CN110887876A - 碳纤维复合材料层合板雷击损伤的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种碳纤维复合材料层合板雷击损伤的检测方法，所述方法包括：测量碳纤维复合材料层合板样品在雷击前后的正面电阻、背面电阻和斜体电阻，得到正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率随雷电流峰值和雷电流作用积分变化的曲线，这些曲线作为碳纤维复合材料层合板雷击损伤的特征曲线。应用过程中根据测量得到的实际正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率，利用雷击损伤的特征曲线推断出造成这种损伤的雷电流类型及此时的峰值电流和作用积分。本发明与现有的碳纤维复合材料层合板损伤检测方法相比，该方法利用材料自身的电阻特性，无需昂贵的传感器，并且可以实现准实时在线检测。

Description

碳纤维复合材料层合板雷击损伤的检测方法

技术领域

本发明属于复合材料雷击损伤检测领域，涉及一种碳纤维复合材料层合板雷击损伤的检测方法。

背景技术

碳纤维复合材料具有高强度、高模量、耐高温等特性，是理想的结构材料。碳纤维具有较好的导电性，电阻率约为1.2×10^-5～3×10^-5Ωm。由于碳纤维的高导电性可以将碳纤维作为一种传感器，通过其自身电阻的变化，来研究碳纤维复合材料层合板的损伤情况。

碳纤维复合材料因其突出的特性广泛应用在飞行器和风机叶片中。这些应用场合经常会遭遇雷电的袭击。相对于其他的非金属材料，碳纤维本身的导电性和导热性较好，但是实际使用的碳纤维复合材料其基底材料大都由类似环氧树脂的高绝缘材料组成，两种材料合成后降低了材料的导电性和导热性，更为严重的是导致了明显的各向异性。这种低导电率、低导热性和各向异性的性质，使得碳纤维复合材料在遭受雷击时会引起比金属材料更为严重的损伤。当前对碳纤维复合材料层合板雷击损伤的研究主要是利用超声扫描，X光衍射，电子显微镜等手段进行，这些检测方法价格昂贵，操作步骤繁琐，无法适应在线的准实时检测。根据碳纤维复合材料层合板自身的电阻变化特性，利用电阻法可以判断碳纤维复合材料层合板雷击后的损伤程度。电阻法在碳纤维复合材料的机械损伤检测中得到了广泛的应用，但是由于碳纤维复合材料层合板雷击前后的电阻的变化和雷击损伤之间的关系在以往并没有得到细致的研究，因此并没有利用电阻法进行碳纤维复合材料层合板雷击损伤检测。

碳纤维复合材料层合板遭受雷击后，层合板的电阻将发生变化。通过测量层合板雷击前后电阻的变化，可以准实时监测碳纤维复合材料层合板的损伤情况。

发明内容

本发明提供一种碳纤维复合材料层合板雷击损伤检测的方法，以实现碳纤维复合材料层合板雷击损伤准实时和无损检测。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种碳纤维复合材料层合板雷击损伤检测方法，其特点在于：该方法包括下列步骤：

1)建立碳纤维复合材料层合板雷击损伤的特征曲线：

测量碳纤维复合材料层合板在雷击前、后的正面电阻、背面电阻和斜体电阻，得到正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率随雷电流峰值和雷电流作用积分变化的曲线，这些曲线作为碳纤维复合材料层合板雷击损伤的特征曲线；

2)根据实际测量得到的正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率，利用雷击损伤的特征曲线推断出造成这种损伤的雷电流类型及此时的峰值电流和作用积分：

测量雷击损伤后的层合板得到的实际正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率，计算所述的层合板雷击损伤后的实际正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率的拐点前总误差和拐点后总误差；利用所述的雷击损伤的特征曲线和样品雷击损伤后的实际正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率比较，根据电阻变化或损伤应由具有总误差最小的雷电流类型以及相应的峰值电流和作用积分引起的原则，推断出所述的层合板所遭受的雷击损伤的雷电流类型、相应的峰值电流和作用积分。

所述的雷击损伤的特征曲线按以下步骤建立：

1)在碳纤维复合材料层合板的正面和背面预埋一些电极，作为雷击前后电阻的测量电极，利用正面电极测量正面电阻，背面电极测量背面电阻，在所述的正面电极和背面电极之间测量层合板的斜体电阻；

2)雷击试验前，利用可调直流电源和两个高精度万用表测量通过正面电极、背面电极和斜体电极之间的电流(I)和电压(U)，根据电阻定律R＝U/I计算出雷击试验前的正面电阻、背面电阻和斜体电阻；

