[發明專利]非破壞雷電流分量作用下碳纖維復合材料溫度特性測量、校準方法和測試系統

有效

• 申請號: 201811489481.1
• 申請日: 2018-12-06
• 公開（公告）號: CN109781777B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 姚學玲;孫晉茹;陳景亮;李亞豐
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務所 11430
• 代理人: 范盈

本發明公開一種非破壞雷電流分量作用下碳纖維復合材料溫度特性測量、校準方法和測試系統，采用瞬態溫度測試單元在線監測雷電流分量作用下被試碳纖維復合材料層合板的溫度變化，以及采用碳纖維復合材料的熱電耦合模型計算溫度特性；分析碳纖維復合材料測量和計算兩種溫度特性方法之間的差異，用得到的被試碳纖維復合材料層合板的非線性電導特性作為調控量，對碳纖維的熱電耦合模型進行調控，得到被試碳纖維復合材料層合板的計算溫度特性與溫度測試儀測試的溫度特性相接近的結果，為高強度雷電流分量作用下被試碳纖維復合材料層合板雷電直接效應的熱電耦合模型的建模、計算結果和雷電損傷的機理研究提供基礎理論支撐。

技術領域

本發明屬于碳纖維復合材料動態特性的測量技術，涉及一種非破壞雷電流分量作用下碳纖維復合材料溫度特性測量、校準方法和測試系統。

背景技術

碳纖維復合材料既具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、耐化學腐蝕等特性，又具有紡織纖維的柔軟可加工性，廣泛應用于航空航天、軍事及民用工業等各個領域。隨著飛機設計的改進和碳纖維復合材料技術的進步，碳纖維增強型聚合物復合材料CFRP(CarbonFiber Reinforced Polymers)在大型民用飛機、軍用飛機、無人機及隱形飛機上的用量不斷增長，從1960年麥道公司DC-9機型上CFRP的用量不足1％，到2011年末波音B787的主翼、尾翼、機體、地板等結構的50％用的是CFRP材料，空客A350XWA上CFRP材料所占的比例達到53％。

相比較飛機中傳統使用的鋁、鋼和鈦合金材料，CFRP的電傳導性能差。一般來講，CFRP層合板經向方向的電阻率為10^-5Ω·m量級、橫向平面方向的電阻率為10^-1Ω·m量級、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間使積累的電荷迅速轉移或擴散的能力，這部分積聚的能量以焦耳熱的形式使得CFRP溫度急劇升高，從而導致CFRP的纖維斷裂、樹脂熱解、深度分層等嚴重損傷。

自CFRP問世以來，諸多學者就將研究熱點集中在其機械特性的研究方面，得出了機械沖擊參量與CFRP的抗拉伸強度、抗壓縮強度及損傷區域和損傷深度之間的關系規律。但是，雷電對飛機的直接效應包含著大電流引發的高壓沖擊波、磁場力及焦耳熱效應，因此，雷電對被試碳纖維復合材料層合板的雷擊損傷作用與機械沖擊損傷存在著巨大差異。美國機動工程師協會SAE、美國軍用標準MIL STD和歐洲民航組織EUROCAE對飛機及其部件的雷電直接效應的試驗波形和試驗方法做了詳細規定，但被試碳纖維復合材料層合板雷電直接效應的試驗波形和試驗方法并未做出規定。

目前而言，關于碳纖維復合材料雷電損傷的研究獲得了越來越廣泛的關注，許多研究者在實驗手段缺乏的情況下，通過建立單一雷電流A分量作用下碳纖維復合材料雷電損傷的熱電耦合模型，通過仿真計算獲得了碳纖維復合材料的溫度特性，然后根據溫升情況推測碳纖維復合材料的雷電損傷面積、損傷深度的影響規律。一方面，此仿真模型一般是以溫度的臨界值或者電導隨熱解度變化的規律而建立的，且熱電耦合模型的初始條件將CFRP層合板設置為各向異性的純電阻模型，電導參數設置為直流小電流下的靜態電導率，但忽略了雷電流作用下碳纖維復合材料電導率與靜態直流小電流的顯著差異，以及碳纖維復合材料雷電流作用下的非線性特征，尤其值得指出的是忽略了溫度對CFRP動態電導特性的影響，使得仿真計算的結果與實際雷擊下的雷電損傷存在較大差異。發明專利ZL2015104538855公開了“碳纖維復合材料非破壞性雷電流作用下阻抗特性測量方法及測量裝置”，相關文獻的研究結果也表明：碳纖維復合材料由于其結構、工藝特性，在雷電流作用下其電導率呈現明顯的非線性特性，而且溫度對其電導特性也有顯著的影響；另一方面，在高強度雷電流分量作用下碳纖維復合材料的仿真溫度特性、雷電損傷是否正確無法得到校驗，計算結果的可靠性無法考核。

發明內容