碳纤维复合材料电导率测量系统的制作方法

1.本公开涉及cfpr检测技术领域，尤其涉及一种碳纤维复合材料电导率测量系统。


背景技术：

2.随着材料技术的发展，碳纤维增强复合材料(carbon fibre-reinforcedpolymer，cfrp)在航空、航天、兵器等领域的应用越来越广泛，cfpr的电导率是研究其电磁特性的关键参数之一，但是，由于其结构复杂，各方向的参数不相等，其电导率的测试方法复杂。


技术实现要素：

3.本公开实施例提供一种碳纤维复合材料电导率测量系统，能够对cfpr 不同方向的电导率进行测量，操作简单、通用性强。所述技术方案如下：
4.根据本公开实施例的第一方面，提供一种碳纤维复合材料电导率测量系统，包括：测试平台、直流电阻仪、台虎钳、c型夹、绝缘胶带、测试夹具、两个金属电极、目标试件；
5.台虎钳固定在测试平台的边缘，台虎钳将c型夹固定，且台虎钳与c型夹垂直；c型夹两端均匀缠绕有绝缘胶带，将两个金属电极未与目标试件接触的一端使用绝缘胶带粘贴在c型夹上；将碳纤维复合材料的目标试件放置在c型夹中夹紧，将目标试件的两端与两个金属电极的另一端的完全接触；测试夹具夹持两个金属电极与直流电阻仪连接，并放置在测试平台上。
6.在一个实施例中，目标试件包括n个沿碳纤维复合材料纤维方向的试件、 n个沿碳纤维复合材料垂直于纤维方向的试件以及n个沿碳纤维复合材料厚度方向的试件。
7.在一个实施例中，在目标试件为沿碳纤维复合材料纤维方向的试件时，或者，在目标试件为沿碳纤维复合材料垂直于纤维方向的试件时，将目标试件的两端打磨至碳纤维完全露出后，将打磨后的目标试件的两端的碳纤维分别与两个金属电极的一端连接。
8.在一个实施例中，在目标试件为沿碳纤维复合材料厚度方向的试件时，将目标试件的两面打磨至碳纤维完全露出后，将打磨后的目标试件的两面的碳纤维分别与两个金属电极的一端连接。
9.在一个实施例中，该系统还包括：绝缘纸；
10.在目标试件为沿碳纤维复合材料厚度方向的试件时，在目标试件和c型夹之间的两端增加预设厚度的绝缘纸。
11.在一个实施例中，金属电极的尺寸小于或等于3cm，与金属电极连接处的目标试件的尺寸小于或等于2cm。
12.在一个实施例中，目标试件的长宽比大于或等于10。
13.根据本公开实施例的第二方面，提供一种碳纤维复合材料电导率测量方法，该方法包括：
14.获取碳纤维复合材料在目标方向的n个目标试件；
15.将n个目标试件中每个目标试件通过金属电极与直流电阻仪连接，获取每个目标试件对应的直流电阻仪的电阻值；
16.根据直流电阻仪的电阻值，计算得到每个目标试件的电阻值；
17.根据每个目标试件的电阻值计算得到对应的目标试件的电导率，并将n 个目标试件的电导率的平均值确定为碳纤维复合材料在目标方向的电导率。
18.能够根据碳纤维复合材料电导率具有各向异性的特征，对不同方向的电导率设计具有针对性的测量方法，操作简便、通用性强、精度高。
19.在一个实施例中，根据直流电阻仪的电阻值，计算得到每个目标试件的电阻值包括：
20.根据直流电阻仪的电阻值、两个金属电极的电阻值以及第一公式，计算得到每个目标试件的电阻值；
21.第一公式为：r2＝r-r1-r3，其中，r2为目标试件的电阻值，r为直流电阻仪的电阻值，r1和r3分别为两个金属电极的电阻值。
22.在一个实施例中，根据直流电阻仪的电阻值，计算得到每个目标试件的电阻值包括：
23.将直流电阻仪的电阻值确定为对应的目标试件的电阻值。
24.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
25.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
26.图1是本公开实施例提供的一种碳纤维复合材料电导率测量方法的流程图；
