专利名称：一种纤维复合材料抗雷击损伤性能的测试装置和测试方法
技术领域：
本发明涉及一种材料测试领域实验装置，尤其涉及碳纤维增强树脂基复合材料的抗人工雷击损伤性能的测试装置和测试方法。
背景技术：
随着航空制造技术的不断发展，无论军用飞机还是民用飞机都大量地使用了复合材料，尤其是高性能碳纤维复合材料，在“梦幻客机”波音787中复合材料用量更是高达50%。与传统金属材料相比，复合材料具有比强度和比模量高、密度低、可设计性强、抗疲劳性和耐腐蚀性好等性质，越来越多地被应用于航空航天工业中。雷电是一种极具破坏力的自然现象。一般来说，I架飞机平均每3000飞行小时就有I次遭雷击的机会，尤其是在多雷雨地区。飞机遭受雷击的报道屡见不鲜。防雷性能和抗雷击损伤性能是飞机研发和生产中必须考虑的重要因素之一。为了提高飞机的综合性能，减少飞机重量，现代大型客机越来越多地使用了先进复合材料。复合材料构件的大量使用明显地提高了飞机的综合性能，但是复合材料的导电性和导热性比金属材料差，且呈现各向异性的特点，雷击过程中释放的电流不能及时通过放电刷消除，滞留在复合材料构件上的电荷有可能冲过绝缘间隙，冲向导体，产生火花，甚至接触油箱而燃烧爆炸，使得飞机遭遇雷击后造成事故的可能性增大，因此复合材料构件的雷击防护问题引起了人们的特别关注。为了提高飞机安全性，复合材料的抗人工雷击损伤性能的测试成为了重要课题。任何新型复合材料在飞机上应用前都必须经过雷击测试，波音、空客等飞机制造商都有复杂的雷击模拟与测试设备。在“大型飞机”国家重大专项以及材料技术“结构功能复合化”发展趋势的大背景下，对碳纤维复合材料进行抗人工雷击损伤性能测试，有助于改善其导电导热性能和材料设计，保证其在飞机上应用的安全性。雷电是瞬间放电现象，电压极高(几十万伏)，电流极大(几万安培)，破坏作用强，实验室和飞机制造商通过高电压或高电流发生设备来人工模拟自然界的雷击过程，用来测试复合材料的抗雷击能力，以此改善材料性能。人工模拟材料遭受雷击过程需要两部分实验装置人工雷电发生设备(例如，冲击电压发生器SJTU-3000kV)和试样测试装置。冲击电压发生器和冲击电流发生器可产生符合IEC60060-1、IEC61000-4-5、DL/T848. 5-2004、GB/T311、GB/T16927. 1-1997等标准的人工模拟雷电，用于材料和器件雷击测试。人工模拟雷电会产生高电压或高电流，实验的危险性高、特殊性强，不能使用传统的固定和支撑机构、导电电路、绝缘防护机构、测试仪表等组成的测试装置。为了充分保障安全性，设计一种可靠、方便的碳纤维复合材料的抗人工雷击损伤性能的测试装置显得十分必要。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供一种碳纤维复合材料的抗人工雷击损伤性能的测试装置和测试方法。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案
本发明的碳纤维复合材料的抗人工雷击损伤性能的测试装置，包括绝缘支架、弓丨雷针和人工雷电发生设备，在绝缘支架的顶部设有上绝缘防护板、底部设有下绝缘防护板，在下绝缘防护板的上表面上设有导流板，所述的引雷针的一端穿过上绝缘防护板，伸入到电弧附着块的上方，引雷针的另一端与人工雷电发生设备相连，且连接的电路上设有电流测量仪，所述的导流板上面设电弧附着块，所述的导流板、电弧附着块均接地，所述的电弧附着块与接地端之间设有第一电压测量仪；且电弧附着块与人工雷电发生设备连接，且连接线路上也设有第二电压测量仪，所述的人工雷电发生设备与第三电压测量仪并联。