3)对样品进行规定峰值电流和电流类型的雷击试验；

4)雷击后的电阻测量：试验结束后，再次按照步骤2)的测量方法进行测量，得到雷击后样品的正面电阻、背面电阻和斜体电阻；

5)碳纤维复合材料层合板的雷击后电阻变化率表示为：

式中，R₀为雷击试验前测得的电阻，R₁为雷击试验后测得的电阻；

6)改变雷电流的峰值电流，返回步骤2)重复计算，得到某一类型雷电流下多组正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率与峰值电流和作用积分的对应数据；

7)改变雷电流的类型，返回步骤2)，得到其他类型雷电流下多组正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率与峰值电流和作用积分的对应数据；

8)利用B样条曲线拟合方法得到不同类型雷电流下的正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率关于峰值电流的曲线；不同类型雷电流下的正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率关于作用积分的曲线，这些曲线作为雷击损伤的特征曲线；

所述的推断出所述的层合板遭受的雷击损伤的雷电流类型、相应的峰值电流和作用积分按以下步骤进行：

1)所述的层合板在使用前需先测量电阻，这个电阻就是雷击前电阻，然后将该层合板安装在设备上，当层合板遭受雷击后，按根据上述步骤2)测量正面电阻、背面电阻和斜体电阻，进而得到遭受雷击后的正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率；

2)从某一类型雷电流下的正面电阻变化率特征曲线中找到对应的拐点前的峰值电流值和作用积分值以及拐点后的峰值电流值和作用积分值；

3)从某一类型雷电流下的背面电阻变化率特征曲线中找到对应拐点前的峰值电流值和作用积分值以及拐点后的峰值电流值和作用积分值；

4)从某一类型雷电流下的斜体电阻变化率特征曲线中找到对应拐点前的峰值电流值和作用积分值以及拐点后的峰值电流值和作用积分值；

5)将根据2)～4)步骤得到的值计算某一类型雷电流下的下列参数：

a：三种电阻变化率对应的拐点前的峰值电流值的平均值和均方根误差；

b：三种电阻变化率对应的拐点后的峰值电流值的平均值和均方根误差；

c：三种电阻变化率对应的拐点前的作用积分值的平均值和均方根误差；

d：三种电阻变化率对应的拐点后的作用积分值的平均值和均方根误差；

6)步骤5)中所述的a和c构成拐点前组，b和d构成拐点后组，利用a中拐点前峰值电流均方根误差和c中拐点前作用积分均方根误差得到某一类型雷电流下的拐点前的总误差；利用b中拐点后峰值电流均方根误差和d中拐点后作用积分均方根误差得到某一类型雷电流下的拐点后的总误差；

7)重复步骤2)～6)，计算其他类型雷电流下拐点前总误差和拐点后总误差；

8)通过比较6)和7)中得到的总误差，根据电阻变化或损伤应由具有总误差最小的雷电流类型以及相应的峰值电流和作用积分引起的原则，得出所述的层合板所遭受的雷击损伤的雷电流类型、相应的峰值电流和作用积分情况。

本发明的有益效果是：

1、在实际的应用中，电极可以预埋进层合板中，本发明无需破坏碳纤维复合材料层合板的结构，通过电阻的变化就可以得知碳纤维复合材料层合板的损伤情况；

2、本发明的操作简便，所需测量仪器为常用的数字万用表和可调直流电源，大大降低试验成本和难度；

3、本发明可用于现场检测或在线准实时检测碳纤维复合材料的雷击损伤情况。

附图说明

图1为碳纤维复合材料层合板表面测量电极的布置图；

图2为测量碳纤维复合材料层合板电阻的电路原理图；

图3为碳纤维复合材料层合板在雷击试验前后电阻的变化率和峰值电流关系的曲线图；

图4为碳纤维复合材料层合板在雷击试验前后电阻的变化率和作用积分关系的曲线图；

表1为用于电阻测量的电极配置关系；

表2为由三种电阻变化率推导出的峰值电流和作用积分；

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作更进一步的说明。

本实施例包含两个部分，

第一部分为：测量碳纤维复合材料层合板样品在雷击前后的正面电阻、背面电阻和斜体电阻，得到正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率随雷电流峰值和雷电流作用积分变化的曲线，这些曲线作为碳纤维复合材料层合板雷击损伤的特征曲线。

