碳纤维复合材料非破坏性雷电流作用下阻抗特性测量方法及测量装置

摘要

本发明公开了一种碳纤维复合材料非破坏性雷电流作用下阻抗特性测量方法及测量装置包括脉冲电流发生电源、脉冲电压与电流取样单元以及计算机测控与分析处理单元。脉冲电流发生电源由充电单元、储能单元、放电开关、波形形成单元组成；计算机测控与分析单元由可编程逻辑控制单元、数据采集单元或示波器以及工业控制计算机组成。脉冲电压与电流取样单元的输出由采集单元采集，并将采集的数字信号传输给工业控制计算机。通过控制储能元件的放电电压，可以获得一组被试碳纤维复合材料层合板中通过的脉冲电流及其对应的脉冲电压值，进而得到被试碳纤维复合材料层合板非破坏性雷电流作用下的非线性伏安特性曲线及非线性系数。

说明书

技术领域

本发明属于碳纤维复合材料雷电流作用下阻抗特性的测量，特别涉 及一种碳纤维复合材料非破坏性雷电流作用下阻抗特性测量方法及测量 装置。

背景技术

碳纤维复合材料既具有低密度、高强度、高模量、耐高温、耐化学 腐蚀等特性，又具有纺织纤维的柔软可加工性，广泛应用于航空航天、 军事及民用工业等各个领域。随着飞机设计的改进和碳纤维复合材料技 术的进步，碳纤维增强型聚合物复合材料CFRP(CarbonFiberReinforced Polymers)在大型民用飞机、军用飞机、无人机及隐形飞机上的用量不 断增长，从1960年麦道公司DC-9机型上CFRP的用量不足1％，到2011 年末波音B787的主翼、尾翼、机体、地板等结构的50％用的是CFRP 材料，预计2014年中期投入运行的空客A350XWA上CFRP材料所占 的比例达到53％。

相比较飞机中传统使用的铝、钢和钛合金材料，CFRP的电传导性 能差。一般来讲，CFRP层合板经向方向的电阻率为10^-5Ω·m量级、横向 平面方向的电阻率为10^-1Ω·m量级、深度/厚度方向的电阻率更大。这就 使得CFRP层合板在雷击情况下无法像金属材料那样具有短时间使积累 的电荷迅速转移或扩散的能力，这部分积聚的能量以焦耳热的形式使得 CFRP温度急剧升高，从而导致CFRP的纤维断裂、树脂热解、深度分层 等严重损伤。

自CFRP问世以来，诸多学者就将研究热点集中在其机械特性的研 究方面，得出了机械冲击参量与CFRP的抗拉伸强度、抗压缩强度及损 伤区域和损伤深度之间的关系规律。但是，雷电对飞机的直接效应包含 着大电流引发的高压冲击波、磁场力及焦耳热效应，因此，雷电对碳纤 维复合材料层合板的雷击损伤作用与机械冲击损伤存在着巨大差异。美 国机动工程师协会SAE、美国军用标准MILSTD和欧洲民航组织 EUROCAE对飞机及其部件的雷电直接效应的试验波形和试验方法做了 详细规定，但碳纤维复合材料层合板雷电直接效应的试验波形和试验方 法并未作出规定。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纤维复合材料非破坏性雷电流作用下 阻抗特性测量方法及测量装置，以得到碳纤维复合材料层合板在非破坏 性雷电流作用下的伏安特性，为碳纤维复合材料层合板雷电直接效应的 研究提供理论依据。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明碳纤维复合材料非破坏性雷电流作用下阻抗特性测量装置 包括可控雷电流发生电源、脉冲电压取样单元、脉冲电流取样单元、被 试碳纤维复合材料层合板和计算机测控与分析单元；

所述的可控雷电流发生电源1的一输出端与被测试品碳纤维复合材 料层合板的一端连接，被试碳纤维复合材料层合板的另一端与可控雷电 流发生电源的另一端相连并接参考地，在试碳纤维复合材料层合板的两 端并接有脉冲电压取样单元，脉冲电流取样单元套接在被试碳纤维复合 材料层合板与可控雷电流发生电源低压端的电连接线上，脉冲电压取样 单元和脉冲电流取样单元的输出与计算机测控与分析单元相连。

