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位置：中華職工學習網 >> 職工學習中心 >> 化工產品生產人員 >> 復合材料加工人員 >> 正文

標題：國際智慧型纖維復合材料的研發進展
日期：2007/6/18 源自:中華職工學習網	【字體：】

近年來，國際上對智慧型復合材料的研究與開發，分成感測與動作（Actuation）兩大熱門。
　　
　　擁有感測機能的智能型復合材料擁有兩個應用領域。一是制造過程的監測(智能制造)，另一個是結構健康監測(Health Monitoring)。制造過程的監測可用在復合材料成型品的成型過程，主要是硬化過程。另一項的結構健康監測是賦與運用中的復合材料具備自行診斷機能。因屬內部狀態的監測，所以埋設微小的現場觀察用傳感器，局部掌握特性的變化情形。許多戚測器均適用于制造過程的監測和結構健康監測。可獲得一石二鳥的效果。
　　
　　制造過程的監測，重要的是要建構起PMC的成型最適控制系統。尤其是熱硬化性樹脂的硬化監測要以縮短硬化周期和提高性能為目的。硬化監測是利用光纖感測器、介電傳感器和壓電傳感器所構成。光纖傳感器可區分為四種類。即光譜型、反射型、應變傳感器和溫度感測器。光譜型傳感器是測定樹脂或硬化劑的化學變化。反射型是測定在硬化過程時樹脂的光學反射率。應變傳感器和溫度傳感器則可監測成型中的硬化反應和殘留應變情形。在日本，硬化過程的監測，主要是研究應變和溫度測定用光纖傳感器的應用。在成型過程中的應變系在膠合板中埋設EFPI(Extrinsic Fabry-Perot Interferometric)傳感器和FBG(Fiber Bragg Grating)傳感器兩種類型的應變感測器，進行監測。應變監測系在高壓釜成型、繞線(Fw)成型和RTM成型進行。根據這些實驗結果得知，埋設EFPI傳感器可以測定硬化收縮和熱收縮應變。而FBG戚測器在測定硬化收縮上，因為不具備足夠的應變分解性能，所以很難定量監測硬化反應。但是，由RTM成型時利用所埋設的FBG傳感器測定應變情形得知，FBG傳感器擁有測量熱收縮良好的性能。
　　
　　介電率測定是復合材料現場硬化監測經常使用的方法。介電傳感器的埋設因機器的小型化而得以實現。因此有利用可埋設的介電傳感器進行分布的方法。這種感測器可利用在樹脂注入過程時樹脂的流動鋒面(Flow Front)的檢測上。有報告顯示，它可以監測時間領域反射計(TDR)之高周波電磁波傳送線路的介電特性的分布，并能檢測出樹脂硬化狀況和樹脂浸滲狀態。
　　
　　在樹脂中形成埋設壓電晶圓(Wafer)的電氣機械系，由周波數應答亦可間接地監測復合材料的彈性率和粘性。由埋設壓電晶圓的阻抗測定來監測高壓釜成型時復合材料的硬化情形。
　　
　　結構健康監測
　　
　　光纖應變及溫度感測器能實時有效地監測制品是否處于安全的環境中。而復合材料制造中硬化監測所使用的應變感測器在制品使用中也能使用。使用所埋設的EFPI光纖傳感器可以精準地測出Fw管的內部應變情形。在RTM成型時，所埋設的FBG光纖傳感器在負荷試驗時，反復測定應變下，顯示性能良好。另還有細徑光纖(40μm，通常為250μm)的開發，可以很容易地埋設在復合材料中。衛星結構三明治鑲板(Sandwich Panel) CFRP層，由所埋設的細徑EFPI光纖感測器可以測定宇宙飛船艙內的應變。干擾計型光纖感測器能有效地高速測定應變的情形，可應用在復合材料的動態應變測定上�？梢詼y定使用米切爾森(Michelson)型光纖傳感器復合材料膠合板的應變情形。布瑞安(Brillian)光纖時間領域反射型(B-OTDR)系統可測定分布的區間很長，所以適用于測定大型復合材料結構的應變分布情形。根據報告顯示，利用一根光纖所構成的B-OTDR和FBG感測器組合的感測器系統可以同時測定溫度和應變。B-OTDR光纖傳感器系統系應用在健康監測上。報告顯示應變分布可以檢查加以測定。
　　
