CN116338312A - 一种纤维束横向电阻率的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纤维束横向电阻率的测量装置，包括覆导电金属箔板，在覆导电金属箔板中心线位置开设一条凹形槽，凹形槽两端各设置一个圆形槽，覆导电金属箔板在凹形槽两侧分别对称设置有通孔，通孔与导线电极固定连接，纤维束试样放置于凹形槽中，电阻仪对导电回路进行电阻数据的采集。本发明纤维束横向电阻的获取采用间接测量的方法，通过导电银胶涂抹纤维束的方式，确保了纤维束与铜箔形成有效导电通路，并通过导线电极与电阻仪建立连接构成整个测试回路，解决了纤维束横向距离太小导致电阻测量困难的问题。测试操作步骤难度小，试验测试成本低。
Description
技术领域
本发明属于纤维束电阻测量领域，具体涉及一种纤维束横向电阻率的测量方法及测量装置。
背景技术
纤维增强复合材料具有高比强度、高比模量等特点，是航空航天、汽车等领域的理想材料。然而由于这类材料的服役环境通常比较恶劣，其结构容易出现内部损伤，这就需要对纤维增强复合材料结构件进行结构健康监测以确保其安全可靠。电阻抗成像技术是目前复合材料结构件无损检测的研究热点，该技术作为一种实时损伤监测手段，需要复合材料本身具有导电性。通过对待测试件的边界区域通入激励电流，采集边界电压，输出电阻率分布云图来分析试件内部的损伤情况。目前电阻抗成像的精度还不够高，需要通过有限元仿真研究影响电阻抗成像精度的因素。材料电阻率是仿真过程中的一项重要参数，因此获取材料的实际电阻率对电阻抗成像的仿真具有重要的意义。
纤维束由多根纤维单丝集束而成，其纵向(沿着纤维轴线的方向)的电阻率很容易通过测量获取，而纤维束横向的距离过小，导致电极布置异常困难，因此常规的纵向电阻率的测量方法不能适用于横向电阻率的测量。在论文“Flexible Integrated Sensors:Transverse Piezoresistance andLongitudinal Thermal Resistance ofOne SingleCarbon FiberBeam”中利用两个纳米探针在扫描电子显微镜下检测了纤维束横向电阻。在论文“Single carbon fiber transverse electrical resistivity measurement viathevan derPauw method”中，利用原子力显微镜基于范德保法对纤维单丝横向电阻进行测量。然而，以上方法均是在显微镜下进行原位电阻测量，这种方法虽然测直观准确，但是操作复杂、样品制备周期长、测试成本较高，不能够快速获得所需纤维束样品的横向电阻参数。
因此，有必要提供一种能够快速获取纤维束横向电阻的装置，以实现纤维束横向电阻率的测量与分析。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种纤维束横向电阻率的测量装置及测量方法，消除了纤维束测量时导线电阻，导电胶电阻等导致的测量误差。该方法具有可操作性强、测量精度高、成本低等优点。
本发明采用的技术方案为：
一种纤维束横向电阻率的测量装置，包括一个玻璃纤维板，玻璃纤维板表面覆一层导电金属箔，覆导电金属箔一面的玻璃纤维板中心线位置开设一条凹形槽，凹形槽两端各连接一个与凹形槽深度相同的圆形槽，圆形槽的直径大于凹形槽的宽度，玻璃纤维板在凹形槽两侧分别对称设置有通孔，通孔与导线电极通过导电银胶固定连接并确保导线电极与导电金属箔相接触，纤维束试样放置于凹形槽中，纤维束试样的两端用胶水固定在圆形槽中，沿凹形槽方向均匀涂抹一层导电银胶对纤维束试样进行固定，保证导电银胶与导电金属箔相接触，待导电银胶干燥并固化后形成测量装置预制体，电阻仪与导线电极连接，电阻仪对导线电极、导电金属箔、纤维束试样和导电银胶构成的导电回路进行电阻数据的采集。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的玻璃纤维板为方形或长方形，上述的测量装置预制体浸入环氧树脂中进行常温固化形成测量装置。
上述的导电金属箔具体为铜箔或铝箔。
上述的通孔数量为多组，靠近玻璃纤维板边界处并延凹形槽对称设置，测量装置可分割为多个，每个测量装置中包含一组对称设置的通孔，每个测量装置的导线电极与电阻仪连接并通过电阻仪对导线电极、导电金属箔、纤维束试样和导电银胶构成的导电回路进行电阻数据的采集。
