專利名稱：一種碳纖維復(fù)合材料的人工雷擊損傷測(cè)試裝置和測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料測(cè)試領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)裝置，尤其涉及碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的人工雷擊損傷測(cè)試裝置和測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
隨著航空制造技術(shù)的不斷發(fā)展，無論軍用飛機(jī)還是民用飛機(jī)都大量地使用了復(fù)合材料，尤其是高性能碳纖維復(fù)合材料，在“夢(mèng)幻客機(jī)”波音787中復(fù)合材料用量更是高達(dá)50%。與傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、密度低、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞性和耐腐蝕性好等性質(zhì)，越來越多地被應(yīng)用于航空航天工業(yè)中。雷電是一種極具破壞力的自然現(xiàn)象。一般來說，I架飛機(jī)平均每3000飛行小時(shí)就有I次遭雷擊的機(jī)會(huì)，尤其是在多雷雨地區(qū)。飛機(jī)遭受雷擊的報(bào)道屢見不鮮。防雷是飛機(jī)研發(fā)和生產(chǎn)中必須考慮的重要因素之一。為了提高飛機(jī)的綜合性能，減少飛機(jī)重量，現(xiàn)代大型客機(jī)越來越多地使用了先進(jìn)復(fù)合材料。復(fù)合材料構(gòu)件的大量使用明顯地提高了飛機(jī)的綜合性能，但是復(fù)合材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性比金屬材料差，且呈現(xiàn)各向異性的特點(diǎn)，雷擊過程中釋放的電流不能及時(shí)通過放電刷消除，滯留在復(fù)合材料構(gòu)件上的電荷有可能沖過絕緣間隙，沖向?qū)w，產(chǎn)生火花，甚至接觸油箱而燃燒爆炸，使得飛機(jī)遭遇雷擊后造成事故的可能性增大，因此復(fù)合材料構(gòu)件的雷擊防護(hù)問題引起了人們的特別關(guān)注。為了提高飛機(jī)安全性，復(fù)合材料的人工雷擊損傷測(cè)試成為了重要課題。任何新型復(fù)合材料在飛機(jī)上應(yīng)用前都必須經(jīng)過雷擊測(cè)試，波音、空客等飛機(jī)制造商都有復(fù)雜的雷擊模擬與測(cè)試設(shè)備。在“大型飛機(jī)”國(guó)家重大專項(xiàng)以及材料技術(shù)“結(jié)構(gòu)功能復(fù)合化”發(fā)展趨勢(shì)的大背景下，對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行人工雷擊損傷測(cè)試，有助于改善其導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，保證其在飛機(jī)上應(yīng)用的安全性。雷電是瞬間放電現(xiàn)象，電壓極高(幾十萬伏)，電流極大(幾萬安培)，破壞作用強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)室和飛機(jī)制造商通過高電壓或高電流發(fā)生設(shè)備來人工模擬自然界的雷擊過程，用來測(cè)試復(fù)合材料的抗雷擊能力，以此改善材料性能。人工模擬材料遭受雷擊過程需要兩部分實(shí)驗(yàn)裝置人工雷電發(fā)生設(shè)備(例如，沖擊電壓發(fā)生器SJTU-3000kV)和試樣測(cè)試裝置。沖擊電壓發(fā)生器和沖擊電流發(fā)生器可產(chǎn)生符合IEC60060-1、IEC61000-4-5、DL/T848. 5-2004、GB/T311、GB/T16927. 1-1997等標(biāo)準(zhǔn)的人工模擬雷電，用于材料和器件雷擊測(cè)試。人工雷電會(huì)產(chǎn)生高電壓或高電流，實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性高、特殊性強(qiáng)，不能使用傳統(tǒng)的固定和支撐機(jī)構(gòu)、導(dǎo)電電路、絕緣防護(hù)機(jī)構(gòu)、測(cè)試儀表等組成的測(cè)試裝置。