碳纖維增強樹脂基複合材料熱-電損傷測試系統的製作方法

2023-05-19 12:23:51

專利名稱：碳纖維增強樹脂基複合材料熱-電損傷測試系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於複合材料測試技術領域，特別是涉及一種碳纖維增強樹脂基複合材料熱-電損傷測試系統。
背景技術：
由於碳纖維增強樹脂基複合材料具有優異的力學性能，因此已開始廣泛應用於航空航天、風力發電、建築等領域。在服役過程中，溼熱是其通常所處的環境。此外，雷擊電流、感應電流、靜電荷放電產生的電流等因素常常直接作用於複合材料結構上，並且與溼熱環境因素相互作用，結果造成結構的耐久性顯著降低。目前絕大多數研究者只考慮溼熱條件下該材料的力學行為，但鮮有在熱-電載荷共同作用下力學行為的報導，而後者更接近於材料真實的服役狀況。在公開發表的關於溼熱、電流因素影響的文獻中，材料測試時均將溼熱環境和電流環境分別施加，並沒有考慮兩者同時施加時的交互作用，對於熱-電損傷後的力學性能也只測試過一兩項指標，而沒有進行過系統研究；所採用的測試系統十分簡陋，都只適用於特定尺寸的試件，且試件與通電電極間的接觸壓力無法精確測量與控制，也無法同時採集試件電阻、溫度、應變等反應材料損傷情況的參量。因此，開發一種結構簡單、 調節方便、適應多種試件尺寸要求、能夠精確顯示接觸壓力大小並能同時採集在熱-電載荷作用下碳纖維增強樹脂基複合材料電阻、溫度、應變等參量變化的測試系統，對於研究材料在熱-電環境下的失效機制以及材料安全服役條件的制定具有十分重要的意義。

發明內容
為了解決上述問題，本發明的目的在於提供一種能夠對多種尺寸的碳纖維增強樹脂基複合材料試件施加精確的接觸壓力及熱-電載荷，同時測定反映材料損傷狀況的電阻、溫度、應變等變化情況的碳纖維增強樹脂基複合材料熱-電損傷測試系統。為了達到上述目的，本發明提供的碳纖維增強樹脂基複合材料熱-電損傷測試系統包括溼熱箱、試件機械加載裝置和控制裝置；其中試件機械加載裝置設置在溼熱箱的內部，其上安裝有兩個測試電極；控制裝置中的部分部件安裝在試件機械加載裝置上，用於控制碳纖維增強樹脂基複合材料試件的電流加載及損傷狀態參量採集過程。所述的試件機械加載裝置包括底座、箱體、兩條導軌、兩根拉杆、固定端鋼套、固定端電極、滑動端鋼套、滑動端電極、絲槓、力傳感器支架、傘齒輪組、主軸和手輪；其中底座為長方形板狀，水平設置；箱體(13)設置在底座的表面一端；固定端鋼套設置在底座的表面另一端，其內部安裝有固定端電極；兩條導軌沿底座的長度方向平行設置在位於箱體和固定端鋼套之間的底座表面；滑動端鋼套固定在導軌上的兩個滑塊表面，並且上部兩側加工過孔貫穿兩根拉杆；平行設置的兩根拉杆的兩端分別固定在固定端鋼套和箱體上靠近固定端鋼套的側壁內端面上；滑動端電極安裝在滑動端鋼套的內部；固定端電極和滑動端電極上相對的側面露在外部，用於夾持試件並導電；滑動端鋼套與滑動端電極相接觸的表面以及固定端鋼套與固定端電極相接觸的表面噴塗一層氧化鋯陶瓷塗層；力傳感器支架安裝在滑動端鋼套上靠近箱體的側面，其內設置有測力傳感器；絲槓的一端壓在測力傳感器上， 並與力傳感器支架孔內壁通過平鍵聯接，另一端通過安裝在箱體內端面上的軸承貫穿箱體而延伸至箱體的內部；主軸通過安裝在箱體一側面上的軸承貫穿設置在箱體的側面上；傘齒輪組由第一傘齒輪和第二傘齒輪組成，其中第一傘齒輪與位於箱體內部的主軸端部鍵連接，第二傘齒輪平鍵聯接安裝在通過軸承支撐於箱體內端面上的絲槓螺母端部，並與第一傘齒輪相嚙合；而手輪則安裝在主軸上位於箱體外部的一端。