第二部分为：根据实际测量得到的正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率，利用雷击损伤的特征曲线推断出造成这种损伤的雷电流类型及此时的峰值电流和作用积分。

在本实施例第一部分中，使用的碳纤维复合材料层合板长度为250mm、宽度为50mm、厚度为2mm，表层碳纤维的方向为0度，铺层为

通过如下步骤获取雷击损伤的特征曲线：

(1)参考图1，用导电银浆和铜导线在碳纤维复合材料层合板的正、反两面制作8个直流电阻测量电极，正面的4个电极为A1，A2，A3，A4；背面的四个电极为B1，B2，B3，B4；这些电极预埋进层合板中；

(2)雷击前的电阻测量：测量正面电阻时外电极为A1、A4，内电极为A2、A3；测量背面电阻时外电极为B1、B4，内电极为B2、B3；测量斜体电阻时外电极为A1、B4，内电极为A2、B3。雷击试验前，按照图2连接，可调直流电源输出直流电流通过外电极注入样品，高精度万用表2测量通过外电极注入样品的电流(I)，高精度万用表1测量内电极间的电压(U)。

表1

表2

测量后通过电阻定律R＝U/I计算出雷击试验前的正面电阻、背面电阻和斜体电阻；

(3)对碳纤维复合材料层合板进行雷电流类型A的雷击试验；

(4)雷击后的电阻测量：试验结束后，再次按照步骤(2)的测量方法得到雷击后碳纤维复合材料层合板的正面电阻、背面电阻和斜体电阻；

(5)碳纤维复合材料层合板的雷击后电阻变化率表示为：

式中，R₀为试验前的电阻，R₁为试验后的电阻；

(6)改变雷电流类型A的峰值电流，重复步骤(1)～(5)，可以得到雷电流类型A的多组正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率与峰值电流和作用积分的对应数据；

(7)将雷电流类型A改为雷电流类型D，重复步骤(1)～(6)，得到雷电流类型D的多组正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率与峰值电流和作用积分的对应数据；

(8)利用B样条曲线拟合方法得到雷电流类型A和雷电流类型D下的正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率关于峰值电流的曲线；雷电流类型A和D下的正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率关于作用积分的曲线，见图3和图4。

图3中曲线A-front、A-back和A-oblique分别指的是雷电流类型A下的正面电阻变化率与峰值电流对应关系特征曲线；背面电阻变化率与峰值电流对应关系特征曲线；斜体电阻变化率与峰值电流对应关系特征曲线。曲线D-front、D-back和D-oblique分别指的是雷电流类型D下的正面电阻变化率与峰值电流对应关系特征曲线；背面电阻变化率与峰值电流对应关系特征曲线；斜体电阻变化率与峰值电流对应关系特征曲线。

图4中曲线A-front、A-back和A-oblique分别指的是雷电流类型A下的正面电阻变化率与作用积分对应关系特征曲线；背面电阻变化率与作用积分对应关系特征曲线；斜体电阻变化率与作用积分对应关系特征曲线。曲线D-front、D-back和D-oblique分别指的是雷电流类型D下的正面电阻变化率与作用积分对应关系特征曲线；背面电阻变化率与作用积分对应关系特征曲线；斜体电阻变化率与作用积分对应关系特征曲线。

在本实施例第二部分中，根据实际测量得到的正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率，利用雷击损伤的特征曲线推断出引起这种程度损伤的峰值电流和作用积分，进而判断损伤类型。以实际检测到的正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率分别为-13.6％，-7.87％和-10.31％的情况为例，对于雷电流类型A：

(1)正面电阻变化率为-13.6％时，对应于图3“A-front”曲线中拐点前的峰值电流值I_f,1,A为33.07kA，拐点后的峰值电流值I_f,2,A为38.50kA；对应于图4“A-front”曲线拐点前的作用积分值AI_f,1,A为56.91×10³A²s，拐点后的作用积分值AI_f,2,A为76.85×10³A²s；

(2)背面电阻变化率为-7.87％时，对应于图3“A-back”曲线中拐点前的峰值电流值I_b,1,A为30.43kA，拐点后的峰值电流值I_b,2,A为40.04kA；对应于图4“A-back”曲线拐点前的作用积分值AI_b,1,A为48.25×10³A²s，拐点后的作用积分值AI_b,2,A为82.72×10³A²s；

