CN106370097A - 一种用于复合材料的应变计及其制备方法 - Google Patents

一种用于复合材料的应变计及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种用于复合材料的应变计及其制备方法，能够温度自补偿，减少测试误差。所述制备方法，包括如下步骤，步骤一，确定被测复合材料和制备应变计中敏感栅的材料，根据欧姆定律和电阻温度函数理论，在使应变计热输出趋于零的约束条件下，得到与敏感栅材料的电阻温度系数和复合材料的线膨胀系数所匹配的对敏感栅材料的真空退火的处理条件；步骤二，敏感栅的材料为合金金属箔，将冷轧的合金金属箔在真空退火的处理条件下进行热处理，然后通过粘贴胶与绝缘体的基底粘接形成箔材基板；步骤三，将粘贴后的合金金属箔刻蚀成所需要的图形或敏感栅条，得到基础应变计；步骤四，将基础应变计粘贴到对应的复合材料上，得到用于该复合材料的应变计。

Description

一种用于复合材料的应变计及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料应力应变测试领域，具体为一种用于复合材料的应变计及其制备方法。
背景技术
复合材料，是以胶粘剂或模塑塑料为基体，以碳纤维、玻璃纤维、石墨纤维或夫拉纤维等为增强材料组合而成。由于复合材料具有重量轻、强度高、弹性优良、耐化学腐蚀好、加工成型方便等特点，已逐步取代金属合金广泛应用于航空航天、舰艇、国防、能源、大型装备等领域。
为了保证复合材料作为主要部件正常应用于各种场合，以及对复合材料部件或结构自身符合材料、结构强度要求，需要用应变计对其进行应力应变分析、测量、诊断和健康监测。不同复合材料之间线胀系数差异较大，从0.2ppm/℃～25ppm/℃大小不等，通常条件下用于航空航天的复合材料主要是碳纤维增强的复合材料，多数线胀系数介于0.2～6ppm/℃，使用普通应变计对复合材料进行应力应变测试时，由于应变计自身电阻温度系数、线膨胀系数与复合材料线膨胀系数之间差异较大，当环境温度存在变化，或存在温度梯度或瞬变，两者之间的差异就会带来应变计输出漂移，即应变计热输出就会发生很大变化，也就成为测量中最大的误差源，甚至会淹没真实的测量信号，无法对实际状况进行判断，无法真实了解复合材料的应力应变状况。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种能够温度自补偿，减少测试误差，满足复合材料测试需求的，用于复合材料的应变计及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种用于复合材料的应变计制备方法，包括如下步骤，
步骤一，确定被测复合材料和制备应变计中敏感栅的材料，根据欧姆定律和电阻温度函数理论，在使应变计热输出趋于零的约束条件下，得到与敏感栅材料的电阻温度系数和复合材料的线膨胀系数所匹配的对敏感栅材料的真空退火的处理条件；
步骤二，敏感栅的材料为合金金属箔，将冷轧的合金金属箔在真空退火的处理条件下进行热处理，然后通过粘贴胶与绝缘体的基底粘接形成箔材基板；
步骤三，将粘贴后的合金金属箔刻蚀成所需要的图形或敏感栅条，得到基础应变计；
步骤四，将基础应变计粘贴到对应的复合材料上，得到用于该复合材料的应变计。
优选的，步骤二中，合金金属箔采用康铜。
优选的，步骤二中，基底采用聚酰亚胺薄膜、环氧基底、聚酰亚胺树脂或改性酚醛树脂。
优选的，步骤三中，基础应变计的刻蚀后的图形或敏感栅条上设置密封层和引线。
优选的，步骤三中，采用平面化学蚀刻或激光蚀刻处理合金金属箔。
优选的，步骤一中，复合材料线膨胀系数为6.5ppm/℃，康铜线膨胀系数为14.9ppm/℃，得到匹配的对敏感栅材料的真空退火的处理条件为420℃下处理4小时。
一种用于复合材料的应变计，采用如本发明所述的制备方法制得。
优选的，包括依次设置的基底，敏感栅和密封层；所述的敏感栅包括敏感栅图形主体、连接栅和焊接盘，敏感栅图形主体经连接栅连接焊接盘。
