碳纖維復合材料層合板小電流伏安特性的測量方法及測量裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于碳纖維復合材料層合板小電流伏安特性的測量，特別涉及航空航天用碳纖維復合材料層合板小電流伏安特性的測量方法及測量裝置。
【背景技術】
[0002]碳纖維復合材料既具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、耐化學腐蝕等特性，又具有紡織纖維的柔軟可加工性，廣泛應用于航空航天、軍事及民用工業(yè)等各個領域。隨著飛機設計的改進和碳纖維復合材料技術的進步，碳纖維增強型聚合物復合材料CFRP(CarbonFiber Reinforced Polymers)在大型民用飛機、軍用飛機、無人機及隱形飛機上的用量不斷增長，從1960年麥道公司DC-9機型上CFRP的用量不足I %，到2011年末波音B787的主翼、尾翼、機體、地板等結構的50%用的是CFRP材料，預計2014年中期投入運行的空客A350XWA上CFRP材料所占的比例達到53 %。
[0003]相比較飛機中傳統(tǒng)使用的招、鋼和鈦合金材料，CFRP的電傳導性能差。一般來講，CFRP層合板經向方向的電阻率為10 5 Ω.πι量級、橫向平面方向的電阻率為11Q.πι量級、深度/厚度方向的電阻率更大。這就使得CFRP層合板在雷擊情況下無法像金屬材料那樣具有短時間使積累的電荷迅速轉移或擴散的能力，這部分積聚的能量以焦耳熱的形式使得CFRP溫度急劇升高，從而導致CFRP的纖維斷裂、樹脂熱解、深度分層等嚴重損傷。
[0004]自CFRP問世以來，諸多學者就將研究熱點集中在其機械特性的研究方面，得出了機械沖擊參量與CFRP的抗拉伸強度、抗壓縮強度及損傷區(qū)域和損傷深度之間的關系規(guī)律。但是，雷電對飛機的直接效應包含著大電流引發(fā)的高壓沖擊波、磁場力及焦耳熱效應，因此，雷電對碳纖維復合材料層合板的雷擊損傷作用與機械沖擊損傷存在著巨大差異。美國機動工程師協(xié)會SAE、美國軍用標準MIL STD和歐洲民航組織EUR0CAE對飛機及其部件的雷電直接效應的試驗波形和試驗方法做了詳細規(guī)定，但碳纖維復合材料層合板雷電直接效應的試驗波形和試驗方法并未作出規(guī)定。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種碳纖維復合材料層合板小電流伏安特性的測量方法及測量裝置，克服現(xiàn)有固體絕緣材料三電極測試方法不能準確測量半導電型碳纖維復合材料的體電阻和面電阻的顯著缺陷，可以獲得碳纖維復合材料層合板在直流小電流區(qū)域的非線性伏安特性，同時還可以獲得碳纖維復合材料的體電阻特性，為碳纖維復合材料層合板雷電直接效應的試驗波形和試驗方法的制定提供依據(jù)。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明的裝置包括可調直流電源以及設置在可調直流電源高壓輸出端的限流電阻，限流電阻的另一端通過圓盤電極A與被試碳纖維復合材料層合板的一端面連接，被測試碳纖維復合材料層合板的另一端與圓柱電極B相連；在圓柱電極B的外側還設計有與被試碳纖維復合材料層合板相連的圓環(huán)形電極C，圓柱電極B通過第一電阻R1接可調直流電源的低壓端并接參考地，圓環(huán)形電極C通過第二電阻R2與可調直流電源的低壓端相連并接參考地，在圓柱形電極B與參考地之間接有第一電壓傳感器；在圓盤電極B與參考地之間接有第二電壓傳感器，在圓環(huán)形電極C與參考地之間接有第三電壓傳感器，第一、第二、第三電壓傳感器組成的電壓取樣單元的輸出接計算機測控與分析單元。
[0008]所述的計算機測控與分析單元包括依次相連的A/D模數(shù)轉換器、計算機和D/A數(shù)模轉換器，A/D模數(shù)轉換器接收來自第一、第二、第三電壓傳感器的信號，并將接收到的模擬信號轉變成數(shù)字信號后傳遞給計算機，經計算得到通過被試碳纖維復合材料層合板的電流信號和兩端的電壓信號和面電流信號，同時，D/A數(shù)模轉換器輸出模擬信號控制可調直流電源的輸出電壓。
