基于SQUID的复合材料承载电气特性.pdf
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1、第3 l 卷第1 期纺织学报V 0 1 3 1 ,N o I 2 0 1 0 年1 月 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c hJ a n ,2 0 1 0 文章编号:0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 5 8 - 0 6 基于S Q U I D 的复合材料承载电气特性 万振凯,王占刚 ( 天津工业大学计算机技术与自动化学院,天津3 0 0 1 6 0 ) 摘 要描述了三维编织复合材料的电阻测试基本方法。针对材料的特性,采用S Q U I D 技术研究三维编织复合材 料的电磁参数测试方法,分析不同载荷下材料的电
2、阻、电磁变化规律。试验结果表明:三维编织复合材料的电气特 性受制造参数和承载方式的影响,三维编织复合材料越厚,电阻值越小;表面编织角越小,电阻越小;纤维含量越 高,电阻越小。承载状态下电阻在拉伸较小时呈现线性增加,当拉伸超过6 时,电阻呈现非线性增加,三点弯曲对 电阻有着较大影响,加载时要比卸载时电阻、电磁量变化大。 关键词 三维编织复合材料;电磁特性;S Q U I D ;弯曲试验 中图分类号:T S1 0 1 2文献标志码:A E l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o s i t em a t e r i a
3、l u n d e rl o a d i n gb a s e do nS Q U I Dt e c h n o l o g y W A NZ h e n k a i ,W A N GZ h a n g a n g ( S c h o o lo fC o m p u t e rT e c h n o l o g ya n dA u t o m a t i o n ,T i a n j i nP o d e c h n i cU n i v e r s i t y ,T i a n j i n3 0 0 1 6 0 ,C h i n a ) A b s t r a c tT h i sp a p
4、 e rd e s c r i b e st h eb a s i cm e t h o d sf o rt e s t i n gt h er e s i s t a n c eo f3 一Db r a i d e dc o m p o s i t e m a t e r i a l s T h eS Q U I Dt e c h n o l o g yb a s e dt e s tm e t h o df o re l e c t r o m a g n e t i c p a r a m e t e r so f3 一D b r a i d e d c o m p o s i t em
5、 a t e r i a lw a ss t u d i e di na c c o r d a n c ew i t hm a t e r i a lp r o p e r t i e s T h ec h a n g er u l e so fr e s i s t a n c ea n d e l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t yo ft h e3 - Db r a i d e dc o m p o s i t em a t e r i a lu n d e rd i f f e r e n tl o a d i n gc o n d i
6、t i o n sw e r e e x a m i n e d T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f3 - Db r a i d e dc o m p o s i t e m a t e r i a l sa r ea f f e c t e db ym a n u f a c t u r i n gp a r a m e t e r sa n dw a yo fl o a d i n g R e s i s
7、 t a n c ed e c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n go ft h et h i c k n e s sa n df i b e rc o n t e n ta n dd e c r e a s i n go fs u r f a c eb r a i d i n ga n g l e T h er e s i s t a n c e s h o w sl i n e a ri n c r e a s e w i t h i ns m a l lt e n s i l e W h e nt h et e n s i l ei sm o r
8、et h a n6 t h er e s i s t a n c es h o w sn o n l i n e a ri n c r e a s e T h r e e p o i n tb e n d i n gh a sg r e a te f f e c to nr e s i s t a n c e ,t h er e s i s t a n c ea n de l e c t r o m a g n e t i c f i e l d o ft h em a t e r i a lu n d e rl o a d i n gi sb i g g e rt h a nt h a to