所述的控制裝置包括主控計算機、信號發生器、電流源、電分流器、數據採集器、分流器電壓採集電路、電極電壓採集電路、溫度傳感器、測力傳感器和應變採集裝置；其中 主控計算機為整個測試系統的控制核心，用於完成信號控制、數據採集及存儲操作；信號發生器為可控信號發生裝置，其輸入端與主控計算機連接，輸出端與電流源連接，用於根據主控計算機的指令產生相應的信號，從而控制電流源的輸出電流；電流源為可控電流源，用於為試件提供測試電流，其輸入端與信號發生器相連接，兩個輸出端分別與試件機械加載裝置上的固定端電極和滑動端電極以及電分流器相連接，形成一閉合的測試迴路；電分流器為純電阻性器件，用於檢測測試迴路中的電流；數據採集器為多路數據採集電路，其輸出端與主控計算機相連接，輸入端分別與分流器電壓採集電路、電極電壓採集電路、溫度傳感器、測力傳感器和應變採集裝置相連接，用於採集測試所必需的各種信號；分流器電壓採集電路為電壓信號採集電路，用於獲取電分流器兩端的電壓；電極電壓採集電路為電壓信號採集電路，用於獲取固定端電極和滑動端電極之間的電壓；溫度傳感器安裝在試件表面，用於獲取試件表面的溫度信息；測力傳感器為壓力信號傳感器，安裝在試件機械加載裝置上， 用於獲取試件所承受的壓力；應變採集裝置由應變測試儀和應變片組成，用於獲取試件的應變信息，其中應變片安裝在試件表面，其通過專用電纜與應變測試儀連接。本發明提供的碳纖維增強樹脂基複合材料熱-電損傷測試系統可對測試碳纖維增強樹脂基複合材料進行定量的溼熱損傷、電流損傷以及熱、電共同作用下的損傷，特別是能精確測定熱、電載荷共同作用下碳纖維增強樹脂基複合材料電阻、溫度、應變等參量變化，為分析真實服役條件下碳纖維增強樹脂基複合材料的失效機制提供一種可靠手段。另外，本系統能夠滿足多種尺寸試件要求，調節方便，而且能控制與顯示接觸壓力大小，精確測定電阻、溫度、應變等隨時間的變化，具有良好的軟體界面及數據管理功能。


圖I為本發明提供的碳纖維增強樹脂基複合材料熱-電損傷測試系統中控制裝置構成框圖。圖2為本發明提供的碳纖維增強樹脂基複合材料熱-電損傷測試系統中試件機械加載裝置結構立體圖。圖3為本發明提供的碳纖維增強樹脂基複合材料熱-電損傷測試系統中試件機械加載裝置結構俯視圖。圖4為本發明提供的碳纖維增強樹脂基複合材料熱-電損傷測試系統中試件機械加載裝置結構主視圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的碳纖維增強樹脂基複合材料熱-電損傷測試系統進行詳細說明。如圖I所示，本發明提供的碳纖維增強樹脂基複合材料熱-電損傷測試系統包括溼熱箱11、試件機械加載裝置和控制裝置；其中試件機械加載裝置設置在溼熱箱11的內部，其上安裝有兩個測試電極；控制裝置中的部分部件安裝在試件機械加載裝置上，用於控制碳纖維增強樹脂基複合材料試件的電流加載及損傷狀態參量採集過程。所述的試件機械加載裝置包括底座12、箱體13、兩條導軌14、兩根拉杆15、固定端鋼套16、固定端電極17、滑動端鋼套18、滑動端電極19、絲槓20、力傳感器支架21、傘齒輪組22、主軸23和手輪24 ;其中底座12為長方形板狀，水平設置；箱體13設置在底座12的表面一端；固定端鋼套16設置在底座12的表面另一端，其內部安裝有固定端電極17 ;兩條導軌14沿底座12的長度方向平行設置在位於箱體13和固定端鋼套16之間的底座12表面；滑動端鋼套18固定在導軌14上的兩個滑塊表面，並且上部兩側加工過孔貫穿兩根拉杆 15 ;平行設置的兩根拉杆15的兩端分別固定在固定端鋼套16和箱體13上靠近固定端鋼套 16的側壁內端面上；滑動端電極19安裝在滑動端鋼套18的內部；固定端電極17和滑動端電極19上相對的側面露在外部，用於夾持試件並導電；滑動端鋼套18與滑動端電極19相接觸的表面以及固定端鋼套16與固定端電極17相接觸的表面噴塗一層氧化鋯陶瓷塗層； 力傳感器支架21安裝在滑動端鋼套18上靠近箱體13的側面，其內設置有測力傳感器9 ； 絲槓20的一端壓在測力傳感器9上，並與力傳感器支架21孔內壁通過平鍵聯接，另一端通過安裝在箱體13內端面上的軸承貫穿箱體13而延伸至箱體13的內部；主軸23通過安裝在箱體13 —側面上的軸承貫穿設置在箱體13的側面上；傘齒輪組22由第一傘齒輪25和第二傘齒輪26組成，其中第一傘齒輪25與位於箱體13內部的主軸23端部鍵連接，第二傘齒輪26平鍵聯接安裝在通過軸承支撐於箱體13內端面上的絲槓螺母26端部，並與第一傘齒輪25相嚙合；而手輪24則安裝在主軸23上位於箱體13外部的一端。