所述的导流板承载碳纤维复合材料试样，在碳纤维复合材料试样上粘结电弧附着块，从电弧附着块上引出导线以测试电压，同时使导流板可靠接地。所述的绝缘支架上设有可视窗口，与可视窗口相对应的位置设有CXD摄像机，且所述的CCD摄像机设于绝缘支架的外面。所述的引雷针穿过上绝缘防护板的部分套有绝缘胶管。所述的引雷针放电产生电弧，电弧由碳纤维复合材料试样上的电弧附着块接收，并传递给待测复合材料试样。所述的上、下绝缘防护板的中心加工有通孔。所述的导流板和引雷针均采用导电和导热性好的纯铜材料，电弧附着块采用纯银材料，定距块用不锈钢材料。所述的绝缘胶管采用的材料是聚氨酯弹性体。所述的上绝缘防护板、下绝缘防护板、绝缘支架，都采用高强度环氧树脂或酚醛树脂材料。利用所述的装置进行碳纤维复合材料的抗人工雷击损伤性能测试，包括如下步骤(I)准备试验装置(1-1)将下绝缘防护板放置在实验台上，依次放置导流板和绝缘支架。(1-2)将待测的复合材料试样放置在导流板的上表面中心，然后固定，复合材料试样上放置电弧附着块，并在电弧附着块和引雷针之间按照设计间距放置好定距块。(1-3)将胶管插入上绝缘防护板的中心通孔内，使两者紧密接触并可靠固定。(1-4)将上绝缘防护板放置在两块并列的绝缘支架上，调节位置使胶管位于定距块的正上方。(1-5)在胶管内自上而下插入引雷针，直到引雷针的尖端与定距块的上表面接触，固定引雷针，防止下滑或偏斜。(1-6)按照图1所示的电路，连接导流板、引雷针、电弧附着块、电流测量仪、电压测量仪和人工雷电发生设备之间的导线/接地线，连接好CCD摄像机。(1-7)抽去定距块，打开CXD摄像机，进行雷击测试。(2)测量试验数据，计算雷击放电能量(2-1)用一组电压测量仪分别测量雷击过程中的电弧电压、复合材料试样电压和总电压及其变化，用电流测量仪测量雷击过程中的电流变化。(2-2)雷击过程中的总能量Eall用第三电压测量仪、电流测量仪的数据计算得到，Eall= / uddt，式中Utl表示第三电压测量仪测得的某一时刻的瞬态电压，i表示某一时刻的瞬态电流，t表示雷击放电时间。(2-3)电弧能量Earc由第二电压测量仪、电流测量仪的数据计算得到，Earc= / Ulidt，式中U1表示第二电压测量仪测得的某一时刻的瞬态电压，i表示某一时刻的瞬态电流，t表示雷击放电时间。(2-4)试样破坏所消耗能量Edis由第一电压测量仪、电流测量仪的数据计算得到，Edis= / u2idt,式中U2表不第一电压测量仪测得的某一时刻的瞬态电压，i表不某一时刻的瞬态电流，t表示雷击放电时间。(2-5)总能量Eall的消耗包括如下三部分电弧能量EaM、试样破坏所消耗的能量Edis、接地流出能量和线路损耗Erat,即Eall=EaJEdiJEwttl本发明的有益效果是本装置中的部件均可靠连接在一起，零部件可以互换，易于更换各个零部件、精确调节引雷针和待测试样之间的距离，还可以高效、方便地更换测试试样，并测试各种几何尺寸、不同种类的复合材料。上绝缘防护板、下绝缘防护板、绝缘支架，都采用绝缘性好的高强度环氧树脂或酚醛树脂材料，内部含绝缘性好的玻璃纤维布，耐高温，耐高压，使用寿命长，尺寸稳定。上、下绝缘防护板的中心均加工有通孔，绝缘支架上加工有可视窗口，便于C⑶摄像机录制雷击现象。导流板和引雷针均采用导电和导热性好的纯铜材料，对表面磨削处理。铜板用于放置复合材料试样和可靠接地；引雷针用于产生雷击电弧。电弧附着块采用导电和导热性都极好的纯银材料，接收引雷针产生的电弧并转移到复合材料试样上，同时连接电压测量仪，用来测量电弧电压和复合材料试样电压。把引雷针可靠固定于上绝缘防护板的胶管采用高性能的聚氨酯弹性体，其可以和引雷针紧密地接触，依靠静摩擦力防止引雷针的滑移错位。