上述的电阻仪通过开尔文测试夹与导线电极连接。
本发明还提供了一种纤维束横向电阻率的测量方法，包括以下步骤：
步骤一，对玻璃纤维板表面覆一层导电金属箔，覆导电金属箔一面的玻璃纤维板中心线位置开设一条凹形槽，在凹形槽的两端各开设一个与凹形槽深度相同且直径大于凹形槽宽度的圆形槽，玻璃纤维板在凹形槽两侧靠玻璃纤维板边界位置分别对称开设多个通孔，导线电极与通孔固定连接并与导电金属箔相接触；
步骤二，将纤维束试样放置于凹形槽中，纤维束试样的两端用胶水固定在圆形槽中，待胶水固化，沿凹形槽方向均匀涂抹一层导电银胶对纤维束试样进行固定，保证导电银胶与导电金属箔相接触，通孔与导线电极通过导电银胶固定连接并确保导线电极与导电金属箔相接触，待导电银胶固化后制成测量装置预制体；
步骤三，将测量装置预制体置于硅胶模具中，向模具中倒入环氧树脂中进行常温固化，待完全固化后取出测量装置，将测量装置置于激光切割机中进行切割，每一份中确保为一组通孔，对切割好的每一份测量装置中的纤维束试样截面进行打磨并进行镜面抛光；
步骤四，使用电阻仪通过开尔文测试夹与打磨好的测量装置的导线电极相连接，获取测量装置的导电回路电阻值R，消除导电回路中导线电极电阻R0、导电金属箔电阻R1和R4及导电银胶电阻R2的影响，计算得到测量装置中纤维束试样的横向电阻R3进而计算出纤维束试样的横向电阻率；
步骤五，测量出每一份测量装置中纤维束试样的横向电阻率，取平均值最终得到纤维束试样的横向电阻率。
为优化上述测量方法，采取的具体措施还包括：
步骤一中，导线电极与通孔采用穿孔缠绕的方式固定在玻璃纤维板边缘，进而采用导电银胶涂抹在导线电极及通孔处，对导线电极加固的同时降低了导线电极与导电金属箔的接触电阻。
步骤四中，
导线电极电阻R0在试验前提前测量好；
导电金属箔电阻R1和R4的测量方法：首先测量测量装置中导电金属箔的宽度w，其次测量凹形槽两侧的导电金属箔的长度L1和L4，再次测量导电金属箔两端部的平均厚度h1和h4，计算导电金属箔的电阻
导电银胶电阻R2的测量方法：将测量装置中的导电银胶与纤维束试样简化成并联等效电路，即导电银胶电阻R2与纤维束试样的横向电阻R3组成并联电阻R′，测量导电银胶的平均厚度h2及长度L2，并联电阻的计算公式为R′＝R-R0-R1-R4，导电银胶的电阻
纤维束试样的横向电阻R3的计算方法：根据电阻的并联公式计算得出
纤维束试样的横向电阻率的计算方法：将纤维束试样(7)的横向截面简化成矩形区域，测量得到纤维束试样的横向截面的长度L3和高度h3，计算得到纤维束试样(7)的横向电阻率
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明中纤维束横向电阻的获取采用间接测量的方法，通过导电银胶涂抹纤维束的方式，确保了纤维束与铜箔形成有效导电通路，并通过导线电极与电阻仪建立连接构成整个测试回路，解决了纤维束横向距离太小导致电阻测量困难的问题。涉及的测量装置结构简单，测试操作步骤难度小，试验测试成本低。
2、本发明中选用环氧树脂固化整个测量装置，并切割成多份测量样品，有效提高了测量效率，通过对同一根纤维束不同段多次测量取平均值降低了测量误差。
3、本发明中通过等效电路的方法，简化了整个测量导电回路中的电阻模型，将纤维束与导电银胶看作并联电路，与铜箔、导线电极组成串联电路。利用欧姆定律计算纤维束横向电阻，将纤维束横向截面简化成矩形区域，计算获得纤维束横向电阻率。
4、本发明中的导线电极采用穿孔缠绕的方式布置，并通过涂抹导电银胶降低导线电极与铜箔表面的接触电阻，有效的降低了导线电极的接触电阻对测量误差的影响，且可以利用导线电极更好的接入电阻仪进行电阻测量，计算过程中也能很好的消除导线电阻的影响。
附图说明
图1是本发明纤维束横向电阻的测量装置的结构示意图；
图2是本发明测量装置放置纤维束后的结构示意图；
图3是本发明测量装置切割成多份样品后电阻采集的示意图；
图4是本发明测量方法的等效电路示意图；
图5是本发明纤维束横向截面简化示意图；