27.图2是本公开实施例提供的一种cfrp在纤维方向和垂直纤维方向电导率测试原理示意图；
28.图3是本公开实施例提供的一种cfrp在厚度方向电导率测试原理示意图；
29.图4是本公开实施例提供的一种cfrp在第一视角的测试配置示意图；
30.图5是本公开实施例提供的一种cfrp在第二视角的测试配置示意图；
31.图6是本公开实施例提供的一种cfrp测试方案的流程示意图。
具体实施方式
32.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
33.本公开实施例提供一种碳纤维复合材料电导率测量方法，如图1所示，该碳纤维复合材料电导率测量方法包括以下步骤：
34.101、获取碳纤维复合材料在目标方向的n个目标试件。
35.碳纤维复合材料的导电性主要由碳纤维的导电性引起的，其电导率主要取决于碳
纤维的分布状态以及纤维导电通路的形成情况，由于碳纤维复合材料在纤维方向、垂直纤维方向和厚度方向的电阻均为有限值，这表明在纤维方向、垂直纤维方向和厚度方向均具有导电特性。因此，本公开实施例所描述的目标方向包括纤维方向、垂直纤维方向和厚度方向。对于纤维方向、垂直纤维方向和厚度方向，可设定为x方向、y方向和z方向。
36.那么，在目标方向为纤维方向时，获取n个长为l、宽为w、厚为h 的沿纤维方向的试件；在目标方向为垂直于纤维方向时，获取n个长为l、宽为w、厚为h的垂直于纤维方向的试件；在目标方向为厚度方向时，获取 n个长为w、宽为w、厚为h的的沿厚度方向的试件。
37.102、将n个目标试件中每个目标试件通过金属电极与直流电阻仪连接，获取每个目标试件对应的直流电阻仪的电阻值。
38.碳纤维复合材料的导电性主要由碳纤维的导电性引起的，因此，需要将目标试件中的碳纤维与通过金属电极与直流电阻仪连接。下面，针对不同方向的目标试件如何通过金属电极与直流电阻仪连接进行具体介绍。
39.在一个示例中，在目标方向为纤维方向或垂直于纤维方向时，将n个目标试件中每个目标试件通过金属电极与直流电阻仪连接包括：
40.将每个目标试件的两端打磨至碳纤维完全露出后，将打磨后的目标试件的两端的碳纤维分别与两个金属电极的一端连接，两个金属电极的另一端与直流电阻仪连接。
41.具体的，将目标试件的两端进行打磨，使碳纤维完全露出来，用导电胶将金属电极与其相连，可使用压力夹将金属电极夹住，保证金属电极与目标试件的碳纤维充分接触。为保证电流在目标试件上传播均匀，金属电极的尺寸应大于或等于目标试件的尺寸；同时，金属电极的尺寸也不宜过大，金属电极的最大尺寸小于或等于3cm，与金属电极连接处目标试件的尺寸小于或等于2cm，目标试件的长宽比大于或等于10。
42.在一个示例中，在目标方向为厚度方向时，将n个目标试件中每个目标试件通过金属电极与直流电阻仪连接包括：
43.将每个目标试件的两面打磨至碳纤维完全露出后，将打磨后的目标试件的两面的碳纤维分别与两个金属电极的一端连接，两个金属电极的另一端与直流电阻仪连接。
44.具体的，将目标试件的相对的两个表面进行打磨，使得碳纤维完全漏出来，用导电胶将金属电极与其相连，可使用压力夹将金属电极夹住，保证金属电极与目标试件的碳纤维充分接触。为保证电流在目标试件上传播均匀，金属电极尺寸应大于或等于目标试件的尺寸。
45.103、根据直流电阻仪的电阻值，计算得到每个目标试件的电阻值。
46.在一个示例中，根据直流电阻仪的电阻值，计算得到每个目标试件的电阻值包括：根据直流电阻仪的电阻值、两个金属电极的电阻值以及第一公式，计算得到每个目标试件的电阻值；
47.第一公式为：r2＝r-r
1-r3，其中，r2为目标试件的电阻值，r为直流电阻仪测量得到的电阻值，r1和r3分别为两个金属电极的电阻值。
