平纹编织复合材料纤维束接触电阻率测量装置及方法

本发明属于纤维束接触电阻测量领域，尤其涉及平纹编织复合材料纤维束接触电阻率测量装置及方法。

背景技术：

1、碳纤维、碳化硅纤维增强复合材料具有高比强度、高比模量等特点，在航空航天领域具有广泛的应用，实现对其结构健康检测具有非常重要的意义。借助纤维增强复合材料的自诊断特性可以实现对材料的损伤检测。电阻抗成像技术作为一种新兴的无损检测技术，基于测量的边界电压和成像算法重建待测物体的电阻率分布云图评估材料内部的损伤状况。碳纤维、碳化硅纤维增强复合材料具有优良的导电性能，因此借助电阻抗成像技术可以实现对具备导电性能的纤维增强复合材料实时损伤状态监测，避免材料因突然失效导致的安全事故。目前电阻抗成像的精度还不够高，需要通过有限元仿真研究影响电阻抗成像精度的因素。纤维束接触电阻是影响电阻抗成像正问题求解精度的因素之一，获取实际的接触电阻对电阻抗成像的仿真具有重要的意义。

2、平纹编织复合材料相较于传统的单向纤维层合复合材料来说，在编织物平面上具有更平衡的性能以及更高的结构稳定性、比强度和比模量。这种织物的编织特点是经纱与纬纱每隔一根纱就交织一次，经纬纱交织区域即存在接触。在论文“接触电阻受载时的变换规律研究”中将四根纤维单丝按照“丰”字排列后测量了单丝接触区域的接触电阻。在实际测量过程中单丝电极布置比较繁琐，容易造成单丝断裂的现象，且单丝之间接触点较小导致接触区域面积难以测量，无法有效获取接触电阻率。目前电阻抗成像细观仿真模型主要涉及到纤维束级别的仿真，纤维束由多根纤维单丝集束而成，采用真空袋压工艺所制备的树脂基样品的纤维束可以被牢牢固定，在相同试验条件下可以确保制备样品的稳定性。在样品制备过程中，平纹编织复合材料纤维束的末端不可避免的会存在富裕树脂，需要利用砂纸打磨表面堆积树脂以确保不会出现绝缘现象，此举会降低纤维束末端的强度。当采用电极直接夹持样品末端的方式可能会导致纤维断裂，最终难以获取准确的接触电阻数据，因此有必要提供一种能够快速获取平纹编织复合材料纤维束接触电阻的装置及方法，以实现接触电阻的测量与分析。

技术实现思路

1、为了克服背景技术中提及的问题，本发明提供平纹编织复合材料纤维束接触电阻率测量装置及方法，该方法具有可操作性强，测量精度高、成本低等优点。

2、为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

3、平纹编织复合材料纤维束接触电阻率测量装置，其特征是：包括绝缘底座，绝缘底座上开若干条纵横交错的第一矩形凹槽,第一矩形凹槽内固定放置纤维束，纵向第一矩形凹槽内的纤维束为纵向纤维束，横向第一矩形凹槽内的纤维束为横向纤维束，横向纤维束和纵向纤维束形成“十”字交叉，且横向纤维束和纵向纤维束在交织区域通过接触电阻相互连接，第一矩形凹槽两端下凹形成第二矩形凹槽，第二矩形凹槽内固定放置电极，电极与纤维束贴合固定。

4、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

5、第一矩形凹槽位于绝缘底座上表面，各横向第一矩形凹槽等间距设置，各纵向第一矩形凹槽等间距设置。

6、第一矩形凹槽的两端均伸至绝缘底座上表面的边缘处，使得第二矩形凹槽均位于绝缘底座上表面的边缘位置，电极部分位于第二矩形凹槽中，部分伸出至绝缘底座外。

7、电极与纤维束之间通过导电银胶粘合固定。

8、接触电阻为富树脂层。

9、平纹编织复合材料纤维束接触电阻率测量方法，包括以下步骤：

10、步骤一、将电极放置于第二矩形凹槽中，在电极上表面涂抹导电银胶，沿第一矩形凹槽放置纤维束，确保导电银胶将纤维束与电极粘接，然后等待导电银胶干燥、固化；

11、步骤二、采用真空袋压工艺，使各纤维束之间填充液体树脂，待树脂完全固化，其中，位于横向纤维束和纵向纤维束之间的固化树脂即为富树脂层；

12、步骤三、任一横向纤维束和任一纵向纤维束形成一组，这组纤维束必有一个交织区域，同组内，横向纤维束任一端的电极和纵向纤维束任一端的电极接入直流电源，剩余两端的电极接入电压表，由于横向纤维束和纵向纤维束具有交织区域，因此横向纤维束和纵向纤维束能与直流电源组成导电回路，电压表测量值即为电流流经交织区域时，接触电阻所造成的压降，利用接触电阻所造成的压降计算得出这组纤维束的接触电阻率；