附图标记如下：玻璃纤维板-1，导电金属箔-2，凹形槽-3，圆形槽-4，通孔-5，导线电极-6、纤维束试样-7、胶水-8、导电银胶-9。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和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，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的测量装置包括玻璃纤维板1、导电金属箔2，本实施例中的导电金属箔2采用铜箔。将铜箔粘接到玻璃纤维板1表面组成一个覆铜板，沿覆铜板带有铜箔的一面的任意边的中心线位置开一条凹形槽3，凹形槽3两端各开一个与凹形槽3相同深度，直径大于凹形槽3宽度的圆形槽4，在凹形槽3两边靠近边界位置开十个通孔5。取二十根相同长度和相同直径的导线，利用电阻仪测量其电阻值R0＝0.026Ω，将导线分别穿过十个通孔5，弯折至覆铜板侧边缘，并在导线上缠绕绞合3～4圈，确保导线牢牢固定在覆铜板的上下两端。
截取一定尺寸的东丽3K碳纤维束预浸料作为纤维束试样7，如图2所示放置于测量装置的凹形槽3内，利用AB胶水将纤维束预浸料的两头粘接固定在测量装置的圆形槽4内，等待AB胶水固化。待AB胶水完全固化后，采用导电银胶9沿着凹形槽3方向均匀涂抹在碳纤维束预浸料的上表面，同时确保导电银胶9应与覆铜板表面铜箔有接触形成导电回路，接着在覆铜板的十个通孔5涂抹导电银胶9完成导线电极6的制备，本试验所用导电银胶9的型号为8813X快干型导电银胶，将整个测量装置预制体放置于通风橱中等待24小时直至胶水完全固化。
将整个测量装置预制体放置于一个硅胶模具中，向其中倒入常温固化环氧树脂，等待48小时完全固化，脱模取出测量装置。将整个测量装置放置到激光切割机中等份切割，如图3所示。
取任意一份测量装置，利用金相试样磨抛机对纤维束截面进行打磨，选取1000目的砂纸稍作打磨，然后再选取2000，3000目的砂纸进行镜面抛光。
将打磨好的测量装置利用电阻仪通过开尔文测试夹测量获取电阻值R＝0.16196Ω，本实施例电阻仪的型号为Keithley DAQ6510。利用游标卡尺测量打磨后的测量装置宽度w＝7.35mm，测量凹槽两侧的铜箔的长度L1＝L4＝20.00mm。
利用扫描电子显微镜对样品抛光面进行拍摄，测量得到覆铜板两端表面铜箔的平均厚度h1＝h4＝0.1mm。如图4所示将导电银胶与碳纤维束简化成并联等效电路，即导电银胶电阻R2与碳纤维束横向电阻R3组成一个并联电阻R'。
将导电银胶与碳纤维束截面简化成矩形区域如图5所示，通过扫描电子显微镜拍摄图获得导电银胶的平均厚度h2＝0.12mm，长度L2＝1.2mm。
通过如下公式计算出两端铜箔的电阻
并联电阻R′＝R-R0-R1-R4＝0.135Ω，导电银胶的电阻
根据电阻的并联公式可以计算得出碳纤维束横向电阻
通过扫描电子显微镜拍摄图获取碳纤维束截面的长度L3＝1.2mm，平均厚度h3＝0.2mm，通过如下公式计算出碳纤维束的横向电阻率
对其他测量装置重复以上测量计算过程，取碳纤维束的横向电阻率的平均值减少测量误差。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种纤维束横向电阻率的测量装置，包括一个玻璃纤维板(1)，其特征是，所述的玻璃纤维板(1)表面覆一层导电金属箔(2)，覆导电金属箔(2)一面的玻璃纤维板(1)中心线位置开设一条凹形槽(3)，所述的凹形槽(3)两端各连接一个与凹形槽(3)深度相同的圆形槽(4)，所述的圆形槽(4)的直径大于凹形槽(3)的宽度，所述的玻璃纤维板(1)在凹形槽(3)两侧分别对称设置有通孔(5)，所述的通孔(5)与导线电极(6)通过导电银胶(9)固定连接并确保导线电极(6)与导电金属箔(2)相接触，纤维束试样(7)放置于凹形槽(3)中，所述的纤维束试样(7)的两端用胶水(8)固定在圆形槽(4)中，沿凹形槽(3)方向均匀涂抹一层导电银胶(9)对纤维束试样(7)进行固定，保证导电银胶(9)与导电金属箔(2)相接触，待导电银胶(9)干燥并固化后形成测量装置预制体，电阻仪与导线电极(6)连接，所述的电阻仪对导线电极(6)、导电金属箔(2)、纤维束试样(7)和导电银胶(9)构成的导电回路进行电阻数据的采集。
2.根据权利要求1所述的一种纤维束横向电阻率的测量装置，其特征是：所述的玻璃纤维板(1)为方形或长方形，所述的测量装置预制体浸入环氧树脂中进行常温固化形成测量装置。
3.根据权利要求1所述的一种纤维束横向电阻率的测量装置，其特征是：所述的导电金属箔(2)具体为铜箔或铝箔。