48.目标试件通过金属电极与直流电阻仪连接等效于串联电路，直流电阻仪测量得到的电阻与目标试件的电阻与金属电极的电阻之间的关系为： r＝r1+r2+r3，因此，可以得到目标试件的电阻值r2＝r-r
1-r3。
49.在一个示例中，根据直流电阻仪的电阻值，计算得到每个目标试件的电阻值包括：
将直流电阻仪的电阻值确定为对应的目标试件的电阻值。
50.一般情况下，金属铜电极的电导率在107s/m量级，尺寸为3cm
×
3cm
×ꢀ
0.1cm电极的电阻在10-5
ω量级。尺寸为10cm
×
1cm
×
0.3cm的目标试件的电阻在104～105ω量级。因此目标试件的电阻r远大于两个金属电极的电阻 r1和r2，因此，可以将直流电阻仪的电阻值确定为对应的目标试件的电阻值，即r2≈r。
51.104、根据每个目标试件的电阻值计算得到对应的目标试件的电阻率，并将n个目标试件的电阻率的平均值确定为碳纤维复合材料在目标方向的电阻率。
52.在得到每个目标试件的电阻值后，根据第二公式计算得到对应的目标试件的电阻率，其中，第二公式为：ρ表示目标试件的电阻率，r2为目标试件的电阻值，s为目标试件的横截面积，l为目标试件的长度；进而，根据目标试件的电阻率和第三公式计算得到目标试件的电导率，其中，第三公式为：σ表示目标试件的电导率；然后，计算n个目标试件的电导率的平均值，将该平均值确定为碳纤维复合材料在目标方向的电导率。
53.由于碳纤维复合材料在纤维方向、垂直纤维方向和厚度方向，即xyz三个方向上都存在电阻率，因此，根据第二公式和第三公式依次计算在x方向、 y方向以及z方向上的电阻率，从而得到碳纤维复合材料在目标方向的电阻率。
54.本公开实施例提供的碳纤维复合材料电导率测量方法，获取碳纤维复合材料在目标方向的n个目标试件；将n个目标试件中每个目标试件通过金属电极与直流电阻仪连接，获取每个目标试件对应的直流电阻仪的电阻值；根据直流电阻仪的电阻值，计算得到每个目标试件的电阻值；根据每个目标试件的电阻值计算得到对应的目标试件的电导率，并将n个目标试件的电导率的平均值确定为碳纤维复合材料在目标方向的电导率。根据碳纤维复合材料电导率具有各向异性的特征，对不同方向的电导率设计具有针对性的测量方法，操作简便、通用性强、精度高。
55.基于上述图1对应的实施例提供的碳纤维复合材料电导率测量方法，本公开另一实施例提供一种碳纤维复合材料电导率测量方法，cfrp的电导率是电磁仿真的关键参数，对于以cfrp为例的复合材料，其电阻率较大，需使用直流电阻仪进行测量，测量时需将其设置为自动量程。
56.将cfrp沿纤维方向设为x方向，垂直于纤维方向设为y方向，厚度方向设为z方向。由于cfrp具有各向异性，需要测量xyz三个方向的电导率，加之材料的结构属性，设计针对性的测试方法如下：
57.1)对于σ
x
和σy的测试方法
58.其中，σ
x
表示x方向上的电导率，σy表示y方向上的电导率。
59.具体的，制作长方形试件，使用两个金属电极夹在复合材料两侧，用高精度的电阻测试仪器测试电阻，原理图参考图2所示。使用金属电极时应将 cfrp材料两端进行打磨，使得碳纤维完全露出来，用导电胶将金属电极与其相连，并使用压力夹将电极夹住，保证电极与cfrp材料充分接触。为保证电流在cfrp试件上传播均匀，金属电极尺寸应不小于cfrp试件的尺寸。同时金属电极尺寸不宜过大，建议金属电极最大尺寸不大于3cm。与金属电极连接处试件的尺寸不大于2cm，试件长宽比不小于10。
60.参考图2所示，测试方案等效于串联电路，其直流电阻仪的测试电阻与金属电极和cfrp材料电阻之间的关系为：
61.r＝r1+r2+r3ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
62.其中r为直流电阻仪所测得的电阻，r1为左边金属电极的电阻，r2为 cfrp试件的电阻，r3为右边金属电极的电阻。