為了充分保障安全性，設(shè)計(jì)一種可靠、方便的碳纖維復(fù)合材料的人工雷擊損傷測(cè)試裝置顯得十分必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，提供一種碳纖維復(fù)合材料的人工雷擊損傷測(cè)試裝置和測(cè)試方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明的碳纖維復(fù)合材料的人工雷擊損傷測(cè)試裝置，包括絕緣支架和引雷針，在絕緣支架的頂部設(shè)有上絕緣防護(hù)板、底部設(shè)有下絕緣防護(hù)板，在下絕緣防護(hù)板的上表面上設(shè)有導(dǎo)流板，所述的導(dǎo)流板接地，所述的引雷針的一端穿過上絕緣防護(hù)板，伸入到導(dǎo)流板的上方，引雷針的另一端與人工雷電發(fā)生設(shè)備相連，且連接的電路上設(shè)有電流測(cè)量?jī)x，所述的導(dǎo)流板與人工雷電發(fā)生設(shè)備相連，且連接的電路上設(shè)有電壓測(cè)量?jī)x。所述的絕緣支架上設(shè)有可視窗口，與可視窗口相對(duì)應(yīng)的位置設(shè)有CXD攝像機(jī)，且所述的CCD攝像機(jī)設(shè)于絕緣支架的外面。所述的引雷針穿過上絕緣防護(hù)板的部分套有膠管，引雷針的高度有膠管和定距塊共同控制。所述的上絕緣防護(hù)板、下絕緣防護(hù)板的中心加工有通孔。所述的導(dǎo)流板和引雷針均采用導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好的純銅材料。所述的膠管采用的是聚氨酯彈性體。所述的上絕緣防護(hù)板、下絕緣防護(hù)板、絕緣支架，都采用高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂材料。利用所述的裝置進(jìn)行人工雷擊損傷測(cè)試的方法，包括如下步驟(I)準(zhǔn)備試驗(yàn)裝置(1-1)將下絕緣防護(hù)板放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，依次在下絕緣防護(hù)板上放置導(dǎo)流板和絕緣支架；(1-2)將待測(cè)的復(fù)合材料試樣放置在導(dǎo)流板的上表面中心，然后固定，并在復(fù)合材料試樣中心按照設(shè)計(jì)間距放置好定距塊；(1-3)將膠管插入上絕緣防護(hù)板的中心通孔內(nèi)，使兩者緊密接觸并可靠固定；(1-4)將上絕緣防護(hù)板放置在絕緣支架上，調(diào)節(jié)上絕緣防護(hù)板的位置使膠管位于定距塊的正上方；(1-5)在膠管內(nèi)自上而下插入引雷針，直到引雷針的尖端與定距塊的上表面接觸，固定引雷針，防止下滑或偏斜；(1-6)連接導(dǎo)流板、引雷針、電流測(cè)量?jī)x、電壓測(cè)量?jī)x和人工雷電發(fā)生設(shè)備之間的導(dǎo)線/接地線，放置好CXD攝像機(jī)；(1-7)抽去定距塊，打開CXD攝像機(jī)，進(jìn)行雷擊測(cè)試；(2)測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算雷擊放電能量( 2-1)用電壓測(cè)量?jī)x測(cè)量雷擊過程中的總電壓變化，用電流測(cè)量?jī)x測(cè)量雷擊過程中的總電流變化；(2-2)雷擊過程中的總能量用電壓測(cè)量?jī)x、電流測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)計(jì)算得到，E= f uidt,式中u表示某一時(shí)刻的瞬態(tài)電壓，i表示某一時(shí)刻的瞬態(tài)電流，t表示雷擊放電時(shí)間。本發(fā)明的有益效果是本裝置中的零部件組裝和拆卸方便，易于更換各個(gè)零部件、精確調(diào)節(jié)引雷針和試樣之間的距離，還可以高效、方便地更換測(cè)試試樣，并測(cè)試各種幾何尺寸、不同種類的復(fù)合材料。上絕緣防護(hù)板、下絕緣防護(hù)板、絕緣支架，都采用絕緣性好的高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂材料，內(nèi)部含絕緣性好的玻璃纖維布，耐高溫，耐高壓，使用壽命長(zhǎng)，尺寸穩(wěn)定。