所述的可控雷电流发生电源包括可控充电电源以及并联在可控充电 电源上的储能电容，在储能电容后端的可控充电电源的一输出端串联有 放电开关和波形形成元器件。

所述的计算机测控与分析单元包括高速数据采集单元、工业控制计 算机和可编程序控制器，其中高速数据采集单元与脉冲电压取样单元和 脉冲电流取样单元的输出端相连，可编程序控制器与放电开关相连。

本发明的测量方法如下：

1)将被试碳纤维复合材料层合板4安装在两电极13、14之间并接 入实验回路中；

2)输入碳纤维复合材料层合板4非破坏性雷电流作用下的实验参 数，包括起始脉冲电流电流等级I₁、终止电流等级I_n、电流等级差ΔI；

3)计算机测控与分析单元按照设定的初始放电电流等级I₁，通过数 据采集单元和可编程序控制单元，控制可控雷电流发生电源中的可控充 电单元，使得可控雷电流发生电源的储能单元上的电压充电到相应于预 设放电电流等级的电压值，接下来，计算机测控与分析单元控制可编程 序控制单元使放电开关接通，储能单元上的能量通过波形形成元器件， 将规定波形、幅值等级为I₁的电流流过被试碳纤维复合材料层合板；

4)被试碳纤维复合材料层合板两端的脉冲电压和通过的脉冲电流通 过脉冲电压取样单元和脉冲电流取样单元提取，并输至计算机测控与分 析单元的高速数据采集单元，计算机测控与分析单元将脉冲电压取样单 元和脉冲电流取样单元提取的数据通过高速数据采集单元进行模数转 换，计算机测控与分析单元进行数据分析处理，得到被试碳纤维复合材 料层合板两端的电压U₁及初始放电电流等级I₁的值；

5)继续通过计算机测控与分析单元输出控制可编程序控制器使可控 雷电流发生电源1的输出电压升高，使得通过被试碳纤维复合材料层合 板的电流达到(I₁+ΔI)时，停止升压，并将此时对应的脉冲电压取样 单元和脉冲电流取样单元的模拟量通过计算机测控与分析单元的高速数 据采集单元进行数据采集，然后传给计算机测控与分析单元的计算机进 行数据分析，得到电流I₂(+ΔI)及对应的被试碳纤维复合材料层合板 两端的电压U₂；

6)重复步骤5)，直到通过被试碳纤维复合材料层合板的电流达到 I_n为止；

7)将得到的一组电流-电压值(I₁，U₁)、(I₂，U₂)……(I_n，U_n)连 接起来就可以得到被试碳纤维复合材料层合板雷电流作用下的伏安特性 曲线；

8)根据得到的一组电流-电压值(I₁，U₁)、(I₂，U₂)……(I_n，U_n)， 采用数值拟合方法得到被试碳纤维复合材料层合板的雷电冲击动态电压 -电流(伏-安)关系表达式。

本发明具有以下有益效果：

本发明脉冲电压与电流取样单元的输出由高速数据采集单元采集， 并将采集的数字信号传输给工业控制计算机。通过控制储能元件的放电 电压，可以获得一组被试碳纤维复合材料层合板中通过的脉冲电流及其 对应的脉冲电压值，进而得到被试碳纤维复合材料层合板非破坏性雷电 流作用下的非线性伏安特性曲线及非线性系数。

附图说明

图1是本发明测试装置的组成框图；

图2是本发明可控雷电流发生电源组成框图；

图3是本发明计算机测控与分析单元组成框图；

图4是本发明被试碳纤维复合材料层合板安装方法。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的结构原理和工作原理作进一步详 细说明。

参见图1，本发明的测试装置包括可控雷电流发生电源1、脉冲电 压取样单元2、脉冲电流取样单元3、被试碳纤维复合材料层合板4和计 算机测控与分析单元5。可控雷电流发生电源1的一输出端与被测试品 碳纤维复合材料层合板4的一端连接，被试碳纤维复合材料层合板4的 另一端与可控雷电流发生电源1的另一端相连并接参考地。同时，在试 碳纤维复合材料层合板4的两端并接有脉冲电压取样单元2，脉冲电流 取样单元3套接在被试碳纤维复合材料层合板4与可控雷电流发生电源 1低压端的电连接线上。脉冲电压取样单元2和脉冲电流取样单元3的 输出接到计算机测控与分析单元5。