63.故cfrp材料电阻为：r2＝r-r
1-r3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
64.一般情况下，金属铜电极的电导率在107s/m量级，尺寸为3cm
×
3cm
×ꢀ
0.1cm电极的电阻在10-5
ω量级。尺寸为10cm
×
1cm
×
0.3cm cfrp试件的电阻在104～105ω量级。因此r远大于r1和r2，则r2≈r。
65.cfrp材料电阻率为：
66.因此，cfrp材料在x方向电导率为：
67.考虑到碳纤维复合材料在x方向和y方向上的厚度相同，且电流沿试件长边传播，因此，在x方向和y方向上的测试方法相同，此处不再赘述。
68.2)对于σz的测试方法
69.cfrp厚度方向的电导率σz的测试较困难，需要通过正负两个电极将电流注入材料内部，参考图3所示，此时这三部分电阻在电路中串联。其中r1 为左边金属电极的电阻，r2为cfrp试件的电阻，r3为右边金属电极的电阻，r为直流电阻仪所测得的电阻，各电阻同样符合式(1)的关系。在使用金属电极时应将cfrp材料上下表面进行打磨，使得碳纤维完全露出来，用导电胶将金属电极与其相连，并使用压力夹将电极夹住，保证电极与cfrp 材料充分接触。金属电极尺寸应大于或等于cfrp试件的尺寸，保证电流在 cfrp试件上传播均匀。
70.通过直流电阻仪测得电阻r，由式(2)求得cfrp材料的电阻r2，通过式(3)、式(4)分别求出电阻率ρz和电导率σz。
71.无论测量什么方向的电导率，都需考虑测试误差，因此需制作多个cfrp 试件，分别进行测试。先测量出电阻值，计然后算出电阻率ρ，最后求平均后求出各个方向上的电导率σ。
72.参考图6所示，首先测量在x方向的电导率，依次测量得到在x方向的 n个试件的电导率σ
1x
、σ
2x
、
……
、σ
nx
，并对这n个电导率求均值计算得到在x方向的电导率σ
x
，然后测量在y方向的电导率，依次测量得到在y方向的n个试件的电导率σ
1y
、σ
2y
、
……
、σ
ny
，并对这n个电导率求均值计算得到在y方向的电导率σy，再次测量在z方向的电导率，依次测量得到在z方向的n个试件的电导率σ
1z
、σ
2z
、
……
、σ
nz
，并对这n个电导率求均值计算得到在z方向的电导率σ
x
，最终测量结果为
73.根据上述测试方法，为保证电流在测试样品的x方向均匀传播，制作 20cm
×
2cm试件6个，记为类型a；同理制作y方向的20cm
×
2cm试件6 个，记为类型b；制作z方向的2cm
×
2cm试件6个，记为类型c，试件厚度为cfrp本身厚度。具体测试步骤包括：
74.a1、将cfrp试件中需要与金属电极连接处用砂纸进行打磨。其中，对于类型a和类型b的试件，打磨两端面；对于类型c的试件，打磨上下两个表面。
75.a2、参考图4所示，将测试夹具与直流电阻仪连接，并放置在平整绝缘的测试平台上；将台虎钳固定在测试平台边缘，使用台虎钳将c型夹夹紧固定，且与之垂直；在c型夹两端均匀缠上绝缘胶带后，将金属电极未与试件接触一侧使用绝缘胶粘贴在c型夹上；将复合材料试件放置在c型夹中夹紧，使其与金属电极紧密接触。
76.a3、将直流电阻仪设置为自动量程，对直流电阻仪进行置零校准。
77.a4、通过夹具夹持复合材料试件两端的金属电极，当显示屏上示数稳定时，记录其电阻值。
78.a5、重复步骤a3和a4，完成对类型a和类型b中剩余试件的测量和记录，将测量的电阻汇总至表1。
79.a6、对于类型c中的试件参考图5所示进行测试，
80.将测试夹具与直流电阻仪连接，并放置在平整绝缘的测试平台上；将台虎钳固定在测试平台边缘，使用台虎钳将c型夹夹紧固定，且与之垂直；在 c型夹两端均匀缠上绝缘胶带后，将金属电极未与试件接触一侧使用绝缘胶粘贴在c型夹上；将复合材料试件放置在c型夹中夹紧，使其与金属电极紧密接触。