上、下絕緣防護(hù)板的中心均加工有通孔，絕緣支架上加工有可視窗口，便于CXD攝像機(jī)錄制雷擊現(xiàn)象。導(dǎo)流板和引雷針均采用導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好的純銅材料，對(duì)表面磨削處理。銅板用于放置復(fù)合材料試樣和可靠接地；引雷針用于產(chǎn)生雷擊電弧。把引雷針可靠固定于上絕緣防護(hù)板的膠管采用高性能的聚氨酯彈性體，其可以和引雷針緊密地接觸，依靠靜摩擦力防止引雷針的滑移錯(cuò)位。同時(shí)，配合定距塊，可以方便、精確地調(diào)控引雷針與復(fù)合材料試樣之間的距離，用來研究引雷針的放電尖端和復(fù)合材料試樣之間的法向距離對(duì)電弧以及復(fù)合材料雷擊損傷的影響。定距塊為用不銹鋼材料磨削的長(zhǎng)方體，這些定距塊的高度不同，用于精確調(diào)節(jié)引雷針的放電尖端和復(fù)合材料試樣之間的距離。為了計(jì)算雷擊過程的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，電壓電流測(cè)量?jī)x與高電壓發(fā)生器或高電流發(fā)生器連接，并連接計(jì)算機(jī)，自動(dòng)記錄放電過程的電壓電流大小和波形。CCD攝像機(jī)用來自動(dòng)記錄雷擊時(shí)的間隙放電、復(fù)合材料試樣的冒煙著火以及各種動(dòng)態(tài)變形現(xiàn)象。通過本裝置，可以研究復(fù)合材料的人工雷擊損傷過程，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)復(fù)合材料的抗雷擊性能。該測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)可靠、操作安全方便，能夠準(zhǔn)確評(píng)估碳纖維復(fù)合材料的雷擊損傷阻抗和損傷容限，促進(jìn)碳纖維復(fù)合材料的深入研究，改善碳纖維復(fù)合材料的性能。研究的方面如下1.材料物理參數(shù)(各向異性的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、比熱容)，試樣幾何參數(shù)(長(zhǎng)度、寬度、高度)，材料制備工藝參數(shù)(鋪層角度、鋪層厚度、纖維體積分?jǐn)?shù))等諸多因素對(duì)碳纖維復(fù)合材料的人工雷擊損傷的影響；2.復(fù)合材料試樣發(fā)生人工雷擊損傷的破壞形貌(深度、面積、位置、形狀等)和損傷機(jī)理；3.引雷針的放電尖端和復(fù)合材料試樣之間的距離對(duì)電弧以及復(fù)合材料雷擊損傷的影響；4.人工模擬雷擊的能量、電壓和電流大小以及電壓電流波形對(duì)碳纖維復(fù)合材料的人工雷擊損傷的影響。以實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，分析雷擊過程各種因素，探討雷擊對(duì)復(fù)合材料的破壞機(jī)理，建立碳纖維復(fù)合材料的人工雷擊損傷的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)復(fù)合材料的抗雷擊性能，為碳纖維復(fù)合材料在航空航天上的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，從而促進(jìn)復(fù)合材料在我國(guó)航空航天、汽車、建筑、風(fēng)電等領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。


