一種碳纖維復(fù)合材料的沖擊力測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種碳纖維復(fù)合材料的測(cè)量，尤其是一種碳纖維復(fù)合材料在雷電作用下所承受的沖擊力的測(cè)量方法及測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維復(fù)合材料既具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕等特性，又具有紡織纖維的柔軟可加工性，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事及民用工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)的改進(jìn)和碳纖維復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)步，碳纖維增強(qiáng)型聚合物復(fù)合材料CFRP(CarbonFiber Reinforced Polymers)在大型民用飛機(jī)、軍用飛機(jī)、無人機(jī)及隱形飛機(jī)上的用量不斷增長，從1960年麥道公司DC-9機(jī)型上CFRP的用量不足1%，到2011年末波音B787的主翼、尾翼、機(jī)體、地板等結(jié)構(gòu)的50%用的是CFRP材料，預(yù)計(jì)2014年中期投入運(yùn)行的空客A350XWA上CFRP材料所占的比例達(dá)到53 %。
[0003]相比較飛機(jī)中傳統(tǒng)使用的招、鋼和鈦合金材料，CFRP的電傳導(dǎo)性能差。一般來講，CFRP層合板經(jīng)向方向的電阻率為10 5 Ω.πι量級(jí)、橫向平面方向的電阻率為104.πι量級(jí)、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(shí)間使積累的電荷迅速轉(zhuǎn)移或擴(kuò)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(dǎo)致CFRP的纖維斷裂、樹脂熱解、深度分層等嚴(yán)重?fù)p傷。
[0004]但雷電對(duì)飛機(jī)的直接效應(yīng)除包含有包含著大電流引發(fā)的磁場(chǎng)力及焦耳熱效應(yīng)外，還包含雷電高壓沖擊波的沖擊力效應(yīng)。美國機(jī)動(dòng)工程師協(xié)會(huì)SAE、美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL STD和歐洲民航組織EUR0CAE對(duì)飛機(jī)及其部件的雷電直接效應(yīng)的試驗(yàn)波形和試驗(yàn)方法做了詳細(xì)規(guī)定，但碳纖維復(fù)合材料層合板在雷電作用下所承受的沖擊力而引起的損傷和破壞效應(yīng)研究并不太多。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種碳纖維復(fù)合材料的沖擊力測(cè)量裝置及方法，其能夠得到碳纖維復(fù)合材料層合板在雷電沖擊作用下雷電強(qiáng)度與層合板形變或沖擊力之間的內(nèi)在關(guān)系。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明首先提出一種碳纖維復(fù)合材料的沖擊力測(cè)量裝置，包括脈沖電源1、被試碳纖維復(fù)合材料層合板2、壓電傳感器3、壓電信號(hào)處理單元4、脈沖電流檢測(cè)單元5和計(jì)算機(jī)控制與分析處理單元6 ;所述脈沖電源1的高壓輸出端與金屬棒狀電極12相連，金屬棒狀電極12與被試碳纖維復(fù)合材料層合板2的表面垂直并正對(duì)被試碳纖維復(fù)合材料層合板2的中心，被試碳纖維復(fù)合材料層合板2的另一端面通過平板電極13與脈沖電源1的低壓端相連；在平板電極13的中央開設(shè)有安裝絕緣板14的圓形或方形槽孔，所述絕緣板14的中央開設(shè)有安裝壓電傳感器3的槽孔，壓電傳感器3的表面與絕緣板14的表面平齊并與被試碳纖維復(fù)合材料層合板2緊密接觸；在被試碳纖維復(fù)合材料層合板2與脈沖電源1的低壓端的連線上套接有脈沖電流檢測(cè)單元5。
[0008]進(jìn)一步，上述脈沖電源1為可控強(qiáng)度的脈沖電源。脈沖電源1由可控充電電源7、儲(chǔ)能電容8、放電開關(guān)9、波形形成元器件10以及放電電壓傳感器11組成。
[0009]進(jìn)一步，以上壓電傳感器3是具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)材料。壓電傳感器3是壓電晶體、壓電陶瓷或壓電薄膜材料。或者壓電傳感器3是光纖光柵分布式傳感器。
[0010]進(jìn)一步，上述壓電信號(hào)處理單元4的作用是將壓電傳感器取樣的信號(hào)進(jìn)行處理，以便于壓電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。
[0011]上述計(jì)算機(jī)控制與分析處理單元6包括可編程控制單元15、示波器16、數(shù)據(jù)采集單元17以及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)18。
[0012]本發(fā)明還提出一種上述的碳纖維復(fù)合材料的沖擊力測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括以下步驟:
[0013]1)計(jì)算機(jī)控制與分析處理單元6通過控制可編程控制單元15控制脈沖電源1的可控充電電源7對(duì)儲(chǔ)能電容8充電電壓的大?。划?dāng)充電電壓升高到預(yù)先設(shè)置的沖擊強(qiáng)度或沖擊電壓時(shí)，計(jì)算機(jī)控制與分析處理單元6控制可編程控制單元15使放電開關(guān)9閉合，儲(chǔ)能電容8通過波形形成元器件10對(duì)被試碳纖維復(fù)合材料2進(jìn)行沖擊放電；
[0014]2)雷電沖擊對(duì)碳纖維復(fù)合材料層合板2的沖擊作用通過壓電傳感器3檢測(cè)、壓電信號(hào)處理單元4處理后輸入到數(shù)據(jù)采集單元17，數(shù)據(jù)采集單元17將采集結(jié)果傳輸至工業(yè)控制計(jì)算機(jī)18 ;同時(shí)，施加在碳纖維復(fù)合材料層合板2的放電電壓信號(hào)和流經(jīng)的電流信號(hào)經(jīng)放電電壓傳感器11和脈沖電流檢測(cè)單元5的取樣輸入到示波器16，示波器16采集的結(jié)果同樣傳輸至工業(yè)控制計(jì)算機(jī)18 ;工業(yè)控制計(jì)算機(jī)18對(duì)接收到的雷電沖擊作用下碳纖維復(fù)合材料層合板2所承受的沖擊力的壓電信號(hào)、沖擊電壓信號(hào)和流經(jīng)的電流信號(hào)處理和分析后，得到碳纖維復(fù)合材料層合板2所承受的沖擊電壓、流經(jīng)的沖擊電流與層合板所對(duì)應(yīng)承受的沖擊力或所發(fā)生的形變之間的規(guī)律。
[0015]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0016]本發(fā)明的碳纖維復(fù)合材料的沖擊力測(cè)量裝置，該裝置通過可控強(qiáng)度脈沖電源的沖擊電壓或沖擊強(qiáng)度由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過可編程序控制器控制，沖擊電壓和流經(jīng)碳纖維復(fù)合材料層合板的脈沖電流由電壓傳感器和脈沖電流檢測(cè)單元取樣，經(jīng)示波器進(jìn)行采集后傳輸給計(jì)算機(jī)控制和分析處理單元。經(jīng)壓電信號(hào)處理單元處理后的壓電信號(hào)輸入到A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并將模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果傳輸?shù)接?jì)算機(jī)控制與分析處理單元。計(jì)算機(jī)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，便可得到碳纖維復(fù)合材料層合板所承受的沖擊電壓、流經(jīng)的沖擊電流與層合板發(fā)生的形變或承受的沖擊力之間的關(guān)系規(guī)律。本發(fā)明能夠精確的得到碳纖維復(fù)合材料層合板在雷電沖擊作用下雷電沖擊強(qiáng)度與層合板形變或沖擊力之間的內(nèi)在關(guān)系，填補(bǔ)了本領(lǐng)域的技術(shù)空白。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的碳纖維復(fù)合材料層合板在雷電沖擊作用下所承受的沖擊力的測(cè)量方法及測(cè)量裝置的組成框圖；
[0018]圖2是本發(fā)明的碳纖維復(fù)合材料層合板在雷電沖擊作用下所承受的沖擊力的測(cè)量方法及測(cè)量裝置的壓電傳感器的安裝方法；
[0019]圖3是本發(fā)明的碳纖維復(fù)合材料層合板在雷電沖擊作用下所承受的沖擊力的測(cè)量方法及測(cè)量裝置的可控強(qiáng)度脈沖電源的組成框圖；
[0020]圖4是本發(fā)明的碳纖維復(fù)合材料層合板在雷電沖擊作用下所承受的沖擊力的測(cè)量方法及測(cè)量裝置的計(jì)算機(jī)控制與分析處理單元的組成框圖；
[0021]圖5是本發(fā)明的碳纖維復(fù)合材料層合板在雷電沖擊作用下所承受的沖擊力的測(cè)量方法及測(cè)量裝置的測(cè)量方法和測(cè)量流程。
[0022]其中:1為脈沖電源；2為碳纖維復(fù)合材料；3為壓電傳感器；4為壓電信號(hào)處理單元；5為脈沖電流檢測(cè)單元；6為計(jì)算機(jī)控制與分析處理單元；7為可控充電電源；8為儲(chǔ)能電容；9為放電開關(guān)；10為波形形成元器件；11為放電電壓傳感器；12為金屬棒狀電極；13為平板電極；14為絕緣板；15可編程控制單元；16為示波器；17為數(shù)據(jù)采集單元；18為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0024]參見圖1-3:本發(fā)明首先提出一種碳纖維復(fù)合材料的沖擊力測(cè)量裝置，包括脈沖電源1、被試碳纖維復(fù)合材料層合板2、壓電傳感器3、壓電信號(hào)處理單元4、脈沖電流檢測(cè)單元5和計(jì)算機(jī)控制與分析處理單元6 ;脈沖電源1的高壓輸出端與金屬棒狀電極12相連，金屬棒狀電極12與被試碳纖維復(fù)合材料層合板2的表面垂直并正對(duì)被試碳纖維復(fù)合材料層合板2的中心且相距中心有一定的距離(距離可以調(diào)整)，被試碳纖維復(fù)合材料層合板2的另一端面通過平板電極13與脈沖電源1的低壓端相連并接參考地。
[0025]如圖2，在平板電極1