9、 fu n l o a d i n g K e yw o r d s 3 - Db r a i d e dc o m p o s i t em a t e r i a l ;e l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t y ;S Q U I D ;b e n d i n gt e s t 三维编织复合材料是以三维编织预制件作增强 体的一种新型复合材料。三维整体编织技术是 2 0 世纪8 0 年代发展起来的高新纺织技术,具有异 型件一次编织成型,结构不分层,强度高,耐烧蚀,整 体性能好和结构设计灵活等特点,因而这种复合材 料结构形式倍受关注。三维整体编织技
10、术已经在航 天、航空、交通、化工、体育、医疗等领域得到了广泛 的应用,分析三维编织复合材料的力学性能对其应 用具有重要价值。 随着碳纤维增强复合材料( C F R P ) 在航天器和 飞机上应用的日益增多,以三维编织复合材料为代 表的先进复合材料由于具有独特的几何结构和优异 的综合性能,成为替代传统金属结构航天器材料,提 高航天器性能,增加有效载荷,降低航天器结构质量 收稿日期:2 0 0 9 0 1 2 1修回日期:2 0 0 9 0 9 0 8 基金项目:天津市自然科学基金资助项目( 0 4 3 6 0 0 7 1 1 ) ;教育部博士点基金项目( 2 0 0 8 0 0 5 8 0 0
11、0 4 ) 作者简介:万振凯( 1 9 6 4 一) ,男,教授,博士。主要研究方向为三雏复合材料的计算机检测技术。E - m a i l :w a n z h e n k a i t j p u e d u c n a 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 期 万振凯等:基于S Q U I D 的复合材料承载电气特性 5 9 和运营成本的最佳技术途径之一,材料对航空电子 系统及雷达渡反射特性的电磁影响越来越受到重 视,因此研究三维复合材料的电气性
12、能对其在航天 领域的应用具有重要意义。 多年来,对三维编织复合材料成型方法、模型分 析、力学性能的研究已有了长足发展旧1 ,但对电气 特性的研究很少,国内外研究主要集中在层合复合 材料电气特性的初步研究。文献 3 分析了2 2 层合复合材料在拉伸载荷下的电阻变化;文献 4 对具有高纤维含量的复合水泥拉伸载荷下的电阻进 行了测试,分析了复合水泥在不同负载下,电阻与电 流、电阻与温度的关系。 超导量子传感器( S Q U I D ) 作为超导体弱电应用 的典范,在微弱电磁信号测量方面起着重要作用,其 灵敏度是其他任何非超导装置无法达到的,在国外 得到了广泛的应用”。 S Q U I D 是根据超导
13、量子干涉效应发展起来的, 通常含有1 个或2 个弱连接的超导环,前者称为单 结S Q U I D ,超导环对直流短路,器件与射频谐振回路 耦合,工作时由射频电流偏置,因此又称射频S Q U I D ( R FS Q U I D ) 。后者称为双结S Q U I D ,工作时由直流 电流偏置,故又称直流S Q U I D ( D CS Q U I D ) 。S Q U I D 是目前探测磁信号最灵敏的传感器,可以分辨1 0 一 1 5T 磁场。S Q U I D 不仅是最灵敏的磁场探测仪器, 而且一切可以转化为磁场的物理量,例如电流、电 压、电阻、电感、磁化率、磁场梯度、温度、位移等都可 以用它
14、来探测。另外,S Q U I D 可以有非常宽的频率 响应,从直流( 频率为零) 到几十兆赫甚至更高的频 率,其响应范围主要受读出电路的限制。所有这些 性能都可以置于1 个几毫米大小的芯片上,现在还 没有其他任何传感技术能与S Q U I D 的灵敏度相 匹敌。 目前已经开发出各种S Q U I D 仪器,用于磁测量 的有S Q U I D 磁强计( M a g n e t o m e t e r s ) 、S Q U I D 磁场梯 度计( G r a d i o m e t e r s ) 、S Q U I D 磁化率仪 ( S u s c e p t o m e t e r ) 等;用于
15、电测量的有S Q U I D 检流计 ( G a l v a n o m e t e r ) 、S Q U I D 微微伏计( P i c o v o h m e t e r ) 等。此外,还研制出了S Q U I D 显微镜( M i c r o s c o p e ) 、 S Q U I D 放大器( A m p l i f i e r ) 、S Q U I D 温度遥测器 ( M i l l i s c o p e ) 等量子干涉仪器。 S Q U I D 具有很大的应用潜力,在地质测量、生 物医学、地震预报、空间和军事等领域也将得到广泛 的应用。 本文提出了三维编织复合材料的电阻测试基