所述的控制裝置包括主控計算機I、信號發生器2、電流源3、電分流器4、數據採集器5、分流器電壓採集電路6、電極電壓採集電路7、溫度傳感器8、測力傳感器9和應變採集裝置10 ;其中主控計算機I為整個測試系統的控制核心，用於完成信號控制、數據採集及存儲操作；信號發生器2為可控信號發生裝置，其輸入端與主控計算機I連接，輸出端與電流源3連接，用於根據主控計算機I的指令產生相應的信號，從而控制電流源3的輸出電流；電流源3為可控電流源，用於為試件提供測試電流，其輸入端與信號發生器2相連接，兩個輸出端分別與試件機械加載裝置上的固定端電極17和滑動端電極19以及電分流器4相連接，形成一閉合的測試迴路；電分流器4為純電阻性器件，用於檢測測試迴路中的電流； 數據採集器5為多路數據採集電路，其輸出端與主控計算機I相連接，輸入端分別與分流器電壓採集電路6、電極電壓採集電路7、溫度傳感器8、測力傳感器9和應變採集裝置10相連接，用於採集測試所必需的各種信號；分流器電壓採集電路6為電壓信號採集電路，用於獲取電分流器4兩端的電壓；電極電壓採集電路7為電壓信號採集電路，用於獲取固定端電極 17和滑動端電極19之間的電壓；溫度傳感器8安裝在試件表面，用於獲取試件表面的溫度信息；測力傳感器9為壓力信號傳感器，安裝在試件機械加載裝置上，用於獲取試件所承受的壓力；應變採集裝置10由應變測試儀和應變片組成，用於獲取試件的應變信息，其中應變片安裝在試件表面，其通過專用電纜與應變測試儀連接。
現將本發明提供的碳纖維增強樹脂基複合材料熱-電損傷測試系統工作過程進行說明首先由操作人員轉動手輪24以將滑動端電極19調整到某一位置，然後將作為試件的經過表面處理的碳纖維增強樹脂基複合材料板裝入固定端電極17和滑動端電極19之間；打開主控計算機I並進入軟體控制界面，轉動手輪24給試件施加一定的接觸壓力，邊轉動手輪24邊觀察軟體中顯示的壓力值，直至達到欲加載的壓力時固定手輪24。試件固定後，在試件表面布置溫度傳感器8，可以採用熱敏電阻、普通熱電偶等接觸式的溫度傳感器，也可採用非接觸式的紅外熱電偶等作為溫度傳感器，傳感器固定支架可設置在固定端鋼套16和滑動端鋼套18上面某一位置。將應變片貼在試件表面，動態應變儀在第一次使用時應進行自動清零及輸入應變片靈敏度係數。將裝好試件及傳感器的試件機械加載裝置放入溼熱箱11中，在主控計算機I上設置試驗時的溫度和溼度，保持足夠的時間使試件溫溼度達到設定值。然後通過軟體設置測試電流，接通電流源3，點擊軟體開始按鈕進行測試。到達設定的時間後電流加載自動停止， 試驗結果自動保存。關掉電流源3及溼熱箱11的電源，待試件冷卻後取出試件，進行失效分析及力學性能測試。本測試系統可將電流載荷設為零而只進行溼熱損傷測試，或不使用溼熱箱11隻進行電流損傷測試。
權利要求
1.一種碳纖維增強樹脂基複合材料熱-電損傷測試系統，其特徵在於所述的測試系統包括溼熱箱(11)、試件機械加載裝置和控制裝置；其中試件機械加載裝置設置在溼熱箱(11)的內部，其上安裝有兩個測試電極；控制裝置中的部分部件安裝在試件機械加載裝置上，用於控制碳纖維增強樹脂基複合材料試件的電流加載及損傷狀態參量採集過程。
2.根據權利要求I所述的碳纖維增強樹脂基複合材料熱-電損傷測試系統，其特徵在於所述的試件機械加載裝置包括底座(12)、箱體(13)、兩條導軌(14)、兩根拉杆(15)、固定端鋼套(16)、固定端電極(17)、滑動端鋼套(18)、滑動端電極(19)、絲槓(20)、力傳感器支架(21)、傘齒輪組(22)、主軸(23)和手輪(24);其中底座(12)為長方形板狀，水平設置； 箱體(13)設置在底座(12)的表面一端；固定端鋼套(16)設置在底座(12)的表面另一端， 