基于SQUID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　300160)
     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SQUID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; SQUID;弯曲试验
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 20世纪80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[1]。
随着碳纤维增强复合材料(CFRP)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 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[2],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(SQUID)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[5]。
SQUID是根据超导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SQUID,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SQUID (RF SQUID)。后者称为双结SQUID,工作时由直流 电流偏置,故又称直流SQUID(DC SQUID)。SQUID 是目前探测磁信号最灵敏的传感器,可以分辨10~ 15 T磁场。SQUID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 以用它来探测。另外, SQUID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SQUID的灵敏度相 匹敌。
目前已经开发出各种SQUID仪器,用于磁测量 的有SQUID磁强计(Magnetometers)、SQUID磁场梯 度计( Gradiometers )、SQUID磁化率仪 (Susceptometer)等;用于电测量的有SQUID检流计 (Galvanometer)、SQUID微微伏计(Picovoltmeter) 等。此外,还研制出了SQUID显微镜(Microscope)、 SQUID放大器(Amplifier)、SQUID温度遥测器 (Milliscope)等量子干涉仪器。
SQUID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本 方法,基于SQUID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(3K)为T300B,基体为环氧树脂 TDE-86,固化剂为70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RTM(树脂传递模塑)工艺复合固化成 型。所有弯曲试验在SHIMADZU AG-250KNE试验 机上进行,加载速度为1·0 mm/min。
编织结构复合材料的参数主要有纤维体积分 数、编织角、厚度等[6-8]。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[2],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QJ 3074—1998《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,参数如表1所示。

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。
1. 1　三维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L,测 试面积为S,电阻率为
 
1·2　三维编织复合材料电磁特性分析 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(SQUID)作为测试传感器。 SQUID测试基本原理如图2[9]所示。SQUID传感器 磁场测试系统如图3[10]所示。

测试过程如下:测试样品与SQUID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。

利用SQUID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 SQUID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, SQUI 在没有物体影响下,接收线圈的磁场[9]表示为

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100 mm×50 mm×50 mm,编织角为31·6°,纤 维体积分数为51·6%的试件,利用图1所示方法进 行测试,测量20次,求其平均值。计算得出:R= 0·158Ω,ρ=7 638 S/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11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 看出:厚度越厚,电阻值越小,主要原因是碳纤维搭 接的数量增加,导致电阻的变化;试件D、E、F描述 了制件的宽度对电阻影响,随着宽度的增加,电阻值 变小,但影响的程度比厚度要小;试件G、H、I表明 了表面编织角对电阻值的影响,表面编织角对电阻 影响较大,编织角越小,电阻越小,这说明编织角小 时,纤维接触紧密;试件J、K说明了纤维体积含量 与电阻的关系,纤维含量越高,电阻越小。


2·2　三维编织复合材料动态电阻特性 三维编织复合材料的拉、压承载是最常用的应 用方式,研究其承载状态下的电阻变化对电气特性 影响有着重要意义。图6示出基于SQUID的三维 编织复合材料承载电阻测试原理图。为保证试验结 果精度,进行试样变形测量时使用引伸计,以避免系 统柔度误差。
 
图7为三维编织复合材料试件H的拉伸曲线 与电阻变化对应图。可以看出,随着拉伸承载的增 加,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,这说明随着拉伸的加 大,纤维有了较大损伤。
图8为三维编织复合材料试件H的压缩曲线 
 
与电阻变化对应图。压缩试验进行了3次循环压 缩。图8表明,三维编织复合材料试件的电阻随着 压缩比的增加而增加,在加载和卸载过程中,对于同 样的载荷,电阻值是不同的。随着压缩试验循环次 数的增加,在同样的载荷下,电阻值增加,随着试验 循环次数的增加,电阻变化值加大,具有一定线性。 试件在同一压缩比下,随试验循环次数增加,电阻增 加,这说明每次压缩试验都存在纤维的损伤。
2·3　不同频率SQUID复合材料透射深度
SQUID信号在三维编织复合材料试件的穿透 厚度是材料电磁特性的重要指标之一,穿透厚度与 SQUID频率之间有关系。根据麦克斯韦方程[9],穿

透厚度可表示为

式中:f为发射源的频率;σ为材料的电导率;μ为 材料的磁性渗透率。表3示出不同频率下复合材料 的穿透厚度。
 
表3说明,频率越小, SQUID对三维编织复合材 料的穿透厚度越大,但低的频率使SQUID灵敏度 下降。
2·4　弯曲承载下三维编织复合材料电磁特性 弯曲试验测定材料承受弯曲载荷时的力学特 性,是材料力学性能试验的基本方法之一。弯曲试 验主要用于测定脆性和低塑性材料(如铸铁、高碳 钢、工具钢等)的抗弯强度以及能反映塑性指标的 挠度。弯曲试验还可用来检查材料的表面质量。弯 曲试验在万能材料机上进行,有三点弯曲和四点弯 曲2种加载方式。试样的截面采用矩形,试验时的 跨距为直径的10倍,如图9所示。
 
为研究三点弯曲的电磁变化,选择试件E作为 测试件,采用图1所示四点测量法对试件的电阻进 行测量,在静态下试件电阻为R,在加载和卸载过程 中,试件的电阻值变化为ΔR,电阻变化曲线如图10 所示。
 
在静态下,用磁通计测得试件磁通量为B,在加 载和卸载过程中,试件的磁通量变化值为ΔB,电磁 变化曲线如图11所示。
图10、11表明,弯曲承载对于三维编织复合材 料试件有着多种影响。随着载荷的增加纤维有部分 开始断裂,电阻值变化达到一定值后开始变小,这说 明弯曲和拉压一样,纤维有部分损伤。三点弯曲的

电磁变化与电阻变化趋势相同。
三点弯曲与拉、压承载不同,试件弯曲后,对电 阻有着较大影响,加载时要比卸载时的电阻变化大, 无论是ΔB /B还是ΔR /R,在1个加载周期比在卸 载周期值要大,这说明弯曲产生的压力对纤维电阻 和电磁特性产生一种不可逆转的变化。
3　结　论
随着三维编织复合材料在航天领域的应用,电 气特性对其应用有着特殊的意义。
1)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,随着宽度的增加,电阻值变小。表面编织角越 小,电阻越小,纤维含量越高,电阻越小。
2)承载状态下电阻在拉伸较小时呈现出线性 增加,当拉伸超过6%时,电阻呈现出非线性增加。 3)三点弯曲对电阻有着较大影响,加载时比卸 载时的电阻、电磁量变化大。
4)基于SQUID技术测量三维编织复合材料电 气特性是可行的,将广泛地应用于三维编织复合材 料的质量检测。
参考文献:
略