16、本 方法,基于S Q U I D 技术研究了三维编织复合材料的 电磁特性,论述了弯曲载荷下电阻、电磁的变 化规律。 1 三维编织复合材料电气特性测试 为了研究三维编织复合材料的声发射特征,试 验使用碳纤维( 3 K ) 为乃0 0 B ,基体为环氧树脂 T D E 一8 6 ,固化剂为7 0 酸酐增强的三维编织复合材 料矩形试件,预制件采用四向1 1 四步法三维编织 结构,采用R T M ( 树脂传递模塑) 工艺复合固化成 型。所有弯曲试验在S H I M A D Z UA G 一2 5 0 K N E 试验 机上进行,加载速度为1 0r a m r a i n 。 编织结构复合材料的参数主要
17、有纤维体积分 数、编织角、厚度等拍“o 。纤维体积分数可以通过对 材料的细观结构分析计算得出,也可以通过试验得 到;编织角定义为内部编织纱与材料纵轴的空间夹 角悼o ,文献 2 提出了三维编织复合材料表面编织 角的测量方法。 由于三维编织复合材料主体成分为碳纤维和树 脂,因此其电气特性与物理参数有着直接的关系。 参考航天工业行业标准Q J3 0 7 4 - - 1 9 9 8 碳纤维及 其复合材料电阻率测试方法,结合三维编织复合 材料的关键结构参数,探讨结构参数对电气特性的 影响。分析长度、宽度、厚度、纤维体积含量和编织 角等参数在复合材料承载情况下对电气参数的影 响,制作了不同试验件,参数如
18、表l 所示。 表1三维编织复合材料试件参数 T a b 1 S p e c i m e np a r a m e t e r sf o r3 - Db r a i d e dc o m p o s i t e 在表1 中,所有试件长度相同,试件A 、B 、C 宽 度相同,厚度不同;试件D 、E 、F 宽度相同,厚度不 同;试件G 、H 、I 宽度相同,厚度相同,编织角不同。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 6 0 纺织学报第3 1 卷 1 1 三维
19、编织复合材料电阻测试 三维编织复合材料的电阻测试和其他复合材料 测试方法基本相同,采用四点测试方法,如图1 所 示。通过外部两端的电流值与内部两端电压值可计 算出材料的电阻值。假如测量材料的长度为,测 试面积为s ,电阻率为 R S P 。L 电导率为 1 盯2 一P 。而 儿J 图1三维编织复合材料电阻测试原理图 F i g 1 C i r c u i td i a g r a mo fr e s i s t a n c et e s t e df o r 3 - Db r a i d e dc o m p o s i t em a t e r i a l s 1 2 三维编织复合材料电磁特
20、性分析 为测量三维编织复合材料的电磁特性,系统选 用超导量子传感器( S Q U I D ) 作为测试传感器。 S Q U I D 测试基本原理如图2 1 所示。S Q U I D 传感器 磁场测试系统如图3 1 引所示。 ,B 图2S Q U l D 基本原理 F i g 2 B a s i cp r i n c i p l e so fS Q U I D 测试过程如下:测试样品与S Q U I D 传感器相互 作用,置于超导磁场中的压差密度计状态发生变化, 经超导变换器变换并与超导量子干涉装置作用,产 生的信号经前馈放大器进入读出器,读出的数据信 号经集成处理后得到测试样品的状态。 图3S
21、 Q U I D 传感器磁场测试系统图 F i g 3 T e s ts y s t e md i a g r a mo fm a g n e t i cf i e l d b a s e dO nS Q U I Ds e n s o r 利用S Q U I D 测试三维编织复合材料电磁特性 过程如图4 所示。与电涡流测试方法基本一样,采 用投射方式。发射源的信号经复合材料之后由 S Q U I D 传感器线圈接收,磁场经过复合材料制件, 其能量受复合材料各种因素的影响而衰减,S Q U I D 在没有物体影响下,接收线圈的磁场1 表示为 苫( 高= 券【半一手】 对于一定厚度的复合材料,磁场
22、强度可描述为 ”4 坠I r 毒务 图4S Q U I D 测试三维编织复合材料电磁特性图 F i g 4F i g u r eo fS Q U I Dt e s t i n gf o r3 - Db r a i d e dc o m p o s i t e m a t e r i a l se l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e s 2 测试结果与分析 2 1 三维编织复合材料静态电阻特性 为研究三维编织复合材料的V I 特性,针对尺 寸为1 0 0n l m 5 0m i l l 5 0n t l m ,编织角为3 1 6 。,纤 维体
23、积分数为5 1 6 的试件,利用图1 所示方法进 行测试,测量2 0 次,求其平均值。计算得出:R = 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 期万振凯等:基于S Q U I D 的复合材料承载电气特性 6 l 0 1 5 8Q ,P = 76 3 8S m ,该材料的V I 特性曲线如 图5 所示。 采用同样的方法,对表1 的1 1 个试件进行测 试,结果如表2 所示。表中数据说明:三维编织复合 材料的电阻特性受多种因素影响。由试件A 、B 、C
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- 基于 SQUID 复合材料 承载 电气 特性
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