进一步，基底的面积与对应的被测复合材料的单元晶格面积相等。
进一步，敏感栅的长度超过复合材料单元晶格对角线的2～3倍，且长度至少为3～6mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明所述的用于复合材料的应变计，与普通应变计相比，以一种已知复合材料的线膨胀系数为基础，对应变计的敏感栅材料进行退火热处理，得到与该种复合材料相匹配的应变计电阻温度系数，使得该种应变计粘贴在复合材料上，应变计热输出不受温度变化的影响，实现测试时对温度的自补偿，测试精度高。用于复合材料的应变计，可根据复合材料的线膨胀系数通过改变合金材料的电阻温度系数，即改变合金材料的处理工艺，进而对不同线膨胀系数的复合材料的进行温度补偿。
进一步的，由于复合材料一般由树脂和纤维复合浇注或碳、碳纤维复合注入而成，相对于金属材料均匀性有差异，为了减小测量误差，通过对应变计中敏感栅长度与复合材料最小单元尺寸对角线2～3倍限定，以及栅长至少3～6mm的设计，保证复合材料应力应变测试准确性。
附图说明
图1为本发明实例中所述的康铜箔材料处理温度与电阻温度系数关系图。
图2为本发明实例中所述的应变计结构示意图。
图3为图2的剖视图。
图中：基底1、敏感栅2、密封层3。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供一种用于复合材料的应变计，实现温度自补偿功能，减少因温度变化在测试过程中存在的误差，满足复合材料测试需求。如图2和图3所示，本发明所述的应变计包括基底1、胶粘剂和敏感栅2三部分，后续需要可以增加密封层3和引线等。其基本工艺方法是，金属箔是轧压而来，通过粘贴胶将金属箔与绝缘体粘接形成特殊结构的箔材基板，然后应用平面化学蚀刻、激光蚀刻等工艺形成图形或敏感栅条，得到基础应变计，应变计图形至少包含有敏感栅图形主体、连接栅和焊接盘三部分，成为应变电阻器。
当应变计粘贴到复合材料上，可以认为应变计基本上与复合材料形成一体，当复合材料随温度自由膨胀时，应变计本身敏感栅会发生变化，电阻也会跟随变化，从而带来电阻温度漂移。为了实现电阻温度漂移可控，甚至接近于零，可以利用材料的不同线膨胀系数与敏感栅材料自身的电阻温度系数相匹配，限制电阻随温度自由变化，使热输出接近于0με。
通过欧姆定律和电阻温度函数理论，当环境温度发生变化，受敏感栅内部电子迁移速度变化、敏感栅线膨胀系数和胶粘剂线胀系数、基底线胀系数、贴片胶线胀系数和复合材料线胀系数复合影响，应变计的敏感栅电阻率、长度、截面积均会发生变化，从而带来电阻值R发生变化Rt。通过理论演算，我们可以得到以下公式。
Εt＝△Rt/R/γ；
△Rt/R＝αt·△T+γ·(βe-βf)·△T；
其中：Εt——应变计热输出，单位为ppm；
αt——敏感栅电阻温度系数，单位为ppm/℃；
βe——被测试件，也就是复合材料的线膨胀系数，单位为ppm/℃；
βf——敏感栅、基底和胶粘剂的叠加线膨胀系数，单位为ppm/℃；
γ——计算系数，一般是应变计灵敏系数，数值范围1.8～2.6；
△T——测量温度差，单位为℃。
一般情况下，当应变计材料固定、试件材料固定，即βe、βf和γ固定为定值，且数值为正，为了将△R/R减小，只有对敏感栅的电阻温度系数αt进行调整，使αt数值的符号与(βe-βf)符合相反，绝对值相差γ倍，才能达到相应目的。制作敏感栅的主要材料是康铜箔，它是通过精确冶炼、轧压而成，通过改变合金配比或冷轧率或通过适当的热处理改变其电阻温度系数αt大小和方向，实现精确控制，从而使应变计的电阻变化△Rt/R或热输出Εt最小化。现有技术中，通过改变合金配比或冷轧率对合金箔的电阻温度系数的影响有限，无法精确控制，本发明是通过适当热处理来改变合金箔电阻温度系数，实现精确控制。