81.此时考虑到试件较薄，c型夹压力过大可能会导致绝缘胶带滑落，因此在试件两端各增加一层较厚的绝缘纸。
82.a7、重复步骤a3和a4，完成类型c中试件的测量和记录。将测量的电阻汇总至表1。
83.a8、根据表1记录的数据最终可得出cfrp试件的电导率为：
[0084][0085]
本公开实施例提供的碳纤维复合材料电导率测量方法，能够根据碳纤维复合材料电导率具有各向异性的特征，对不同方向的电导率设计具有针对性的测量方法，操作简便、通用性强、精度高。
[0086]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0087]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识
或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

技术特征：
1.一种碳纤维复合材料电导率测量系统，其特征在于，包括：测试平台、直流电阻仪、台虎钳、c型夹、绝缘胶带、测试夹具、两个金属电极、目标试件；所述台虎钳固定在所述测试平台的边缘，所述台虎钳将所述c型夹固定，且所述台虎钳与所述c型夹垂直；所述c型夹两端均匀缠绕有绝缘胶带，将所述两个金属电极未与目标试件接触的一端使用所述绝缘胶带粘贴在所述c型夹上；将碳纤维复合材料的目标试件放置在c型夹中夹紧，将所述目标试件的两端与所述两个金属电极的另一端接触；所述测试夹具夹持所述两个金属电极与所述直流电阻仪连接，并放置在所述测试平台上。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述目标试件包括n个沿碳纤维复合材料纤维方向的试件、n个沿碳纤维复合材料垂直于纤维方向的试件以及n个沿碳纤维复合材料厚度方向的试件。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述目标试件为沿碳纤维复合材料纤维方向的试件时，或者，在所述目标试件为沿碳纤维复合材料垂直于纤维方向的试件时，将所述目标试件的两端打磨至碳纤维完全露出后，将打磨后的目标试件的两端的碳纤维分别与两个金属电极的一端连接。4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述目标试件为沿碳纤维复合材料厚度方向的试件时，将所述目标试件的两面打磨至碳纤维完全露出后，将打磨后的目标试件的两面的碳纤维分别与两个金属电极的一端连接。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：绝缘纸；在所述目标试件为沿碳纤维复合材料厚度方向的试件时，在所述目标试件和所述c型夹之间的两端增加预设厚度的绝缘纸。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述金属电极的尺寸小于或等于3cm，与所述金属电极连接处的目标试件的尺寸小于或等于2cm。7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述目标试件的长宽比大于或等于10。

技术总结
本公开提供一种碳纤维复合材料电导率测量系统，涉及CFPR检测技术领域，能够对CFPR不同方向的电导率进行测量，操作简单、通用性强。具体技术方案为：将碳纤维复合材料的目标试件通过金属电极与直流电阻仪连接，测量得到不同方向的电导率。方向的电导率。方向的电导率。


技术研发人员：杜鸣心 熊秀 范晓宇
受保护的技术使用者：西安爱邦电磁技术有限责任公司
技术研发日：2020.07.24
技术公布日：2022/3/8