专利名称：碳纤维增强树脂基复合材料热-电损伤测试系统的制作方法
技术领域：
本发明属于复合材料测试技术领域，特别是涉及一种碳纤维增强树脂基复合材料热-电损伤测试系统。
背景技术：
由于碳纤维增强树脂基复合材料具有优异的力学性能，因此已开始广泛应用于航空航天、风力发电、建筑等领域。在服役过程中，湿热是其通常所处的环境。此外，雷击电流、感应电流、静电荷放电产生的电流等因素常常直接作用于复合材料结构上，并且与湿热环境因素相互作用，结果造成结构的耐久性显著降低。目前绝大多数研究者只考虑湿热条件下该材料的力学行为，但鲜有在热-电载荷共同作用下力学行为的报道，而后者更接近于材料真实的服役状况。在公开发表的关于湿热、电流因素影响的文献中，材料测试时均将湿热环境和电流环境分别施加，并没有考虑两者同时施加时的交互作用，对于热-电损伤后的力学性能也只测试过一两项指标，而没有进行过系统研究；所采用的测试系统十分简陋，都只适用于特定尺寸的试件，且试件与通电电极间的接触压力无法精确测量与控制，也无法同时采集试件电阻、温度、应变等反应材料损伤情况的参量。因此，开发一种结构简单、 调节方便、适应多种试件尺寸要求、能够精确显示接触压力大小并能同时采集在热-电载荷作用下碳纤维增强树脂基复合材料电阻、温度、应变等参量变化的测试系统，对于研究材料在热-电环境下的失效机制以及材料安全服役条件的制定具有十分重要的意义。

发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够对多种尺寸的碳纤维增强树脂基复合材料试件施加精确的接触压力及热-电载荷，同时测定反映材料损伤状况的电阻、温度、应变等变化情况的碳纤维增强树脂基复合材料热-电损伤测试系统。为了达到上述目的，本发明提供的碳纤维增强树脂基复合材料热-电损伤测试系统包括湿热箱、试件机械加载装置和控制装置；其中试件机械加载装置设置在湿热箱的内部，其上安装有两个测试电极；控制装置中的部分部件安装在试件机械加载装置上，用于控制碳纤维增强树脂基复合材料试件的电流加载及损伤状态参量采集过程。所述的试件机械加载装置包括底座、箱体、两条导轨、两根拉杆、固定端钢套、固定端电极、滑动端钢套、滑动端电极、丝杠、力传感器支架、伞齿轮组、主轴和手轮；其中底座为长方形板状，水平设置；箱体(13)设置在底座的表面一端；固定端钢套设置在底座的表面另一端，其内部安装有固定端电极；两条导轨沿底座的长度方向平行设置在位于箱体和固定端钢套之间的底座表面；滑动端钢套固定在导轨上的两个滑块表面，并且上部两侧加工过孔贯穿两根拉杆；平行设置的两根拉杆的两端分别固定在固定端钢套和箱体上靠近固定端钢套的侧壁内端面上；滑动端电极安装在滑动端钢套的内部；固定端电极和滑动端电极上相对的侧面露在外部，用于夹持试件并导电；滑动端钢套与滑动端电极相接触的表面以及固定端钢套与固定端电极相接触的表面喷涂一层氧化锆陶瓷涂层；力传感器支架安装在滑动端钢套上靠近箱体的侧面，其内设置有测力传感器；丝杠的一端压在测力传感器上， 并与力传感器支架孔内壁通过平键联接，另一端通过安装在箱体内端面上的轴承贯穿箱体而延伸至箱体的内部；主轴通过安装在箱体一侧面上的轴承贯穿设置在箱体的侧面上；伞齿轮组由第一伞齿轮和第二伞齿轮组成，其中第一伞齿轮与位于箱体内部的主轴端部键连接，第二伞齿轮平键联接安装在通过轴承支撑于箱体内端面上的丝杠螺母端部，并与第一伞齿轮相啮合；而手轮则安装在主轴上位于箱体外部的一端。