專利名稱：一種碳纖維復合材料的人工雷擊損傷測試裝置和測試方法
技術領域：
本發明涉及一種材料測試領域實驗裝置，尤其涉及碳纖維增強樹脂基復合材料的人工雷擊損傷測試裝置和測試方法。
背景技術：
隨著航空制造技術的不斷發展，無論軍用飛機還是民用飛機都大量地使用了復合材料，尤其是高性能碳纖維復合材料，在“夢幻客機”波音787中復合材料用量更是高達50%。與傳統金屬材料相比，復合材料具有比強度和比模量高、密度低、可設計性強、抗疲勞性和耐腐蝕性好等性質，越來越多地被應用于航空航天工業中。雷電是一種極具破壞力的自然現象。一般來說，I架飛機平均每3000飛行小時就有I次遭雷擊的機會，尤其是在多雷雨地區。飛機遭受雷擊的報道屢見不鮮。防雷是飛機研發和生產中必須考慮的重要因素之一。為了提高飛機的綜合性能，減少飛機重量，現代大型客機越來越多地使用了先進復合材料。復合材料構件的大量使用明顯地提高了飛機的綜合性能，但是復合材料的導電性和導熱性比金屬材料差，且呈現各向異性的特點，雷擊過程中釋放的電流不能及時通過放電刷消除，滯留在復合材料構件上的電荷有可能沖過絕緣間隙，沖向導體，產生火花，甚至接觸油箱而燃燒爆炸，使得飛機遭遇雷擊后造成事故的可能性增大，因此復合材料構件的雷擊防護問題引起了人們的特別關注。為了提高飛機安全性，復合材料的人工雷擊損傷測試成為了重要課題。任何新型復合材料在飛機上應用前都必須經過雷擊測試，波音、空客等飛機制造商都有復雜的雷擊模擬與測試設備。在“大型飛機”國家重大專項以及材料技術“結構功能復合化”發展趨勢的大背景下，對碳纖維復合材料進行人工雷擊損傷測試，有助于改善其導電導熱性能，保證其在飛機上應用的安全性。雷電是瞬間放電現象，電壓極高(幾十萬伏)，電流極大(幾萬安培)，破壞作用強，實驗室和飛機制造商通過高電壓或高電流發生設備來人工模擬自然界的雷擊過程，用來測試復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驗裝置人工雷電發生設備(例如，沖擊電壓發生器SJTU-3000kV)和試樣測試裝置。沖擊電壓發生器和沖擊電流發生器可產生符合IEC60060-1、IEC61000-4-5、DL/T848. 5-2004、GB/T311、GB/T16927. 1-1997等標準的人工模擬雷電，用于材料和器件雷擊測試。人工雷電會產生高電壓或高電流，實驗的危險性高、特殊性強，不能使用傳統的固定和支撐機構、導電電路、絕緣防護機構、測試儀表等組成的測試裝置。為了充分保障安全性，設計一種可靠、方便的碳纖維復合材料的人工雷擊損傷測試裝置顯得十分必要。
發明內容
本發明為解決上述技術問題，提供一種碳纖維復合材料的人工雷擊損傷測試裝置和測試方法。為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案
本發明的碳纖維復合材料的人工雷擊損傷測試裝置，包括絕緣支架和引雷針，在絕緣支架的頂部設有上絕緣防護板、底部設有下絕緣防護板，在下絕緣防護板的上表面上設有導流板，所述的導流板接地，所述的引雷針的一端穿過上絕緣防護板，伸入到導流板的上方，引雷針的另一端與人工雷電發生設備相連，且連接的電路上設有電流測量儀，所述的導流板與人工雷電發生設備相連，且連接的電路上設有電壓測量儀。所述的絕緣支架上設有可視窗口，與可視窗口相對應的位置設有CXD攝像機，且所述的CCD攝像機設于絕緣支架的外面。所述的引雷針穿過上絕緣防護板的部分套有膠管，引雷針的高度有膠管和定距塊共同控制。所述的上絕緣防護板、下絕緣防護板的中心加工有通孔。所述的導流板和引雷針均采用導電和導熱性好的純銅材料。所述的膠管采用的是聚氨酯彈性體。所述的上絕緣防護板、下絕緣防護板、絕緣支架，都采用高強度環氧樹脂或酚醛樹脂材料。利用所述的裝置進行人工雷擊損傷測試的方法，包括如下步驟(I)準備試驗裝置(1-1)將下絕緣防護板放置在實驗臺上，依次在下絕緣防護板上放置導流板和絕緣支架；(1-2)將待測的復合材料試樣放置在導流板的上表面中心，然后固定，并在復合材料試樣中心按照設計間距放置好定距塊；(1-3)將膠管插入上絕緣防護板的中心通孔內，使兩者緊密接觸并可靠固定；(1-4)將上絕緣防護板放置在絕緣支架上，調節上絕緣防護板的位置使膠管位于定距塊的正上方；(1-5)在膠管內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)連接導流板、引雷針、電流測量儀、電壓測量儀和人工雷電發生設備之間的導線/接地線，放置好CXD攝像機；(1-7)抽去定距塊，打開CXD攝像機，進行雷擊測試；(2)測量試驗數據，計算雷擊放電能量( 2-1)用電壓測量儀測量雷擊過程中的總電壓變化，用電流測量儀測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量儀、電流測量儀的數據計算得到，E= f uidt,式中u表示某一時刻的瞬態電壓，i表示某一時刻的瞬態電流，t表示雷擊放電時間。