13、步骤四、对多组纤维束重复步骤三，得到的多个纤维束的接触电阻率，对多个接触电阻率取平均值，即为平纹编织复合材料纤维束接触电阻率。

14、步骤二中，采用真空袋压工艺，使各纤维束之间填充液体树脂的具体方法为：取一横截面积能覆盖绝缘底座横截面的金属板，将绝缘底座放置于金属板上，依次在绝缘底座上表面铺设脱模布、导流网、导流管和树脂进出口接嘴，再在绝缘底座上表面覆盖真空袋，对真空袋内抽真空，液体树脂在负压作用下从树脂进口接嘴进入真空袋，浸入绝缘底座上表面的空间，使各纤维束之间填充液体树脂，多余的液体树脂从树脂出口接嘴流出，室温等待树脂完全固化，将脱模布、导流网、导流管、树脂进出口接嘴以及覆盖真空袋均从绝缘底座上取下，完成纤维束之间填充树脂的操作。

15、液体树脂为in2环氧树脂。

16、步骤二与步骤三之间还设有打磨步骤，打磨步骤具体如下：利用砂纸对电极进行打磨，使电极表面没有树脂沉积。

17、步骤三中，利用接触电阻压降计算得出纤维束的接触电阻率的具体方法为：将横向纤维束和纵向纤维束从绝缘底座上脱模，再将这组纤维束的交织区域裁剪下来利用游标卡尺测量交织区域的长度a和宽度b，即可获得交织区域面积s=a×b，并利用金相材料对交织区域进行冷镶嵌，得到金相试样，沿着纤维束厚度方向将金相试样打磨至光滑，通过扫描电镜拍摄金相试样厚度方向的截面图，获取试样中富树脂层的平均厚度l，根据r=u/i计算得出平纹编织复合材料纤维束接触电阻，根据ρ=r×s/l计算得出平纹编织复合材料纤维束的接触电阻率，其中，r为平纹编织复合材料纤维束接触电阻，i为直流电源电流，ρ为平纹编织复合材料纤维束的接触电阻率。

18、本发明的有益效果是：

19、1、本发明中纤维束接触电阻的获取采用间接测量的方法，通过导电银胶粘接纤维束和电极的方式，确保了纤维束与电极形成有效导电通路。通过等效电路的方法，简化了整个接触电阻测量装置的电阻模型，将两根纤维束简化成三段标准电阻，解决了平纹编织复合材料纤维束交织区域太小导致接触电阻测量困难的问题。本发明涉及的测量装置结构简单，测试操作步骤难度小，试验测试成本低。

20、2、本发明制备的平纹编织复合材料纤维束样品的接触电阻稳定性较好，在确保树脂用量、真空泵运行功率和时间一定的情况下，制备的样品的纤维体积分数基本保持不变。

21、3、本发明中测量装置可以一次制备多组测量样品，有效提高了测量效率，通过对相同工况下制备的样品多次测量取平均值以降低测量误差。

技术特征：

1.平纹编织复合材料纤维束接触电阻率测量装置，其特征是：包括绝缘底座(1)，所述的绝缘底座(1)上开若干条纵横交错的第一矩形凹槽(2),所述的第一矩形凹槽(2)内固定放置纤维束(4)，纵向第一矩形凹槽(2)内的纤维束为纵向纤维束，横向第一矩形凹槽(2)内的纤维束为横向纤维束，横向纤维束和纵向纤维束形成“十”字交叉，且横向纤维束和纵向纤维束在交织区域通过接触电阻相互连接，第一矩形凹槽(2)两端下凹形成第二矩形凹槽(3)，第二矩形凹槽(3)内固定放置电极(6)，所述的电极(6)与纤维束(4)贴合固定。