所述的控制装置包括主控计算机、信号发生器、电流源、电分流器、数据采集器、分流器电压采集电路、电极电压采集电路、温度传感器、测力传感器和应变采集装置；其中 主控计算机为整个测试系统的控制核心，用于完成信号控制、数据采集及存储操作；信号发生器为可控信号发生装置，其输入端与主控计算机连接，输出端与电流源连接，用于根据主控计算机的指令产生相应的信号，从而控制电流源的输出电流；电流源为可控电流源，用于为试件提供测试电流，其输入端与信号发生器相连接，两个输出端分别与试件机械加载装置上的固定端电极和滑动端电极以及电分流器相连接，形成一闭合的测试回路；电分流器为纯电阻性器件，用于检测测试回路中的电流；数据采集器为多路数据采集电路，其输出端与主控计算机相连接，输入端分别与分流器电压采集电路、电极电压采集电路、温度传感器、测力传感器和应变采集装置相连接，用于采集测试所必需的各种信号；分流器电压采集电路为电压信号采集电路，用于获取电分流器两端的电压；电极电压采集电路为电压信号采集电路，用于获取固定端电极和滑动端电极之间的电压；温度传感器安装在试件表面，用于获取试件表面的温度信息；测力传感器为压力信号传感器，安装在试件机械加载装置上， 用于获取试件所承受的压力；应变采集装置由应变测试仪和应变片组成，用于获取试件的应变信息，其中应变片安装在试件表面，其通过专用电缆与应变测试仪连接。本发明提供的碳纤维增强树脂基复合材料热-电损伤测试系统可对测试碳纤维增强树脂基复合材料进行定量的湿热损伤、电流损伤以及热、电共同作用下的损伤，特别是能精确测定热、电载荷共同作用下碳纤维增强树脂基复合材料电阻、温度、应变等参量变化，为分析真实服役条件下碳纤维增强树脂基复合材料的失效机制提供一种可靠手段。另外，本系统能够满足多种尺寸试件要求，调节方便，而且能控制与显示接触压力大小，精确测定电阻、温度、应变等随时间的变化，具有良好的软件界面及数据管理功能。


图I为本发明提供的碳纤维增强树脂基复合材料热-电损伤测试系统中控制装置构成框图。图2为本发明提供的碳纤维增强树脂基复合材料热-电损伤测试系统中试件机械加载装置结构立体图。图3为本发明提供的碳纤维增强树脂基复合材料热-电损伤测试系统中试件机械加载装置结构俯视图。图4为本发明提供的碳纤维增强树脂基复合材料热-电损伤测试系统中试件机械加载装置结构主视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的碳纤维增强树脂基复合材料热-电损伤测试系统进行详细说明。如图I所示，本发明提供的碳纤维增强树脂基复合材料热-电损伤测试系统包括湿热箱11、试件机械加载装置和控制装置；其中试件机械加载装置设置在湿热箱11的内部，其上安装有两个测试电极；控制装置中的部分部件安装在试件机械加载装置上，用于控制碳纤维增强树脂基复合材料试件的电流加载及损伤状态参量采集过程。所述的试件机械加载装置包括底座12、箱体13、两条导轨14、两根拉杆15、固定端钢套16、固定端电极17、滑动端钢套18、滑动端电极19、丝杠20、力传感器支架21、伞齿轮组22、主轴23和手轮24 ;其中底座12为长方形板状，水平设置；箱体13设置在底座12的表面一端；固定端钢套16设置在底座12的表面另一端，其内部安装有固定端电极17 ;两条导轨14沿底座12的长度方向平行设置在位于箱体13和固定端钢套16之间的底座12表面；滑动端钢套18固定在导轨14上的两个滑块表面，并且上部两侧加工过孔贯穿两根拉杆 15 ;平行设置的两根拉杆15的两端分别固定在固定端钢套16和箱体13上靠近固定端钢套 16的侧壁内端面上；滑动端电极19安装在滑动端钢套18的内部；固定端电极17和滑动端电极19上相对的侧面露在外部，用于夹持试件并导电；滑动端钢套18与滑动端电极19相接触的表面以及固定端钢套16与固定端电极17相接触的表面喷涂一层氧化锆陶瓷涂层； 力传感器支架21安装在滑动端钢套18上靠近箱体13的侧面，其内设置有测力传感器9 ； 丝杠20的一端压在测力传感器9上，并与力传感器支架21孔内壁通过平键联接，另一端通过安装在箱体13内端面上的轴承贯穿箱体13而延伸至箱体13的内部；主轴23通过安装在箱体13 —侧面上的轴承贯穿设置在箱体13的侧面上；伞齿轮组22由第一伞齿轮25和第二伞齿轮26组成，其中第一伞齿轮25与位于箱体13内部的主轴23端部键连接，第二伞齿轮26平键联接安装在通过轴承支撑于箱体13内端面上的丝杠螺母26端部，并与第一伞齿轮25相啮合；而手轮24则安装在主轴23上位于箱体13外部的一端。