[0009]本發(fā)明的測量方法，包括以下步驟:
[0010]I)將被試碳纖維復合材料層合板安裝在圓盤電極A與圓柱電極B、圓環(huán)形電極C之間；
[0011]2)在計算機人機交互顯示界面上輸入碳纖維復合材料層合板直流小電流伏安特性的實驗參數(shù)，包括起始電流值或最小I1、終止電流值In、電流級差Al即兩個電流等級之間的差值、限流電阻的阻值以及可調直流電源輸出電壓的上升速率V;
[0012]3)計算機測控與分析單元按照事先設定的電壓上升速率V，通過計算機測控與分析單元的D/A數(shù)模轉換器輸出相應的模擬電壓值至可調直流電源的輸入端，當通過被測試品碳纖維復合材料的電流達到預先設定的初始電流值^時，停止升壓，并將此時對應的電壓取樣單元的第一、第二、第三電壓傳感器的模擬量通過計算機測控與分析單元的A/D模數(shù)轉換器進行數(shù)據(jù)采集，然后傳給計算機測控與分析單元的計算機進行數(shù)據(jù)分析，得到初始電流^及對應的被測試碳纖維復合材料層合板兩端的電壓U工和被測試碳纖維復合材料層合板⑶的面電流Isl;
[0013]4)繼續(xù)通過計算機測控與分析單元的D/A數(shù)模轉換器輸出控制使可調直流電源I的輸出電壓升高，使得通過被試碳纖維復合材料層合板的電流達到(I1+A I)時，停止升壓，并將此時第一、第二電壓傳感器的模擬量通過計算機測控與分析單元的A/D模數(shù)轉換器進行數(shù)據(jù)采集，然后傳給計算機測控與分析單元的計算機進行數(shù)據(jù)分析，得到電流I2(+A I)及對應的被試碳纖維復合材料層合板兩端的電壓U2和被測試碳纖維復合材料層合板(3)的面電流Is2;
[0014]5)重復步驟4)直到通過被試碳纖維復合材料層合板的電流達到In和被測試碳纖維復合材料層合板(3)的面電流Isn為止；
[0015]6)將得到的一組電流-電壓值(I1, U1)、(I2, U2)……(In，Un)連接起來得到被試碳纖維復合材料層合板直流小電流下的伏安特性曲線；
[0016]7)根據(jù)得到的一組電流-電壓值(I1, U1)、(I2, U2)……(In，Un)，采用數(shù)值擬合方法得到被試碳纖維復合材料層合板的電壓-電流(伏-安)關系表達式。
[0017]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0018]本發(fā)明的可調直流電源的輸出由計算機測控與分析單元通過D/A數(shù)模轉換器控制，三個電壓傳感器的輸出通過12或16位高分辨率的A/D模數(shù)采集單元，通過被試碳纖維復合材料層合板的電流為電壓傳感器上的電壓除以電阻R1阻值，電壓傳感器測得的電壓差即為被試碳纖維復合材料層合板兩端的電壓。通過計算機測控與分析單元改變可調直流電源的電壓輸出就可以獲得一組被試碳纖維復合材料層合板兩端的電壓與通過的電流值，從而獲得被試碳纖維復合材料層合板直流小電流下的伏安特性曲線及非線性系數(shù)。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的航空航天用碳纖維復合材料層合板小電流特性的三電極測試方法和測試裝置的組成框圖；
[0020]圖2是本發(fā)明的航空航天用碳纖維復合材料層合板小電流特性的三電極測試方法和測試裝置的計算機測控與分析單元組成框圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖及實施例對本發(fā)明的結構原理和工作原理作進一步詳細說明。
[0022]參見圖1，本發(fā)明的測試裝置可調直流電源I以及設置在可調直流電源I高壓輸出端的限流電阻2，限流電阻2的另一端通過圓盤電極A與被試碳纖維復合材料層合板3的一端面連接，被測試碳纖維復合材料層合板3的另一端與圓柱電極B相連；在圓柱電極B的外側還設計有與被試碳纖維復合材料層合板3相連的圓環(huán)形電極C，圓柱電極B通過第一電阻札接可調直流電源I的低壓端并接參考地，圓環(huán)形電極C通過第二電阻1?2與可調直流電源I的低壓端相連并接參考地，在圓柱形電極B與參考地之間接有第一電壓傳感器8 ;在圓盤電極B與參考地之間接有第二電壓傳感