同时，配合定距块，可以方便、精确地调控引雷针与电弧附着块之间的距离，用来研究引雷针的放电尖端和电弧附着点之间的法向距离对电弧以及复合材料雷击损伤的影响。定距块为用不锈钢材料磨削的长方体，这些定距块的高度不同，用于精确调节引雷针的放电尖端与电弧附着块之间的距离。为了计算雷击过程的能量转换关系，使电压电流测量仪与人工雷电发生器(高电压发生器或高电流发生器)连接，并连接计算机，自动记录放电过程的电压电流大小和波形。CCD摄像机用来自动记录雷击时的间隙放电、复合材料试样的冒烟着火以及各种动态变形现象。通过本装置，可以研究复合材料的人工雷击损伤过程，从而定量测试复合材料的抗雷击损伤性能。该测试装置结构可靠、操作安全方便，能够准确评估碳纤维复合材料的雷击损伤阻抗和损伤容限，促进碳纤维复合材料的深入研究，改善碳纤维复合材料的性能。研究的方面如下1.材料物理参数(各向异性的电导率、热导率、比热容)，试样几何参数(长度、宽度、高度)，材料制备工艺参数(铺层角度、铺层厚度、纤维体积分数)等诸多因素对碳纤维复合材料的人工雷击损伤的影响；
2.复合材料试样发生人工雷击损伤的破坏形貌(深度、面积、位置、形状等)和损伤机理；3.引雷针的放电尖端和复合材料试样之间的距离对电弧以及复合材料雷击损伤的影响；4.人工模拟雷击的能量、电压和电流大小以及电压电流波形对碳纤维复合材料的人工雷击损伤的影响；5.定量分析一次雷击放电总能量、电弧能量、复合材料破坏能量和接地流出能量大小，定量比较各部分能量占总能量的比例，揭示复合材料破坏能量与损伤程度的定量关系O以实验研究为基础，分析雷击过程各种因素，探讨雷击对复合材料的破坏机理，建立碳纤维复合材料的人工雷击损伤的数学模型，优化设计复合材料的抗雷击损伤性能，为碳纤维复合材料在航空航天上的应用提供实验数据和理论依据，从而促进复合材料在我国航空航天、汽车、建筑、风电等领域的应用和推广。
图1是本发明的碳纤维复合材料的抗人工雷击损伤性能的测试装置的结构示意图。图中，1、引雷针；2、胶管；3、上绝缘防护板；4、绝缘支架；5、电弧附着块；6、复合材料试样；7、CXD摄像机；8、导流板；9、下绝缘防护板；10、电流测量仪；11、人工雷电发生设备；12、第三电压测量仪，13、第二电压测量仪；14、第一电压测量仪；15、通孔；16、定距块。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行详细说明本发明的碳纤维复合材料的抗人工雷击损伤性能的测试装置，包括绝缘支架4、引雷针I和人工雷电发生设备11，在绝缘支架4的顶部设有上绝缘防护板3、底部设有下绝缘防护板9，在下绝缘防护板9的上表面上设有导流板8，所述的导流板8上面设电弧附着块5，所述的引雷针I的一端穿过上绝缘防护板3，伸入到电弧附着块5的上方，引雷针I的另一端与人工雷电发生设备11相连，且连接的电路上设有电流测量仪10，所述的导流板8、电弧附着块5均接地，所述的电弧附着块5与接地端之间设有第一电压测量仪14 ;且电弧附着块5与人工雷电发生设备11连接，且连接线路上也设有第二电压测量仪13，所述的人工雷电发生设备11与第三电压测量仪12并联。所述的导流板8承载复合材料试样6。绝缘支架4上设有可视窗口，与可视窗口相对应的位置上设有CXD摄像机7，且所述的CXD摄像机7位于绝缘支架4的外侧，以避免电弧破坏。引雷针I穿过上绝缘防护板3的部分套有绝缘胶管2。下绝缘防护板9和上绝缘防护板3的中心均加工有通孔15。导流板8和引雷针I均采用导电和导热性好的纯铜材料。电弧附着块5采用导电和导热性都极好的纯银材料，连接第二电压测量仪13、第一电压测量仪14。胶管2采用聚氨酯弹性体材料。上绝缘防护板3、下绝缘防护板9和绝缘支架4都采用高强度环氧树脂或酚醛树脂材料。人工雷电发生设备11采用的是冲击电压发生器SJTU_3000kV。