圖1是本發(fā)明的碳纖維復(fù)合材料的人工雷擊損傷測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1、引雷針；2、膠管；3、上絕緣防護(hù)板；4、絕緣支架；5、復(fù)合材料試樣；6、導(dǎo)流板；7、下絕緣防護(hù)板；8、電流測(cè)量?jī)x；9、電壓測(cè)量?jī)x；10、人工雷電發(fā)生設(shè)備；11、通孔；12、CXD攝像機(jī)；13、定距塊。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明本發(fā)明的碳纖維復(fù)合材料的人工雷擊損傷測(cè)試裝置，包括引雷針I(yè)和絕緣支架4，在絕緣支架4的上面設(shè)有上絕緣防護(hù)板3、下面設(shè)有下絕緣防護(hù)板7，在下絕緣防護(hù)板7上設(shè)有導(dǎo)流板6，在所述的下絕緣防護(hù)板7上設(shè)有通孔11，導(dǎo)流板6接地，引雷針I(yè)的一端穿過上絕緣防護(hù)板3，伸入到導(dǎo)流板6的上方。引雷針I(yè)的另一端與人工雷電發(fā)生設(shè)備10相連，且連接的電路上設(shè)有電流測(cè)量?jī)x8。所述的導(dǎo)流板6連接待測(cè)試樣和接地線，且連接的電路上設(shè)有電壓測(cè)量?jī)x9。絕緣支架4上設(shè)有可視窗口，與可視窗口相對(duì)應(yīng)的位置設(shè)有CCD攝像機(jī)12，且所述的CXD攝像機(jī)12設(shè)于絕緣支架4的外面。引雷針I(yè)穿過上絕緣防護(hù)板3的部分套有膠管2。上絕緣防護(hù)板3和下絕緣防護(hù)板7的中心均加工有通孔。導(dǎo)流板6和引雷針I(yè)均采用導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好的純銅材料。膠管2采用的是聚氨酯彈性體。上絕緣防護(hù)板3、下絕緣防護(hù)板7、絕緣支架4，都采用高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂材料，定距塊13為不銹鋼材料。人工雷電發(fā)生設(shè)備10采用的是沖擊電壓發(fā)生器SJTU_3000kV。本裝置用于復(fù)合材料的人工雷擊損傷測(cè)試，包括如下步驟( I)準(zhǔn)備試驗(yàn)裝置(1-1)將下絕緣防護(hù)板7放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，依次放置導(dǎo)流板6和絕緣支架4。(1-2)將待測(cè)的復(fù)合材料試樣5放置在導(dǎo)流板6的上表面中心，然后固定，并在復(fù)合材料試樣5中心按照設(shè)計(jì)間距放置好定距塊13。(1-3)將膠管2插入上絕緣防護(hù)板3的中心通孔內(nèi)，使兩者緊密接觸并可靠固定。(1-4)將上絕緣防護(hù)板3放置在絕緣支架4上，調(diào)節(jié)上絕緣防護(hù)板3的位置使膠管2位于定距塊13的正上方。(1-5)在膠管2內(nèi)自上而下插入引雷針1，直到引雷針I(yè)的尖端與定距塊13的上表面接觸，固定引雷針1，防止下滑或偏斜。(1-6)按照?qǐng)D1所示的電路，連接導(dǎo)流板6、引雷針1、電流測(cè)量?jī)x8、電壓測(cè)量?jī)x9和人工雷電發(fā)生設(shè)備10之間的導(dǎo)線/接地線，放置好CXD攝像機(jī)12。(1-7)抽去定距塊13，打開CXD攝像機(jī)12，進(jìn)行雷擊測(cè)試。(2)測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算雷擊放電能量(2-1)用電壓測(cè)量?jī)x9測(cè)量雷擊過程中的總電壓變化，用電流測(cè)量?jī)x8測(cè)量雷擊過程中的總電流變化。(2-2)雷擊過程中的總能量用電壓測(cè)量?jī)x9、電流測(cè)量?jī)x8的數(shù)據(jù)計(jì)算得到，E= f uidt,式中u表示某一時(shí)刻的瞬態(tài)電壓，i表示某一時(shí)刻的瞬態(tài)電流，t表示雷擊放電時(shí)間。
權(quán)利要求
1.一種碳纖維復(fù)合材料的人工雷擊損傷測(cè)試裝置，其特征在于包括絕緣支架和引雷針，在絕緣支架的頂部設(shè)有上絕緣防護(hù)板、底部設(shè)有下絕緣防護(hù)板，在下絕緣防護(hù)板的上表面上設(shè)有導(dǎo)流板，所述的導(dǎo)流板接地，所述的引雷針的一端穿過上絕緣防護(hù)板，伸入到導(dǎo)流板的上方，所述的引雷針的另一端與人工雷電發(fā)生設(shè)備相連，且連接的電路上設(shè)有電流測(cè)量?jī)x，所述的導(dǎo)流板與人工雷電發(fā)生設(shè)備相連，且連接的電路上設(shè)有電壓測(cè)量?jī)x。