2.根据权利要求1所述的平纹编织复合材料纤维束接触电阻率测量装置，其特征是：所述的第一矩形凹槽(2)位于绝缘底座(1)上表面，各横向第一矩形凹槽(2)等间距设置，各纵向第一矩形凹槽(2)等间距设置。

3.根据权利要求2所述的平纹编织复合材料纤维束接触电阻率测量装置，其特征是：所述的第一矩形凹槽(2)的两端均伸至绝缘底座(1)上表面的边缘处，使得第二矩形凹槽(3)均位于绝缘底座(1)上表面的边缘位置，所述的电极(6)部分位于第二矩形凹槽(3)中，部分伸出至绝缘底座(1)外。

4.根据权利要求3所述的平纹编织复合材料纤维束接触电阻率测量装置，其特征是：所述的电极(6)与纤维束(4)之间通过导电银胶(5)粘合固定。

5.根据权利要求1所述的平纹编织复合材料纤维束接触电阻率测量装置，其特征是：所述的接触电阻为富树脂层(8)。

6.平纹编织复合材料纤维束接触电阻率测量方法，其特征是：应用如权利要求5所述的平纹编织复合材料纤维束接触电阻率测量装置，测量方法具体包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的平纹编织复合材料纤维束接触电阻率测量方法，其特征是：步骤二中，采用真空袋压工艺，使各纤维束(4)之间填充液体树脂的具体方法为：取一横截面积能覆盖绝缘底座(1)横截面的金属板，将绝缘底座(1)放置于金属板上，依次在绝缘底座(1)上表面铺设脱模布、导流网、导流管和树脂进出口接嘴，再在绝缘底座上表面覆盖真空袋，对真空袋内抽真空，液体树脂在负压作用下从树脂进口接嘴进入真空袋，浸入绝缘底座(1)上表面的空间，使各纤维束(4)之间填充液体树脂，多余的液体树脂从树脂出口接嘴流出，室温等待树脂完全固化，将脱模布、导流网、导流管、树脂进出口接嘴以及覆盖真空袋均从绝缘底座(1)上取下，完成纤维束(4)之间填充树脂的操作。

8.根据权利要求7所述的平纹编织复合材料纤维束接触电阻率测量方法，其特征是：所述的液体树脂为in2环氧树脂。

9.根据权利要求6所述的平纹编织复合材料纤维束接触电阻率测量方法，其特征是：步骤二与步骤三之间还设有打磨步骤，所述的打磨步骤具体如下：利用砂纸对电极(6)进行打磨，使电极(6)表面没有树脂沉积。

10.根据权利要求6所述的平纹编织复合材料纤维束接触电阻率测量方法，其特征是：步骤三中，利用接触电阻压降计算得出纤维束(4)的接触电阻率的具体方法为：将横向纤维束和纵向纤维束从绝缘底座(1)上脱模，再将这组纤维束(4)的交织区域裁剪下来利用游标卡尺测量交织区域的长度a和宽度b，即可获得交织区域面积s=a×b，并利用金相材料对交织区域进行冷镶嵌，得到金相试样，沿着纤维束厚度方向将金相试样打磨至光滑，通过扫描电镜拍摄金相试样厚度方向的截面图，获取试样中富树脂层(8)的平均厚度l，根据r=u/i计算得出平纹编织复合材料纤维束接触电阻，根据ρ=r×s/l计算得出平纹编织复合材料纤维束的接触电阻率，其中，r为平纹编织复合材料纤维束接触电阻，i为直流电源电流，ρ为平纹编织复合材料纤维束的接触电阻率。

技术总结
本发明公开了平纹编织复合材料纤维束接触电阻率测量装置及方法，测量装置包括绝缘底座，绝缘底座上开若干条纵横交错的第一矩形凹槽,第一矩形凹槽内固定放置纤维束，纵向第一矩形凹槽内的纤维束为纵向纤维束，横向第一矩形凹槽内的纤维束为横向纤维束，横向纤维束和纵向纤维束形成“十”字交叉，且横向纤维束和纵向纤维束在交织区域通过接触电阻相互连接，第一矩形凹槽两端下凹形成第二矩形凹槽，第二矩形凹槽内固定放置电极，电极与纤维束贴合固定。本发明具有可操作性强，测量精度高、成本低等优点。

技术研发人员：于国强,陆威,薛北辰,谢楚阳,高希光,宋迎东
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15