本發明的有益效果是本裝置中的零部件組裝和拆卸方便，易于更換各個零部件、精確調節引雷針和試樣之間的距離，還可以高效、方便地更換測試試樣，并測試各種幾何尺寸、不同種類的復合材料。上絕緣防護板、下絕緣防護板、絕緣支架，都采用絕緣性好的高強度環氧樹脂或酚醛樹脂材料，內部含絕緣性好的玻璃纖維布，耐高溫，耐高壓，使用壽命長，尺寸穩定。上、下絕緣防護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攝像機錄制雷擊現象。導流板和引雷針均采用導電和導熱性好的純銅材料，對表面磨削處理。銅板用于放置復合材料試樣和可靠接地；引雷針用于產生雷擊電弧。把引雷針可靠固定于上絕緣防護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位。同時，配合定距塊，可以方便、精確地調控引雷針與復合材料試樣之間的距離，用來研究引雷針的放電尖端和復合材料試樣之間的法向距離對電弧以及復合材料雷擊損傷的影響。定距塊為用不銹鋼材料磨削的長方體，這些定距塊的高度不同，用于精確調節引雷針的放電尖端和復合材料試樣之間的距離。為了計算雷擊過程的能量轉換關系，電壓電流測量儀與高電壓發生器或高電流發生器連接，并連接計算機，自動記錄放電過程的電壓電流大小和波形。CCD攝像機用來自動記錄雷擊時的間隙放電、復合材料試樣的冒煙著火以及各種動態變形現象。通過本裝置，可以研究復合材料的人工雷擊損傷過程，從而優化設計復合材料的抗雷擊性能。該測試裝置結構可靠、操作安全方便，能夠準確評估碳纖維復合材料的雷擊損傷阻抗和損傷容限，促進碳纖維復合材料的深入研究，改善碳纖維復合材料的性能。研究的方面如下1.材料物理參數(各向異性的電導率、熱導率、比熱容)，試樣幾何參數(長度、寬度、高度)，材料制備工藝參數(鋪層角度、鋪層厚度、纖維體積分數)等諸多因素對碳纖維復合材料的人工雷擊損傷的影響；2.復合材料試樣發生人工雷擊損傷的破壞形貌(深度、面積、位置、形狀等)和損傷機理；3.引雷針的放電尖端和復合材料試樣之間的距離對電弧以及復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碳纖維復合材料的人工雷擊損傷的影響。以實驗研究為基礎，分析雷擊過程各種因素，探討雷擊對復合材料的破壞機理，建立碳纖維復合材料的人工雷擊損傷的數學模型，優化設計復合材料的抗雷擊性能，為碳纖維復合材料在航空航天上的應用提供實驗數據和理論依據，從而促進復合材料在我國航空航天、汽車、建筑、風電等領域的應用和推廣。
圖1是本發明的碳纖維復合材料的人工雷擊損傷測試裝置的結構示意圖。圖中，1、引雷針；2、膠管；3、上絕緣防護板；4、絕緣支架；5、復合材料試樣；6、導流板；7、下絕緣防護板；8、電流測量儀；9、電壓測量儀；10、人工雷電發生設備；11、通孔；12、CXD攝像機；13、定距塊。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行詳細說明本發明的碳纖維復合材料的人工雷擊損傷測試裝置，包括引雷針I和絕緣支架4，在絕緣支架4的上面設有上絕緣防護板3、下面設有下絕緣防護板7，在下絕緣防護板7上設有導流板6，在所述的下絕緣防護板7上設有通孔11，導流板6接地，引雷針I的一端穿過上絕緣防護板3，伸入到導流板6的上方。引雷針I的另一端與人工雷電發生設備10相連，且連接的電路上設有電流測量儀8。所述的導流板6連接待測試樣和接地線，且連接的電路上設有電壓測量儀9。絕緣支架4上設有可視窗口，與可視窗口相對應的位置設有CCD攝像機12，且所述的CXD攝像機12設于絕緣支架4的外面。引雷針I穿過上絕緣防護板3的部分套有膠管2。上絕緣防護板3和下絕緣防護板7的中心均加工有通孔。導流板6和引雷針I均采用導電和導熱性好的純銅材料。膠管2采用的是聚氨酯彈性體。上絕緣防護板3、下絕緣防護板7、絕緣支架4，都采用高強度環氧樹脂或酚醛樹脂材料，定距塊13為不銹鋼材料。人工雷電發生設備10采用的是沖擊電壓發生器SJTU_3000kV。本裝置用于復合材料的人工雷擊損傷測試，包括如下步驟( I)準備試驗裝置(1-1)將下絕緣防護板7放置在實驗臺上，依次放置導流板6和絕緣支架4。