所述的控制装置包括主控计算机I、信号发生器2、电流源3、电分流器4、数据采集器5、分流器电压采集电路6、电极电压采集电路7、温度传感器8、测力传感器9和应变采集装置10 ;其中主控计算机I为整个测试系统的控制核心，用于完成信号控制、数据采集及存储操作；信号发生器2为可控信号发生装置，其输入端与主控计算机I连接，输出端与电流源3连接，用于根据主控计算机I的指令产生相应的信号，从而控制电流源3的输出电流；电流源3为可控电流源，用于为试件提供测试电流，其输入端与信号发生器2相连接，两个输出端分别与试件机械加载装置上的固定端电极17和滑动端电极19以及电分流器4相连接，形成一闭合的测试回路；电分流器4为纯电阻性器件，用于检测测试回路中的电流； 数据采集器5为多路数据采集电路，其输出端与主控计算机I相连接，输入端分别与分流器电压采集电路6、电极电压采集电路7、温度传感器8、测力传感器9和应变采集装置10相连接，用于采集测试所必需的各种信号；分流器电压采集电路6为电压信号采集电路，用于获取电分流器4两端的电压；电极电压采集电路7为电压信号采集电路，用于获取固定端电极 17和滑动端电极19之间的电压；温度传感器8安装在试件表面，用于获取试件表面的温度信息；测力传感器9为压力信号传感器，安装在试件机械加载装置上，用于获取试件所承受的压力；应变采集装置10由应变测试仪和应变片组成，用于获取试件的应变信息，其中应变片安装在试件表面，其通过专用电缆与应变测试仪连接。
现将本发明提供的碳纤维增强树脂基复合材料热-电损伤测试系统工作过程进行说明首先由操作人员转动手轮24以将滑动端电极19调整到某一位置，然后将作为试件的经过表面处理的碳纤维增强树脂基复合材料板装入固定端电极17和滑动端电极19之间；打开主控计算机I并进入软件控制界面，转动手轮24给试件施加一定的接触压力，边转动手轮24边观察软件中显示的压力值，直至达到欲加载的压力时固定手轮24。试件固定后，在试件表面布置温度传感器8，可以采用热敏电阻、普通热电偶等接触式的温度传感器，也可采用非接触式的红外热电偶等作为温度传感器，传感器固定支架可设置在固定端钢套16和滑动端钢套18上面某一位置。将应变片贴在试件表面，动态应变仪在第一次使用时应进行自动清零及输入应变片灵敏度系数。将装好试件及传感器的试件机械加载装置放入湿热箱11中，在主控计算机I上设置试验时的温度和湿度，保持足够的时间使试件温湿度达到设定值。然后通过软件设置测试电流，接通电流源3，点击软件开始按钮进行测试。到达设定的时间后电流加载自动停止， 试验结果自动保存。关掉电流源3及湿热箱11的电源，待试件冷却后取出试件，进行失效分析及力学性能测试。本测试系统可将电流载荷设为零而只进行湿热损伤测试，或不使用湿热箱11只进行电流损伤测试。
权利要求
1.一种碳纤维增强树脂基复合材料热-电损伤测试系统，其特征在于所述的测试系统包括湿热箱(11)、试件机械加载装置和控制装置；其中试件机械加载装置设置在湿热箱(11)的内部，其上安装有两个测试电极；控制装置中的部分部件安装在试件机械加载装置上，用于控制碳纤维增强树脂基复合材料试件的电流加载及损伤状态参量采集过程。
2.根据权利要求I所述的碳纤维增强树脂基复合材料热-电损伤测试系统，其特征在于所述的试件机械加载装置包括底座(12)、箱体(13)、两条导轨(14)、两根拉杆(15)、固定端钢套(16)、固定端电极(17)、滑动端钢套(18)、滑动端电极(19)、丝杠(20)、力传感器支架(21)、伞齿轮组(22)、主轴(23)和手轮(24);其中底座(12)为长方形板状，水平设置； 箱体(13)设置在底座(12)的表面一端；固定端钢套(16)设置在底座(12)的表面另一端， 