本装置用于复合材料的抗人工雷击损伤性能测试，包括如下步骤( I)准备试验装置(1-1)将下绝缘防护板9放置在实验台上，依次放置导流板8和绝缘支架4。(1-2)将待测的复合材料试样6放置在导流板8的上表面中心，然后固定，复合材料试样6上放置电弧附着块5，并在电弧附着块5的中心按照设计间距放置好定距块16。(1-3)将胶管2插入上绝缘防护板3的中心通孔内，使两者紧密接触并可靠固定。(1-4)将上绝缘防护板3放置在两块并列的绝缘支架4上，调节位置使胶管2位于电弧附着块5的正上方。(1-5)在胶管2内自上而下插入引雷针1，直到引雷针I的尖端与定距块16的上表面接触，固定引雷针1，防止下滑或偏斜。(1-6)按照图1所示的电路，连接导流板8、引雷针1、电弧附着块5、电流测量仪
10、电压测量仪12、13、14和人工雷电发生设备11之间的导线/接地线，放置好CXD摄像机7。(1-7)抽去定距块16，打开CXD摄像机7，进行雷击测试。(2)测量试验数据，计算雷击放电能量(2-1)用一组电压测量仪分别测量雷击过程中的电弧电压、复合材料试样电压和总电压及其变化，用电流测量仪10测量雷击过程中的电流变化。(2-2)雷击过程中的总能量Eall用第三电压测量仪12、电流测量仪10的数据计算得到，Eall= / U(lidt，式中Utl表示第三电压测量仪12测得的某一时刻的瞬态电压，i表示某一时刻的瞬态电流，t表不雷击放电时间。(2-3)电弧能量Eme由第二电压测量仪13、电流测量仪10的数据计算得到，Earc= / Ulidt，式中U1表示第二电压测量仪13测得的某一时刻的瞬态电压，i表示某一时刻的瞬态电流，t表不雷击放电时间。(2-4)试样破坏所消耗能量Edis由第一电压测量仪14、电流测量仪10的数据计算得到，Edis= / u2idt，式中U2表示第一电压测量仪14测得的某一时刻的瞬态电压，i表示某一时刻的瞬态电流，t表不雷击放电时间。
(2-5)总能量Eall的消耗包括如下三部分电弧能量Ε 。、试样破坏所消耗的能量Edis、接地流出和线路损耗能量Erat,即Eall=EaJEdiJEwttl
权利要求
1.一种碳纤维复合材料的抗人工雷击损伤性能的测试装置，其特征在于本发明的碳纤维复合材料的抗人工雷击损伤性能的测试装置，包括绝缘支架、引雷针和人工雷电发生设备，在绝缘支架的顶部设有上绝缘防护板、底部设有下绝缘防护板，在下绝缘防护板的上表面上设有导流板，所述的引雷针的一端穿过上绝缘防护板，伸入到电弧附着块的上方，引雷针的另一端与人工雷电发生设备相连，且连接的电路上设有电流测量仪，所述的导流板上面设电弧附着块，所述的导流板、电弧附着块均接地，所述的电弧附着块与接地端之间设有第一电压测量仪；且电弧附着块与人工雷电发生设备连接，且连接线路上也设有第二电压测量仪，所述的人工雷电发生设备与第三电压测量仪并联。
2.如权利要求1所述的一种碳纤维复合材料的抗人工雷击损伤性能的测试装置，其特征在于所述的绝缘支架上设有可视窗口，与可视窗口相对应的位置设有CCD摄像机，且所述的CCD摄像机设于绝缘支架的外面。
3.如权利要求1所述的一种碳纤维复合材料的抗人工雷击损伤性能的测试装置，其特征在于所述的引雷针穿过上绝缘防护板的部分套有绝缘胶管。
4.如权利要求1所述的一种碳纤维复合材料的抗人工雷击损伤性能的测试装置，其特征在于所述的上绝缘防护板、下绝缘防护板的中心加工有通孔。