　　而在復合材料領域上，損傷的監測是關心的主題。基體裂紋或層間剝離等初期小損傷，利用簡易檢查檢測出來的機率太小，所以，復合材料通常是以不會引起此種損傷的低強度標準來使用。因此，允許輕微損傷的損傷容許設計最要緊的是要在更廣泛的強度范圍內來使用復合材料。所以，在航空機等以安全性為最優先考慮的實體結構物上應用損傷容許設計時，堅實性保證，實行某些手法是不可或缺的。實時的損傷監測是保證復合材料結構物堅實性之具吸引力的手法。光纖感測器、光感測或電阻測定可以直接掌握損傷的初期，而復合材料結構物的狀態分析是使用分析模式，可以間接地監視損傷的情形。
　　
　　使用光纖損傷檢測傳感器是檢測損傷最簡單的傳感器。埋設的光纖因為與直交的裂紋而切斷時，光強度的損失會告知有損傷發生，微彎感測器(Micorbend Sensor)也是依據光強度的損失來進行告知。另外，利用光纖局部的變形而產生的光強度損失微彎傳感器也可以應用在損傷檢測用途上。有報告指出，塑料光纖可以檢測出混織(Crossply)CFRP膠合板之橫裂紋。利用多模(Multi-mode)光纖可以檢測出GFRP膠合板上的損傷。因為適用航空機結構，所以對于加強剛性的CFRP面板的碰撞應答可以利用所埋設的細徑光纖加以監控。另外，光強度的損失意味會發出碰撞信號，在未損傷時，可以從碰撞后，光強度就會恢復的現象得知。使用光纖傳感器直接檢測內部損傷的其它方法就是埋設的FBG傳感器的光譜監控。一般的FBG感測器很容易受到大約10mm的隔距片長度分布不一樣的應變分布的影響。此時，埋設的FBG傳感器可以掌握因損傷而產生的不均勻的應變分布�；炜桟FRP膠合板橫裂紋可以利用埋設在和190度層連接的0度層中之FBG感測器觀察出來。
　　
　　利用光線穿透法可以有效地檢測出像CFRP般透明的復合材料的損傷情形。有使用EL背光的復合材料膠合板結構健康監測系統的。當內部損傷一增加，復合材料膠合板中的光線穿透率就會降低。使用通過FRP穿透光線的結構健康監測手法是為了檢測支撐收納線性發動機牽引列車之超導電線圈的容器鋁FRP的荷重支持結構的劣化、損傷。
　　
　　使用具導電性的強化材料制成復合材料的電氣特性因為具備有關應變和損傷的信息，所以測定電氣特性可望作為實時的非破壞評估手法。本手法的優點是無需在材料內置入新的感測器。在疲勞負荷之下，隨著應變、纖維的破損和基體裂紋等損傷的進行，CFRP膠合板的電阻會起變化。利用碳粒子加以強化的智慧型FRP沖孔板是專為測定和記錄疲勞負荷下的應變情形而開發的。有報告指出，CFRP膠合板的層間剝離的尺寸和位置可以使用擁有多數電極的電氣電位手法檢測出來。測定鋁基體復合材料中的氧化鎳纖維的電阻，并監測溫度和應變。
　　
　　復合材料損傷會改變整體的性質。模形狀和周波數就會改變。因此，振動中的復合材料的動態應答的變化會隨著損傷的開始和進行而呈現出來。采取本方法的話，主動系統(Active System)能有效地檢測出靜態損傷和碰撞損傷，所以作動器和傳感器組合使用的主動系統比只使用傳感器的被動系統較為合適。壓電膜因為質輕且擁有動作機能。
　　
　　解析手法的開發對了解損傷的種類、尺寸和位置很重要。使用結構健康監測系統可應用在FRP膠合板的層間剝離的尺寸和位置的鑒定上。還有使周波數應答函數的手法作為對稱膠合板的層間剝離的位置和尺寸的鑒定手法。局部柔性法適用于CFRP膠合板和管子的內部損傷檢測。
　　
　　動作
　　
　　擁有動作機能的智能型復合材料有三種目標。即降低振動阻尼和噪音，可控制形狀復合材料以及損傷阻力的提高和修復。為了改善復合材料的阻尼特性，許多作動器素材都使用壓電組件、形狀記憶合金、ER流體。材料阻尼的手法也能應用在降低復合材面板振動所引起的噪音用途上�？煽刂菩螤畹膹秃喜牧峡梢灾圃煜駴]有襟翼的翼般無鉸鍵結構。在此，利用膠合板內的熱膨漲系數的差異膠合作動器也列入可控制形狀的復合材料的分類。復合材料的修復是一項極為重要的主題。這是因為基體內或界面的局部裂紋會使復合材料的性能降低的緣故。提高復合材料的損傷阻力可應用高輸出作動器而達成。
　　
　　降低振動阻尼與噪音
　　