参见图2，所述的可控雷电流发生电源1包括可控充电电源6以及 并联在可控充电电源6上的储能电容7，在储能电容7后端的可控充电 电源1的一输出端串联有放电开关8和波形形成元器件9。

参见图3，计算机测控与分析单元5包括串联的高速数据采集单元 10、工业控制计算机11和可编程序控制器12，其中高速数据采集单元 10与脉冲电压取样单元2和脉冲电流取样单元3的输出端相连，可编程 序控制器12与放电开关相连。

高速数据采集单元10即A/D转换器接收来自取样电压取样单元2 和取样电流单元3的信号，并将接收到的电压、电流的模拟信号转变成 数字信号后传递给计算机测控与分析单元5，计算机测控与分析单元5 经计算得到通过被试碳纤维复合材料层合板4的电流信号和两端的电压 信号。同时，计算机还可以通过可编程序控制器12输出模拟信号控制控 雷电流发生电源1的输出电压。

参见图4，本发明的航空航天用碳纤维复合材料层合板雷电流作用 下阻抗特性的测试方法和测试装置的被试碳纤维复合材料层合板的安装 方法包括以下三种：电极水平安装，电极垂直安装和电极上下安装。电 极水平安装时，流过被试品的电流方向。

本发明的测量方法如下：

1)将被试碳纤维复合材料层合板4安装在两电极13、14之间并接 入实验回路中；

2)输入碳纤维复合材料层合板4非破坏性雷电流作用下的实验参 数，包括起始脉冲电流电流等级I₁、终止电流等级I_n、电流等级差ΔI；

3)计算机测控与分析单元5按照设定的初始放电电流等级I₁，通过 高速数据采集单元10和可编程序控制单元12，控制可控雷电流发生电 源1中的可控充电单元6，使得可控雷电流发生电源1的储能单元7上 的电压充电到相应于预设放电电流等级的电压值，接下来，计算机测控 与分析单元5控制可编程序控制单元12使放电开关8接通，储能单元7 上的能量通过波形形成元器件9，将规定波形、幅值等级为I₁的电流流 过被试碳纤维复合材料层合板4；

4)被试碳纤维复合材料层合板4两端的脉冲电压和通过的脉冲电流 通过脉冲电压取样单元2和脉冲电流取样单元3提取，并输至计算机测 控与分析单元5的高速数据采集单元10，计算机测控与分析单元5将脉 冲电压取样单元2和脉冲电流取样单元3提取的数据通过高速数据采集 单元10进行模数转换，计算机测控与分析单元5进行数据分析处理，得 到被试碳纤维复合材料层合板4两端的电压U₁及初始放电电流等级I₁的值；

5)继续通过计算机测控与分析单元5输出控制可编程序控制器12 使可控雷电流发生电源1的输出电压升高，使得通过被试碳纤维复合材 料层合板4的电流达到(I₁+ΔI)时，停止升压，并将此时对应的脉冲 电压取样单元2和脉冲电流取样单元3的模拟量通过计算机测控与分析 单元5的高速数据采集单元10进行数据采集，然后传给计算机测控与分 析单元5的计算机进行数据分析，得到电流I₂(+ΔI)及对应的被试碳 纤维复合材料层合板4两端的电压U₂；

6)重复步骤5)，直到通过被试碳纤维复合材料层合板4的电流达 到I_n为止；

7)将得到的一组电流-电压值(I₁，U₁)、(I₂，U₂)……(I_n，U_n)连 接起来就可以得到被试碳纤维复合材料层合板4雷电流作用下的伏安特 性曲线；

8)根据得到的一组电流-电压值(I₁，U₁)、(I₂，U₂)……(I_n，U_n)， 采用数值拟合方法得到被试碳纤维复合材料层合板4的雷电冲击动态电 压-电流(伏-安)关系表达式。