其內部安裝有固定端電極(17);兩條導軌(14)沿底座(12)的長度方向平行設置在位於箱體(13)和固定端鋼套(16)之間的底座(12)表面；滑動端鋼套(18)固定在導軌(14)上的兩個滑塊表面，並且上部兩側加工過孔貫穿兩根拉杆(15);平行設置的兩根拉杆(15)的兩端分別固定在固定端鋼套(16)和箱體(13)上靠近固定端鋼套(16)的側壁內端面上；滑動端電極(19)安裝在滑動端鋼套(18)的內部；固定端電極(17)和滑動端電極(19)上相對的側面露在外部，用於夾持試件並導電；滑動端鋼套(18)與滑動端電極(19)相接觸的表面以及固定端鋼套(16)與固定端電極(17)相接觸的表面噴塗一層氧化鋯陶瓷塗層；力傳感器支架(21)安裝在滑動端鋼套(18)上靠近箱體(13)的側面，其內設置有測力傳感器(9)； 絲槓(20)的一端壓在測力傳感器(9)上，並與力傳感器支架(21)孔內壁通過平鍵聯接，另一端通過安裝在箱體(13)內端面上的軸承貫穿箱體(13)而延伸至箱體(13)的內部；主軸 (23)通過安裝在箱體(13) —側面上的軸承貫穿設置在箱體(13)的側面上；傘齒輪組(22) 由第一傘齒輪(25)和第二傘齒輪(26)組成，其中第一傘齒輪(25)與位於箱體(13)內部的主軸(23)端部鍵連接，第二傘齒輪(26)平鍵聯接安裝在通過軸承支撐於箱體(13)內端面上的絲槓螺母(26)端部，並與第一傘齒輪(25)相嚙合；而手輪(24)則安裝在主軸(23) 上位於箱體(13)外部的一端。
3.根據權利要求I所述的碳纖維增強樹脂基複合材料熱-電損傷測試系統，其特徵在於所述的控制裝置包括主控計算機(I)、信號發生器(2)、電流源(3)、電分流器(4)、數據採集器(5)、分流器電壓採集電路￠)、電極電壓採集電路(7)、溫度傳感器(8)、測力傳感器(9)和應變採集裝置(10);其中主控計算機(I)為整個測試系統的控制核心，用於完成信號控制、數據採集及存儲操作；信號發生器(2)為可控信號發生裝置，其輸入端與主控計算機(I)連接，輸出端與電流源(3)連接，用於根據主控計算機(I)的指令產生相應的信號，從而控制電流源(3)的輸出電流；電流源(3)為可控電流源，用於為試件提供測試電流， 其輸入端與信號發生器(2)相連接，兩個輸出端分別與試件機械加載裝置上的固定端電極(17)和滑動端電極(19)以及電分流器⑷相連接，形成一閉合的測試迴路；電分流器⑷ 為純電阻性器件，用於檢測測試迴路中的電流；數據採集器(5)為多路數據採集電路，其輸出端與主控計算機(I)相連接，輸入端分別與分流器電壓採集電路￠)、電極電壓採集電路(7)、溫度傳感器(8)、測力傳感器(9)和應變採集裝置(10)相連接，用於採集測試所必需的各種信號；分流器電壓採集電路(6)為電壓信號採集電路，用於獲取電分流器(4)兩端的電壓；電極電壓採集電路(7)為電壓信號採集電路，用於獲取固定端電極(17)和滑動端電極 (19)之間的電壓；溫度傳感器(8)安裝在試件表面，用於獲取試件表面的溫度信息；測力傳感器(9)為壓力信號傳感器，安裝在試件機械加載裝置上，用於獲取試件所承受的壓力；應變採集裝置(10)由應變測試儀和應變片組成，用於獲取試件的應變信息，其中應變片安裝在試件表面，其通過專用電纜與應變檢測儀連接。
全文摘要
一種碳纖維增強樹脂基複合材料熱-電損傷測試系統。其包括溼熱箱、試件機械加載裝置和控制裝置；試件機械加載裝置設置在溼熱箱內；控制裝置中部分部件裝在試件機械加載裝置上。本發明系統可對碳纖維增強樹脂基複合材料進行定量的溼熱損傷、電流損傷及溼熱、電流共同作用下聯合損傷，還能精確測定熱、電載荷作用下碳纖維增強樹脂基複合材料電阻、溫度、應變等參量的動態變化。本系統可滿足多種試件尺寸測試要求，調節方便，能控制與顯示接觸壓力大小，具有良好的軟體界面及數據管理功能。本系統為碳纖維增強樹脂基複合材料在溼熱、電流、熱-電環境下失效機制的揭示提供一種有效可靠的手段。
文檔編號G01N25/00GK102590260SQ20121004534
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月27日 優先權日2012年2月27日
發明者丁坤英, 張國尚, 李娜, 王志平, 紀朝輝, 韓志勇 申請人:中國民航大學