　　為了改善復合材料結構物的振動阻尼，有許多構思方案被提出。這些想法可區分為被動式阻尼和主動式阻尼。在被動式阻尼的設計概念下，為了形成阻尼要素而使復合材料結構物系統在特定的周波數領域擁有最高的阻尼特性。根據此種想法所設計的結構物并不需要制造阻尼動力能源。相對此主動式阻尼則是應用擁有動力能源之作動器，來控制結構物的阻尼特性想法。擁有主動阻尼機能的結構物，在廣泛的周波數范圍內具有良好的阻尼特性，所以能夠建構可以抵抗突發性振動的結構物。從阻尼要素的觀點來看，復合材料結構物的阻尼可區分為結構系統阻尼和材料阻尼兩種概念。結構系統阻尼的想法將阻尼器作為使整個系統的振動能源消散的結構組件使用。在此想法下，復合材料組件并不看好是高阻尼材料。反倒是復合材料組件的阻尼特性系利用材料阻尼的手法加以最適化。接著以使用作動器之材料阻尼為焦點進行說明。
　　
　　壓力型陶瓷(PZT)、壓力型高分子(PVDF)，ER流體或形狀記憶合金(SMA)的使用為材料阻尼。這些作動器要素系制成薄膜或纖維狀，所以可貼附或埋設在復合材料中。與粘接的PZT面料交錯的CFRP膠合板對振動的被動式阻尼有效用。并有將ER流體封入CFRP膠合板之間，使用與埋設的PZT膜作為作動器并用混合智能型系統，導入新型的最合適的控制系統，可有效進行振動控制。這些實驗以及理論的結果顯示，混合系統擁有良好的阻尼特性。使用與CFRP膠合板密封之ER流體所構成的阻尼層，研究主動阻尼。外側的CFRP皮層為拘束層，內側的皮層為電極，分別動作。此種阻尼特性可以由施加電場來控制。埋設被動式阻尼想法所設計的SMA電線之CFRP膠合板顯示能夠獲得良好的阻尼性能。
　　
　　降低噪音是材料的振動控制的應用。但是，需要不同于材料阻尼的控制系統。那是因為振動模態和音響動力模態不同所致。因此有復合材料膠合板所發之音響動力模態的分析模型。由面板貼附壓力型陶瓷，就能夠加以控制發生在復合材料面板上的噪音。
　　
　　可形狀控制的復合材料
　　
　　為利用大變形作動器加以驅動形狀可控制復合材料時，需要低的硬挺性。因此，技術適用于貼薄薄的復合材料或是皮層。另有使用分布PZT和PVDF之懸臂梁狀結構物的振動和形狀控制的報告。此種技術被應用在衛星天線的柔軟性結構的控制上。許多很特別的構思連同作動器被提出。使用可大變形的復合材料之CFRP膠合板和金屬板所構成的作動器的設計是為了能夠因為電阻發熱而獲得大變形。膠合板作動器的設計是為了使復合材料層橫向熱膨脹系數(CTE)和金屬層的數值一致，如此就能預防外面變形的發生。SiC纖維強化金屬基體作動器也有作為高溫作動器。
　　
　　提高損傷阻力和修復
　　
　　復合材料的初期損傷模式是會產生局部損傷。局部的損傷雖然不是致命性的因素，然而會使復合材料的剛性和損傷阻力降低。局部的損傷分布在復合材料內部，所以，修復這些損傷甚為困難。將此種材料性能損傷的影響降到最低的對策，在日本有想到使用作動器的兩種手法。一是提高損傷阻力，另一項就是修復損傷。局部性損傷的發生荷重標準和復合材料制造時殘留應力有關系，所以為了使殘留應力減少，減緩或控制損傷的進行而使用SMA作動器。有報告指出，埋設在CFRP混織膠合板0度層的SMA電線可以減緩90度層的織物層中之橫裂紋的繼續進行。CFRP混織膠合板的0度織物層和90度織物層間所埋的SMA箔對減緩或控制90度織物層中橫紋進行具有效用。
　　
　　除了修復過程之外，使材料維持特性時，利用熱熔融的材料將空隙填滿就能夠修理材料內所分布的內部損傷。一般來說，想要修復此種熱硬化PMC中的損傷是不可能的事情，但是熱可塑性PMC的局部損傷是可以修復的。但是，熱硬化PMC的修復有新想法的提出，即在基體內使用作為作動器而混合的可熔融的塑料粒子的方法。熱可塑聚合物粒子或未硬化的熱硬化聚合物粒子混合之熱硬化PMC利用加熱就具有修理的能力。
　　
　　國際最近所舉辦的有關復合材料的學會演講會、座談會、國際性會議等，可以看到有智能型復合材料會期的安排和眾多的發表。但直到今天，有眾多的研究仍在持續進行中。
　　
　　今后智能型復合材料邁向實用化必須克服的課題是：
　　
　　(1)確立符合目的的智能型復合材料的設計手法
　　(2)開發不需要精巧技術的制造手法
　　(3)弄清在惡劣環境下的機械性質
　　(4)傳感器和作動器等智能型素材的低價格化等等。

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