对用于复合材料的应变计而言，其敏感栅材料、被测试件复合材料线膨胀系数一定，例如复合材料线膨胀系数为6.5ppm/℃，康铜线膨胀系数为14.9ppm/℃，那么只需要将合金箔的电阻温度系数，简称TCR，调整到接近18.8ppm/℃；实际情况下需要考虑胶粘剂、基底线膨胀系数和引脚电阻温度系数影响等，即可实现温度自补偿功能，使热输出趋于零。
经过研究对康铜建立相应的退火热处理制度即可。正常情况下，康铜箔材体系中，冷轧成型的箔材初始电阻温度系数为负，电阻率和电阻温度系数随热处理而变化，主要是退火将晶格缺陷迁移或消除形成，使其不能造成电子散射。经过试验和研究，具体实现的康铜热处理温度与电阻温度系数关系的示意图如图1所示。
具体的，本发明一种用于复合材料的应变计，包括基底1、敏感栅2和密封层3；敏感栅材料与基底材料、密封层材料匹配良好。
对复合材料应变计而言，其敏感栅材料采用康铜，基底材料采用环氧树脂或聚酰亚胺树脂或改性酚醛树脂或高性能聚酰亚胺薄膜，用环氧或丙烯酸酯贴片胶粘贴到复合材料上，康铜、树脂或薄膜、贴片胶、复合材料线膨胀系数固定，例如复合材料线膨胀系数为6.5ppm/℃，康铜线膨胀系数为14.9ppm/℃，那么只需要将合金箔的电阻温度系数(简称TCR)调整到接近18.8ppm/℃(实际需要考虑胶粘剂、基底线膨胀系数、引脚电阻温度系数影响等)即可实现温度自补偿功能，使热输出趋于零。正常情况下，康铜箔材体系中，冷轧成型的箔材初始电阻温度系数为负，电阻率和电阻温度系数随热处理而变化，主要是退火将晶格缺陷迁移或消除形成，使其不能造成电子散射。经过研究对康铜建立相应的退火热处理制度，根据康铜箔热处理温度和电阻温度系数关系图确定，将康铜箔材置于真空炉或气氛炉中420℃/4小时，就可以使康铜箔的电阻温度系数达到18.5ppm/℃，实现电阻温度系数对于复合材料线胀系数的温度自补偿，使应变计热热输出趋于零。
实施例1
对初始电阻温度系数-28ppm/℃卡玛箔进行真空退火热处理，热处理参数450℃/4小时，匹配线胀系数6.5ppm/℃的复合材料，制作成应变计进行测试，具体测试结果如下。
初始热输出测试数据如表1所示，
表1，
CH001 CH001 CH002 CH003 CH004 CH005 CH006 CH007 CH008 CH009
20℃ 1.8 1 0.8 0 0.8 -0.3 0 1 0.2 -0.5
30℃ 417 410 405 433 420 411 425 409 415 408
40℃ 800 823 835 817 808 827 809 811 811 805
50℃ 1217 1233 1221 1214 1201 1215 1210 1220 1211 1213
60℃ 1417 1412 1417 1415 1420 1409 1417 1425 1435 1410
处理后热输出测试数据如表2所示，
表2，
CH000 CH001 CH002 CH003 CH004 CH005 CH006 CH007 CH008 CH009
20℃ 0 0.5 -0.8 0.3 -0.5 -0.2 0.2 -0.5 0.3 -0.3
30℃ 21 25 22 24 17 15 19 22 22 23
40℃ 29 39 33 35 20 17 27 31 32 33
50℃ 26 43 34 35 11 7 23 30 32 33
60℃ 17 40 26 27 -7 -11 11 20 22 26
由以上的热输出测试结果可以看出，经处理后的箔材生产的应变计用于被测复合材料测试热输出有明显的减小，可缩小应变计在测试过程中的误差。
实施例2，对初始电阻温度系数-16ppm/℃康铜箔进行真空退火热处理，热处理参数420℃/4小时，匹配线胀系数2.0ppm/℃的复合材料，制作成应变计测试，具体测试结果如下，
初始热输出测试数据如表3所示，
表3
CH000 CH001 CH002 CH003 CH004 CH005 CH006 CH007 CH008 CH009
20℃ -3 -11 2 -52 6 14 21 13 56 6