(3)斜体电阻变化率为-10.31％时，对应于图3“A-oblique”曲线中拐点前的峰值电流值I_o,1,A为32.93kA，拐点后的峰值电流值I_o,2,A为40.85kA；对应于图4“A-oblique”曲线拐点前的作用积分值AI_o,1,A为56.47×10³A²s，拐点后的作用积分值AI_o,2,A为86.53×10³A²s；

(4)对于雷电流类型A拐点前峰值电流平均值为：

拐点前峰值电流均方根误差为：

拐点后峰值电流平均值为：

拐点后峰值电流均方根误差为：

拐点前作用积分平均值为：

拐点前作用积分均方根误差为：

拐点后作用积分平均值为

拐点后作用积分均方根误差为

(5)利用拐点前峰值电流均方根误差和拐点前作用积分均方根误差得到雷电流类型A下的拐点前的总误差；利用拐点后峰值电流均方根误差和拐点后作用积分均方根误差得到雷电流类型A下的拐点后的总误差；

雷电流类型A下的拐点前的总误差为：

雷电流类型A下的拐点后的总误差为：

对于雷电流类型D：

(6)正面电阻变化率为-13.6％时，对应于图3“D-front”曲线中拐点前的峰值电流值I_f,1,D为40.63kA，拐点后的峰值电流值I_f,2,D为58.52kA、；对应于图4“D-front”曲线拐点前的作用积分值AI_f,1,D为44.73×10³A²s，拐点后的作用积分值AI_f,2,D为94.89×10³A²s；

(7)背面电阻变化率为-7.87％时，对应于图3“D-back”曲线中拐点前的峰值电流值I_b,1,D为34.40kA，拐点后的峰值电流值I_b,2,D为58.81kA；对应于图4“D-back”曲线拐点前的作用积分值AI_b,1,D为32.12×10³A²s，拐点后的作用积分值AI_b,2,D为95.92×10³A²s；

(8)斜体电阻变化率为-10.31％时，对应于图3“D-oblique”曲线中拐点前的峰值电流值I_o,1,D为41.51kA，拐点后的峰值电流值I_o,2,D为58.74kA；对应于图4“D-oblique”曲线拐点前的作用积分值AI_o,1,D为46.93×10³A²s，拐点后的作用积分值AI_o,2,D为96.07×10³A²s；

(9)参考步骤(4)，计算得到雷电流类型D下拐点前峰值电流平均值为38.85kA，拐点前峰值电流均方根误差为3.16；拐点后峰值电流平均值为58.69kA，拐点后峰值电流均方根误差为0.12；拐点前作用积分平均值为41.26×10³A²s，拐点前作用积分均方根误差为6.53；拐点后作用积分平均值为95.63×10³A²s，拐点后作用积分均方根误差为0.52；

(10)参考步骤(5)，利用拐点前峰值电流均方根误差和拐点前作用积分均方根误差得到雷电流类型D下的拐点前的总误差为7.25；利用拐点后峰值电流均方根误差和拐点后作用积分均方根误差得到雷电流类型D下的拐点后的总误差为0.54；

(11)表2显示了步骤(1)-(10)的结果。电阻变化或损伤应由具有总误差最小的雷电流类型以及相应的峰值电流和作用积分引起。对于正面电阻，背面电阻和斜体电阻变化率分别为-13.6％，-7.87％和-10.31％的情况，比较四个总误差值可以发现，最小的总误差值为0.54，据此可以推断出造成损伤的是峰值电流为58.69kA，作用积分为95.63×10³A²s的雷电流类型D。

根据雷击前后碳纤维复合材料层合板的电阻特性提出了一种用于检测碳纤维复合材料层合板雷击损伤的新方法，与现有的碳纤维复合材料层合板雷击损伤检测方法相比，该方法利用材料自身的电阻特性且无需昂贵的传感器，可以实现准实时在线检测。

本发明是一种基于电阻法的碳纤维复合材料层合板雷击损伤检测方法，无需复杂的仪器和数据处理方法就能准确的测量碳纤维复合材料层合板的电阻，得到电阻变化率随峰值电流和作用积分的变化曲线；其次根据电阻变化率曲线推断碳纤维复合材料层合板雷击损伤情况。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种碳纤维复合材料层合板雷击损伤的检测方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：

1)建立碳纤维复合材料层合板雷击损伤的特征曲线：测量碳纤维复合材料层合板在雷击前、后的正面电阻、背面电阻和斜体电阻，得到正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率随雷电流峰值和雷电流作用积分变化的曲线，这些曲线作为碳纤维复合材料层合板雷击损伤的特征曲线；