5.如权利要求1所述的一种碳纤维复合材料的抗人工雷击损伤性能的测试装置，其特征在于所述的导流板和引雷针均采用导电和导热性好的纯铜材料，电弧附着块采用纯银材料，定距块用不锈钢材料。
6.如权利要求1所述的一种碳纤维复合材料的抗人工雷击损伤性能的测试装置，其特征在于所述的绝缘胶管采用的材料是聚氨酯弹性体。
7.如权利要求1所述的一种碳纤维复合材料的抗人工雷击损伤性能的测试装置，其特征在于所述的上绝缘防护板、下绝缘防护板、绝缘支架，都采用高强度环氧树脂或酚醛树脂材料。
8.一种利用权利要求1所述的装置进行抗人工雷击损伤性能测试的方法，其特征在于包括如下步骤(I)准备试验装置(1-1)将下绝缘防护板放置在实验台上，依次放置导流板和绝缘支架；(1-2)将待测的复合材料试样放置在导流板的上表面中心，然后固定，复合材料试样上放置电弧附着块，并在电弧附着块和引雷针之间按照设计间距放置好定距块；(1-3)将胶管插入上绝缘防护板的中心通孔内，使两者紧密接触并可靠固定；(1-4)将上绝缘防护板放置在两块并列的绝缘支架上，调节位置使胶管位于定距块的正上方；(1-5)在胶管内自上而下插入引雷针，直到引雷针的尖端与定距块的上表面接触，固定引雷针，防止下滑或偏斜；(1-6)连接导流板、引雷针、电弧附着块、电流测量仪、电压测量仪和人工雷电发生设备之间的导线/接地线，连接好CCD摄像机；(1-7)抽去定距块，打开CXD摄像机，进行雷击测试；(2 )测量试验数据，计算雷击放电能量(2-1)用一组电压测量仪分别测量雷击过程中的电弧电压、复合材料试样电压和总电.压及其变化，用电流测量仪测量雷击过程中的电流变化；(2-2)雷击过程中的总能量Eall用第三电压测量仪、电流测量仪的数据计算得到， EalI= / uddt，式中Utl表示第三电压测量仪测得的某一时刻的瞬态电压，i表示某一时刻的瞬态电流，t表示雷击放电时间；(2-3)电弧能量Earc由第二电压测量仪、电流测量仪的数据计算得到，Emc= / Ulidt，式中U1表示第二电压测量仪测得的某一时刻的瞬态电压，i表示某一时刻的瞬态电流，t表示雷击放电时间；(2-4)试样破坏所消耗能量Edis由第一电压测量仪、电流测量仪的数据计算得到， Edis= / u2idt,式中U2表不第一电压测量仪测得的某一时刻的瞬态电压，i表不某一时刻的瞬态电流，t表示雷击放电时间；(2-5)总能量Eall的消耗包括如下三部分电弧能量Em。、试样破坏所消耗的能量Edis、 接地流出能量和线路损耗Ε_，即Eall=E^EdiJEwttl
全文摘要
本发明具体公开了一种碳纤维复合材料的抗人工雷击损伤性能的测试装置和测试方法，包括绝缘支架和引雷针，在绝缘支架的上面设有上绝缘防护板、下面设有下绝缘防护板，在下绝缘防护板上设有导流板，所述的导流板接地，所述的引雷针的一端穿过上绝缘防护板，伸入到导流板的上方，引雷针的高度由胶管和定距块共同控制，引雷针产生的雷击电弧由电弧附着块接收，并传递到复合材料试样上，同时用一组电压测量仪分别测量雷击过程中的电弧电压、复合材料试样电压和总电压及其变化，用电流测量仪测量雷击过程中的电流变化，定量分析雷击过程中的电弧能量、复合材料试样破坏所消耗的能量、接地流出能量以及总能量。同时用CCD摄像机自动记录雷击时的间隙放电、复合材料试样的冒烟着火以及各种动态变形现象。
文档编号G01N27/92GK103048381SQ20131001613
公开日2013年4月17日 申请日期2013年1月16日 优先权日2013年1月16日
发明者贾玉玺, 郭云力 申请人:山东大学