30℃ -110 -226 -116 -157 -115 -123 -215 -232 -43 -89
40℃ -234 -453 -244 -292 -243 -234 -437 -436 -129 -182
50℃ -328 -706 -377 -428 -363 -360 -699 -690 -214 -308
60℃ -445 -938 -501 -556 -516 -482 -930 -917 -301 -419
处理后热输出测试数据如表4所示，
表4，
CH000 CH001 CH002 CH003 CH004 CH005 CH006 CH007 CH008 CH009
20℃ 1 -0.2 0.8 1.2 1 1.7 2.5 0.5 -0.3 0.2
30℃ 22 23 22 23 19 20 32 20 20 21
40℃ 35 38 35 34 29 31 54 30 31 33
50℃ 37 40 37 35 29 30 66 31 30 35
60℃ 39 45 41 34 30 30 79 32 29 34
同样，由以上的热输出测试结果可以看出，经处理后的箔材生产的应变计用于被测复合材料测试热输出有明显的减小，可缩小应变计在测试过程中的误差。
复合材料一般由树脂和纤维复合浇注或碳、碳纤维复合注入而成，相对于金属材料均匀性有差异，为了减小测量误差，在应变计设计上考虑应变计的敏感栅长度超过复合材料最小单元尺寸对角线2～3倍，多数复合材料应变计栅长至少设计为3～6mm，以保证复合材料应力应变测试准确性。

Claims (10)

1.一种用于复合材料的应变计制备方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤一，确定被测复合材料和制备应变计中敏感栅(2)的材料，根据欧姆定律和电阻温度函数理论，在使应变计热输出趋于零的约束条件下，得到与敏感栅材料的电阻温度系数和复合材料的线膨胀系数所匹配的对敏感栅材料的真空退火的处理条件；
步骤二，敏感栅(2)的材料为合金金属箔，将冷轧的合金金属箔在真空退火的处理条件下进行热处理，然后通过粘贴胶与绝缘体的基底(1)粘接形成箔材基板；
步骤三，将粘贴后的合金金属箔刻蚀成所需要的图形或敏感栅条，得到基础应变计；
步骤四，将基础应变计粘贴到对应的复合材料上，得到用于该复合材料的应变计。
2.根据权利要求1所述的一种用于复合材料的应变计制备方法，其特征在于，步骤二中，合金金属箔采用康铜。
3.根据权利要求1所述的一种用于复合材料的应变计制备方法，其特征在于，步骤二中，基底(1)采用聚酰亚胺薄膜、环氧基底、聚酰亚胺树脂或改性酚醛树脂。
4.根据权利要求1所述的一种用于复合材料的应变计制备方法，其特征在于，步骤三中，基础应变计的刻蚀后的图形或敏感栅条上设置密封层和引线。
5.根据权利要求1所述的一种用于复合材料的应变计制备方法，其特征在于，步骤三中，采用平面化学蚀刻或激光蚀刻处理合金金属箔。
6.根据权利要求1所述的一种用于复合材料的应变计制备方法，其特征在于，步骤一中，复合材料线膨胀系数为6.5ppm/℃，康铜线膨胀系数为14.9ppm/℃，得到匹配的对敏感栅材料的真空退火的处理条件为420℃下处理4小时。
7.一种用于复合材料的应变计，其特征在于，采用如权利要求1-7中任意一项所述的制备方法制得。
8.根据权利要求7所述的一种用于复合材料的应变计，其特征在于，包括依次设置的基底(1)，敏感栅(2)和密封层(3)；所述的敏感栅(2)包括敏感栅图形主体、连接栅和焊接盘，敏感栅图形主体经连接栅连接焊接盘。
9.根据权利要求8所述的一种用于复合材料的应变计，其特征在于，基底(1)的面积与对应的被测复合材料的单元晶格面积相等。
10.根据权利要求8所述的一种用于复合材料的应变计，其特征在于，敏感栅(2)的长度超过复合材料单元晶格对角线的2～3倍，且长度至少为3～6mm。
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