2)根据实际测量得到的正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率，利用雷击损伤的特征曲线推断出造成这种损伤的雷电流类型及此时的峰值电流和作用积分：

测量雷击损伤后的层合板得到的实际正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率，计算所述的层合板雷击损伤后的实际正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率的拐点前总误差和拐点后总误差；利用所述的雷击损伤的特征曲线和样品雷击损伤后的实际正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率比较，根据电阻变化或损伤应由具有总误差最小的雷电流类型以及相应的峰值电流和作用积分引起的原则，推断出所述的层合板所遭受的雷击损伤的雷电流类型、相应的峰值电流和作用积分。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料层合板雷击损伤的检测方法，其特征在于：所述的雷击损伤的特征曲线按以下步骤得到：

1)在碳纤维复合材料层合板的正面和背面预埋一些电极，作为雷击前后电阻的测量电极，利用正面电极测量正面电阻，背面电极测量背面电阻，在所述的正面电极和背面电极之间测量层合板的斜体电阻；

2)雷击试验前，利用可调直流电源和两个高精度万用表测量通过正面电极、背面电极和斜体电极之间的电流(I)和电压(U)，根据电阻定律R＝U/I计算出雷击试验前的正面电阻、背面电阻和斜体电阻；

3)对样品进行规定峰值电流和电流类型的雷击试验；

4)雷击后的电阻测量：试验结束后，再次按照步骤2)的测量方法进行测量，得到雷击后样品的正面电阻、背面电阻和斜体电阻；

5)碳纤维复合材料层合板的雷击后电阻变化率表示为：

式中，R₀为雷击试验前测得的电阻，R₁为雷击试验后测得的电阻；

6)改变雷电流的峰值电流，返回步骤2)重复计算，得到某一类型雷电流下多组正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率与峰值电流和作用积分的对应数据；

7)改变雷电流的类型，返回步骤2)，得到其他类型雷电流下多组正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率与峰值电流和作用积分的对应数据；

8)利用B样条曲线拟合方法得到不同类型雷电流下的正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率关于峰值电流的曲线；不同类型雷电流下的正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率关于作用积分的曲线，这些曲线作为雷击损伤的特征曲线。

3.根据权利要求1所述的所述的碳纤维复合材料层合板雷击损伤的检测方法，其特征在于：所述的根据实际测量得到的正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率，利用雷击损伤的特征曲线推断出造成这种损伤的雷电流类型及此时的峰值电流和作用积分，按以下步骤进行：

1)所述的层合板在使用前需先测量电阻，这个电阻就是雷击前电阻，然后将该层合板安装在设备上，当层合板遭受雷击后，按根据权利要求2所述步骤2)测量正面电阻、背面电阻和斜体电阻，进而得到遭受雷击后的正面电阻变化率、背面电阻变化率和斜体电阻变化率；

2)从某一类型雷电流下的正面电阻变化率特征曲线中找到对应的拐点前的峰值电流值和作用积分值以及拐点后的峰值电流值和作用积分值；

3)从某一类型雷电流下的背面电阻变化率特征曲线中找到对应拐点前的峰值电流值和作用积分值以及拐点后的峰值电流值和作用积分值；

4)从某一类型雷电流下的斜体电阻变化率特征曲线中找到对应拐点前的峰值电流值和作用积分值以及拐点后的峰值电流值和作用积分值；

5)将根据2)～4)步骤得到的值计算某一类型雷电流下的下列参数：

a：三种电阻变化率对应的拐点前的峰值电流值的平均值和均方根误差；

b：三种电阻变化率对应的拐点后的峰值电流值的平均值和均方根误差；

c：三种电阻变化率对应的拐点前的作用积分值的平均值和均方根误差；

d：三种电阻变化率对应的拐点后的作用积分值的平均值和均方根误差；

6)步骤5)中所述的a和c构成拐点前组，b和d构成拐点后组，利用a中拐点前峰值电流均方根误差和c中拐点前作用积分均方根误差得到某一类型雷电流下的拐点前的总误差；利用b中拐点后峰值电流均方根误差和d中拐点后作用积分均方根误差得到某一类型雷电流下的拐点后的总误差；

7)重复步骤2)～6)，计算其他类型雷电流下拐点前总误差和拐点后总误差；

8)通过比较6)和7)中得到的总误差，根据电阻变化或损伤应由具有总误差最小的雷电流类型以及相应的峰值电流和作用积分引起的原则，得出所述的层合板所遭受的雷击损伤的雷电流类型、相应的峰值电流和作用积分情况。

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