重要。体积电阻率是碳纤维一项重要性能指标，提高碳纤维体积电阻率的测量准确度，对碳纤维的安全使用具有重要的意义。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于碳纤维体积电阻率的测量方法，使用交流阻抗技术，以碳纤维单丝为测试样品，消除了束丝样品测试时毛丝、断丝等导致的测试误差。该方法具有可操作性强，测试精度高等优点。
本发明采用如下技术方案，一种用于碳纤维体积电阻率的测量方法，包括如下步骤:
（1）样品制备：将碳纤维单丝用导电胶固定在样品架上，所述样品架由绝缘板和电极组成，绝缘板中间开一小孔，单丝两端用导电胶固定，然后干燥、固化；
（2）测定碳纤维单丝的直径D；
（3）使用交流阻抗仪在0.1Hz-100 KHz频率范围内、2-10mV交流扰动电压下测定，得到样品的电阻R；
（4）通过如下公式计算出纤维的体积电阻率ρ：, 式中L为碳纤维单丝的有效长度，D为碳纤维单丝的直径。
在本发明的一个优选的实施方式中，绝缘板中间小孔的孔径2.5mm-5mm，绝缘板是纸板或塑料板，厚度0.1-1mm；电极使用铜箔，厚度0.1-0.05mm；碳纤维单丝的有效长度控制在20-30mm,导电胶的体积电阻率小于1*10-4Ω·cm。
在本发明的一个优选的实施方式中，碳纤维单丝的直径D采用光学显微镜测定，碳纤维单丝的有效长度采用精度0.5mm的尺子测量。
本发明使用的专用样品架是针对碳纤维单丝比较脆、容易断裂的特点设计的，现有碳纤维单丝测试的样品框架通常如图1所示，单丝样品完全悬空放在框架上，操作过程中纤维容易断裂，本发明中将样品架中间的开孔减少到孔径2.5mm-5mm，减少了在后续操作过程中纤维断裂的可能性，又不影响光学显微镜对纤维直径的测试。本发明的样品架的铜箔电极与绝缘板之间采用胶粘剂固定。
制备样品时，固定单丝纤维的导电胶的电阻率小于1*10-4Ω·cm，避免导电胶本身电阻过大导致测试误差。纤维样品的有效长度L采用精度0.5mm的尺子测量。纤维样品的有效长度控制在20-30mm，这样的范围利于操作，有效长度是指样品框架上导电胶之间的纤维长度（如图3所示）。使用交流阻抗仪测量电阻时，交流扰动电压信号选定在2-10mv, 频率范围0.1 Hz-100 KHz，在此频率范围内采集数据比较稳定，可以采集20-30个数据点，在Nyquist图中取其低频区虚部阻抗近似为零的数据点的平均值作为样品的电阻R，通过公式计算出样品电阻率ρ。
与现有技术相比，本发明提出的以碳纤维单丝为测试样品、采用交流阻抗技术测试碳纤维电阻的方法，消除了束丝样品中断丝、毛丝带来的测试误差，专用样品架的使用减少了纤维单丝在操作过程中的断裂可能性，同时交流阻抗仪也具有更高的测试精度。
附图说明
图1 现有碳纤维单丝样品架；
图2 本发明的样品架；
图3 本发明的固定有单丝样品的样品。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
实施例1
选用三种典型的碳纤维为例，样品编号为CF1、CF2、CF3，将各样品按图3所示固定在绝缘框架上，绝缘框架为厚度0.5mm纸板。每个样品取15根单丝制成测试样本，样本有效长度20mm。先用上海光学仪器六厂的XSP-BM19A型三目生物光学显微镜及SG-1X3.0版图像分析软件测试每一根单丝的直径，然后采用美国普林斯顿应用研究所生产的263A型恒电位仪和5230锁相放大器进行交流阻抗测试。交流扰动电压为5mV，频率范围0.1 Hz-100 Hz，采集30个数据点。测试得到的各样品电阻率ρ平均值见表1。
对比例1
选用同实施例1相同的三种典型碳纤维CF1、CF2、CF3，以束丝为测试样本，测试仪器及测试条件同实施例1，结果见表1。
表1各碳纤维样品力学性能和电阻率测试结果
对比例2
选用同实施例1相同的碳纤维CF3，以单丝为测试样本，采用图1所示现有碳纤维单丝样品架制备15根测试样本，样本有效长度20mm，测试仪器及测试条件同实施例1，测试结束后统计操作过程中纤维断裂的样本数目，列于表2，实施例1中CF3的统计结果也列于表2。
表2使用不同样品架时碳纤维断裂数目统计
从表1结果可以看到，束丝电阻率比单丝电阻率偏高，这是由于束丝中有一些断裂的毛丝影响了测试结果。从表2的统计结果可以看出，本发明的样品架显著减少了测试过程样本纤维的断裂率。
以上具体实施方式描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明的保护范围不受上述实施例的限制，任何不经过创造性劳动想到的变化或者替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种用于碳纤维体积电阻率的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）样品制备：将碳纤维单丝用导电胶固定在样品架上，所述样品架由绝缘板和电极组成，绝缘板中间开一小孔，单丝两端用导电胶固定，然后干燥、固化；
（2）测定碳纤维单丝的直径D；
（3）使用交流阻抗仪在0.1Hz-100 KHz频率范围内、2-10mV交流扰动电压下测定，得到样品的电阻R；
（4）通过如下公式计算出纤维的体积电阻率ρ：，式中L为碳纤维单丝的有效长度，D为碳纤维单丝的直径。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，绝缘板中间小孔的孔径为2.5mm-5mm，绝缘板是纸板或塑料板，厚度为0.1-1mm；电极使用铜箔，厚度为0.05-0.1mm；碳纤维单丝的有效长度控制在20-30mm,导电胶的体积电阻率小于1*10-4Ω·cm。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，碳纤维单丝的直径D采用光学显微镜测定，碳纤维单丝的有效长度采用精度为0.5mm的尺子测量。
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