(1-2)將待測的復合材料試樣5放置在導流板6的上表面中心，然后固定，并在復合材料試樣5中心按照設計間距放置好定距塊13。(1-3)將膠管2插入上絕緣防護板3的中心通孔內，使兩者緊密接觸并可靠固定。(1-4)將上絕緣防護板3放置在絕緣支架4上，調節上絕緣防護板3的位置使膠管2位于定距塊13的正上方。(1-5)在膠管2內自上而下插入引雷針1，直到引雷針I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)按照圖1所示的電路，連接導流板6、引雷針1、電流測量儀8、電壓測量儀9和人工雷電發生設備10之間的導線/接地線，放置好CXD攝像機12。(1-7)抽去定距塊13，打開CXD攝像機12，進行雷擊測試。(2)測量試驗數據，計算雷擊放電能量(2-1)用電壓測量儀9測量雷擊過程中的總電壓變化，用電流測量儀8測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量儀9、電流測量儀8的數據計算得到，E= f uidt,式中u表示某一時刻的瞬態電壓，i表示某一時刻的瞬態電流，t表示雷擊放電時間。
權利要求
1.一種碳纖維復合材料的人工雷擊損傷測試裝置，其特征在于包括絕緣支架和引雷針，在絕緣支架的頂部設有上絕緣防護板、底部設有下絕緣防護板，在下絕緣防護板的上表面上設有導流板，所述的導流板接地，所述的引雷針的一端穿過上絕緣防護板，伸入到導流板的上方，所述的引雷針的另一端與人工雷電發生設備相連，且連接的電路上設有電流測量儀，所述的導流板與人工雷電發生設備相連，且連接的電路上設有電壓測量儀。
2.如權利要求1所述的人工雷擊損傷測試裝置，其特征在于所述的絕緣支架上設有可視窗口，可視窗口對應的位置設有CCD攝像機，且所述的CCD攝像機設于絕緣支架的外面。
3.如權利要求1所述的人工雷擊損傷測試裝置，其特征在于所述的引雷針穿過上絕緣防護板的部分套有膠管。
4.如權利要求3所述的人工雷擊損傷測試裝置，其特征在于所述的膠管采用的是聚氨酯彈性體。
5.如權利要求1所述的人工雷擊損傷測試裝置，其特征在于所述的上絕緣防護板的中心加工有通孔。
6.如權利要求1所述的人工雷擊損傷測試裝置，其特征在于所述的導流板和引雷針均采用導電和導熱性好的純銅材料。
7.如權利要求1所述的人工雷擊損傷測試裝置，其特征在于所述的上絕緣防護板、下絕緣防護板、絕緣支架，均采用高強度環氧樹脂或酚醛樹脂材料。
8.利用權利要求1所述的裝置進行人工雷擊損傷測試的方法，包括如下步驟(1)準備試驗裝置(1-1)將下絕緣防護板放置在實驗臺上，依次在下絕緣防護板上放置導流板和絕緣支架；(1-2)將待測的復合材料試樣放置在導流板的上表面中心，然后固定，并在復合材料試樣中心按照設計間距放置好定距塊；(1-3)將膠管插入上絕緣防護板的中心通孔內，使兩者緊密接觸并可靠固定；(1-4)將上絕緣防護板放置在絕緣支架上，調節上絕緣防護板的位置使膠管位于定距塊的正上方；(1-5)在膠管內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)連接導流板、引雷針、電流測量儀、電壓測量儀和人工雷電發生設備之間的導線/ 接地線，放置好CXD攝像機；(1-7)抽去定距塊，打開CXD攝像機，進行雷擊測試；(2)測量試驗數據，計算雷擊放電能量(2-1)用電壓測量儀測量雷擊過程中的總電壓變化，用電流測量儀測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量儀、電流測量儀的數據計算得到，E= / uidt，式中u表不某一時刻的瞬態電壓，i表不某一時刻的瞬態電流，t表不雷擊放電時間。
全文摘要
本發明具體公開了一種碳纖維復合材料的人工雷擊損傷測試裝置和測試方法，包括絕緣支架和引雷針，在絕緣支架的上面設有上絕緣防護板、下面設有下絕緣防護板，在下絕緣防護板上設有導流板，在所述的下絕緣防護板上設有通孔，所述的導流板接地，所述的引雷針的一端穿過上絕緣防護板，伸入到導流板的上方。該測試裝置結構可靠、操作安全方便，能夠準確評估碳纖維復合材料的雷擊損傷阻抗和損傷容限，促進碳纖維復合材料的深入研究，改善碳纖維復合材料的性能。
文檔編號G01R31/12GK103018645SQ201310015398
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月16日 優先權日2013年1月16日
發明者賈玉璽, 郭云力 申請人:山東大學