其内部安装有固定端电极(17);两条导轨(14)沿底座(12)的长度方向平行设置在位于箱体(13)和固定端钢套(16)之间的底座(12)表面；滑动端钢套(18)固定在导轨(14)上的两个滑块表面，并且上部两侧加工过孔贯穿两根拉杆(15);平行设置的两根拉杆(15)的两端分别固定在固定端钢套(16)和箱体(13)上靠近固定端钢套(16)的侧壁内端面上；滑动端电极(19)安装在滑动端钢套(18)的内部；固定端电极(17)和滑动端电极(19)上相对的侧面露在外部，用于夹持试件并导电；滑动端钢套(18)与滑动端电极(19)相接触的表面以及固定端钢套(16)与固定端电极(17)相接触的表面喷涂一层氧化锆陶瓷涂层；力传感器支架(21)安装在滑动端钢套(18)上靠近箱体(13)的侧面，其内设置有测力传感器(9)； 丝杠(20)的一端压在测力传感器(9)上，并与力传感器支架(21)孔内壁通过平键联接，另一端通过安装在箱体(13)内端面上的轴承贯穿箱体(13)而延伸至箱体(13)的内部；主轴 (23)通过安装在箱体(13) —侧面上的轴承贯穿设置在箱体(13)的侧面上；伞齿轮组(22) 由第一伞齿轮(25)和第二伞齿轮(26)组成，其中第一伞齿轮(25)与位于箱体(13)内部的主轴(23)端部键连接，第二伞齿轮(26)平键联接安装在通过轴承支撑于箱体(13)内端面上的丝杠螺母(26)端部，并与第一伞齿轮(25)相啮合；而手轮(24)则安装在主轴(23) 上位于箱体(13)外部的一端。
3.根据权利要求I所述的碳纤维增强树脂基复合材料热-电损伤测试系统，其特征在于所述的控制装置包括主控计算机(I)、信号发生器(2)、电流源(3)、电分流器(4)、数据采集器(5)、分流器电压采集电路￠)、电极电压采集电路(7)、温度传感器(8)、测力传感器(9)和应变采集装置(10);其中主控计算机(I)为整个测试系统的控制核心，用于完成信号控制、数据采集及存储操作；信号发生器(2)为可控信号发生装置，其输入端与主控计算机(I)连接，输出端与电流源(3)连接，用于根据主控计算机(I)的指令产生相应的信号，从而控制电流源(3)的输出电流；电流源(3)为可控电流源，用于为试件提供测试电流， 其输入端与信号发生器(2)相连接，两个输出端分别与试件机械加载装置上的固定端电极(17)和滑动端电极(19)以及电分流器⑷相连接，形成一闭合的测试回路；电分流器⑷ 为纯电阻性器件，用于检测测试回路中的电流；数据采集器(5)为多路数据采集电路，其输出端与主控计算机(I)相连接，输入端分别与分流器电压采集电路￠)、电极电压采集电路(7)、温度传感器(8)、测力传感器(9)和应变采集装置(10)相连接，用于采集测试所必需的各种信号；分流器电压采集电路(6)为电压信号采集电路，用于获取电分流器(4)两端的电压；电极电压采集电路(7)为电压信号采集电路，用于获取固定端电极(17)和滑动端电极 (19)之间的电压；温度传感器(8)安装在试件表面，用于获取试件表面的温度信息；测力传感器(9)为压力信号传感器，安装在试件机械加载装置上，用于获取试件所承受的压力；应变采集装置(10)由应变测试仪和应变片组成，用于获取试件的应变信息，其中应变片安装在试件表面，其通过专用电缆与应变检测仪连接。
全文摘要
一种碳纤维增强树脂基复合材料热-电损伤测试系统。其包括湿热箱、试件机械加载装置和控制装置；试件机械加载装置设置在湿热箱内；控制装置中部分部件装在试件机械加载装置上。本发明系统可对碳纤维增强树脂基复合材料进行定量的湿热损伤、电流损伤及湿热、电流共同作用下联合损伤，还能精确测定热、电载荷作用下碳纤维增强树脂基复合材料电阻、温度、应变等参量的动态变化。本系统可满足多种试件尺寸测试要求，调节方便，能控制与显示接触压力大小，具有良好的软件界面及数据管理功能。本系统为碳纤维增强树脂基复合材料在湿热、电流、热-电环境下失效机制的揭示提供一种有效可靠的手段。
文档编号G01N25/00GK102590260SQ20121004534
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月27日 优先权日2012年2月27日
发明者丁坤英, 张国尚, 李娜, 王志平, 纪朝辉, 韩志勇 申请人:中国民航大学