2.如權(quán)利要求1所述的人工雷擊損傷測(cè)試裝置，其特征在于所述的絕緣支架上設(shè)有可視窗口，可視窗口對(duì)應(yīng)的位置設(shè)有CCD攝像機(jī)，且所述的CCD攝像機(jī)設(shè)于絕緣支架的外面。
3.如權(quán)利要求1所述的人工雷擊損傷測(cè)試裝置，其特征在于所述的引雷針穿過上絕緣防護(hù)板的部分套有膠管。
4.如權(quán)利要求3所述的人工雷擊損傷測(cè)試裝置，其特征在于所述的膠管采用的是聚氨酯彈性體。
5.如權(quán)利要求1所述的人工雷擊損傷測(cè)試裝置，其特征在于所述的上絕緣防護(hù)板的中心加工有通孔。
6.如權(quán)利要求1所述的人工雷擊損傷測(cè)試裝置，其特征在于所述的導(dǎo)流板和引雷針均采用導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好的純銅材料。
7.如權(quán)利要求1所述的人工雷擊損傷測(cè)試裝置，其特征在于所述的上絕緣防護(hù)板、下絕緣防護(hù)板、絕緣支架，均采用高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂材料。
8.利用權(quán)利要求1所述的裝置進(jìn)行人工雷擊損傷測(cè)試的方法，包括如下步驟(1)準(zhǔn)備試驗(yàn)裝置(1-1)將下絕緣防護(hù)板放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，依次在下絕緣防護(hù)板上放置導(dǎo)流板和絕緣支架；(1-2)將待測(cè)的復(fù)合材料試樣放置在導(dǎo)流板的上表面中心，然后固定，并在復(fù)合材料試樣中心按照設(shè)計(jì)間距放置好定距塊；(1-3)將膠管插入上絕緣防護(hù)板的中心通孔內(nèi)，使兩者緊密接觸并可靠固定；(1-4)將上絕緣防護(hù)板放置在絕緣支架上，調(diào)節(jié)上絕緣防護(hù)板的位置使膠管位于定距塊的正上方；(1-5)在膠管內(nèi)自上而下插入引雷針，直到引雷針的尖端與定距塊的上表面接觸，固定引雷針，防止下滑或偏斜；(1-6)連接導(dǎo)流板、引雷針、電流測(cè)量?jī)x、電壓測(cè)量?jī)x和人工雷電發(fā)生設(shè)備之間的導(dǎo)線/ 接地線，放置好CXD攝像機(jī)；(1-7)抽去定距塊，打開CXD攝像機(jī)，進(jìn)行雷擊測(cè)試；(2)測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算雷擊放電能量(2-1)用電壓測(cè)量?jī)x測(cè)量雷擊過程中的總電壓變化，用電流測(cè)量?jī)x測(cè)量雷擊過程中的總電流變化；(2-2)雷擊過程中的總能量用電壓測(cè)量?jī)x、電流測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)計(jì)算得到，E= / uidt，式中u表不某一時(shí)刻的瞬態(tài)電壓，i表不某一時(shí)刻的瞬態(tài)電流，t表不雷擊放電時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明具體公開了一種碳纖維復(fù)合材料的人工雷擊損傷測(cè)試裝置和測(cè)試方法，包括絕緣支架和引雷針，在絕緣支架的上面設(shè)有上絕緣防護(hù)板、下面設(shè)有下絕緣防護(hù)板，在下絕緣防護(hù)板上設(shè)有導(dǎo)流板，在所述的下絕緣防護(hù)板上設(shè)有通孔，所述的導(dǎo)流板接地，所述的引雷針的一端穿過上絕緣防護(hù)板，伸入到導(dǎo)流板的上方。該測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)可靠、操作安全方便，能夠準(zhǔn)確評(píng)估碳纖維復(fù)合材料的雷擊損傷阻抗和損傷容限，促進(jìn)碳纖維復(fù)合材料的深入研究，改善碳纖維復(fù)合材料的性能。
文檔編號(hào)G01R31/12GK103018645SQ201310015398
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2013年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月16日
發(fā)明者賈玉璽, 郭云力 申請(qǐng)人:山東大學(xué)