4.根据权利要求2所述的一种纤维束横向电阻率的测量装置，其特征是：所述的通孔(5)数量为多组，靠近玻璃纤维板(1)边界处并延凹形槽(3)对称设置，所述的测量装置可分割为多个，每个测量装置中包含一组对称设置的通孔，每个测量装置的导线电极(6)与电阻仪连接并通过电阻仪对导线电极(6)、导电金属箔(2)、纤维束试样(7)和导电银胶(9)构成的导电回路进行电阻数据的采集。
5.根据权利要求1所述的一种纤维束横向电阻率的测量装置，其特征是：所述的电阻仪通过开尔文测试夹与导线电极(6)连接。
6.一种纤维束横向电阻率的测量方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一，对玻璃纤维板(1)表面覆一层导电金属箔(2)，覆导电金属箔(2)一面的玻璃纤维板(1)中心线位置开设一条凹形槽(3)，在凹形槽(3)的两端各开设一个与凹形槽(3)深度相同且直径大于凹形槽(3)宽度的圆形槽(4)，所述的玻璃纤维板(1)在凹形槽(3)两侧靠玻璃纤维板(1)边界位置分别对称开设多个通孔(5)，导线电极(6)与通孔(5)固定连接并与导电金属箔(2)相接触；
步骤二，将纤维束试样(7)放置于凹形槽(3)中，纤维束试样(7)的两端用胶水(8)固定在圆形槽(4)中，待胶水(8)固化，沿凹形槽(3)方向均匀涂抹一层导电银胶(9)对纤维束试样(7)进行固定，保证导电银胶(9)与导电金属箔(2)相接触，通孔(5)与导线电极(6)通过导电银胶(9)固定连接并确保导线电极(6)与导电金属箔(2)相接触，待导电银胶(9)固化后制成测量装置预制体；
步骤三，将测量装置预制体置于硅胶模具中，向模具中倒入环氧树脂中进行常温固化，待完全固化后取出测量装置，将测量装置置于激光切割机中进行切割，每一份中确保为一组通孔(5)，对切割好的每一份测量装置中的纤维束试样(7)截面进行打磨并进行镜面抛光；
步骤四，使用电阻仪通过开尔文测试夹与打磨好的测量装置的导线电极(6)相连接，获取测量装置的导电回路电阻值R，消除导电回路中导线电极(6)电阻R0、导电金属箔(2)电阻R1和R4及导电银胶(9)电阻R2的影响，计算得到测量装置中纤维束试样(7)的横向电阻R3进而计算出纤维束试样(7)的横向电阻率；
步骤五，测量出每一份测量装置中纤维束试样(7)的横向电阻率，取平均值最终得到纤维束试样(7)的横向电阻率。
7.根据权利要求6所述的一种纤维束横向电阻率的测量方法，其特征是，所述的步骤一中，导线电极(6)与通孔(5)采用穿孔缠绕的方式固定在玻璃纤维板(1)边缘，进而采用导电银胶(9)涂抹在导线电极(6)及通孔(5)处，对导线电极(6)加固的同时降低了导线电极(6)与导电金属箔(2)的接触电阻。
8.根据权利要求6所述的一种纤维束横向电阻率的测量方法，其特征是，所述的步骤四中，
导线电极(6)电阻R0在试验前提前测量好；
导电金属箔(2)电阻R1和R4的测量方法：首先测量测量装置中导电金属箔(2)的宽度w，其次测量凹形槽(3)两侧的导电金属箔(2)的长度L1和L4，再次测量导电金属箔(2)两端部的平均厚度h1和h4，计算导电金属箔(2)的电阻
导电银胶(9)电阻R2的测量方法：将测量装置中的导电银胶(9)与纤维束试样(7)简化成并联等效电路，即导电银胶(9)电阻R2与纤维束试样(7)的横向电阻R3组成并联电阻R′，测量导电银胶(9)的平均厚度h2及长度L2，并联电阻的计算公式为R′＝R-R0-R1-R4，导电银胶(9)的电阻
纤维束试样(7)的横向电阻R3的计算方法：根据电阻的并联公式计算得出
纤维束试样(7)的横向电阻率的计算方法：将纤维束试样(7)的横向截面简化成矩形区域，测量得到纤维束试样(7)的横向截面的长度L3和高度h3，计算得到纤维束试样(7)的横向电阻率
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| CN202310256834.8A Pending CN116338312A (zh) | 2023-03-16 | 2023-03-16 | 一种纤维束横向电阻率的测量装置及测量方法 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN116338312A (zh) |
-
2023
- 2023-03-16 CN CN202310256834.8A patent/CN116338312A/zh active Pending
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