國際智慧型纖維復合材料的研發(fā)進(jìn)展
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擁有感測機能的智能型復合材料擁有兩個(gè)應用領(lǐng)域。一是制造過(guò)程的監測(智能制造)，另一個(gè)是結構健康監測(Health Monitoring)。制造過(guò)程的監測可用在復合材料成型品的成型過(guò)程，主要是硬化過(guò)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(tài)的監測，所以埋設微小的現場(chǎng)觀(guān)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(guò)程的監測和結構健康監測?？色@得一石二鳥(niǎo)的效果。
制造過(guò)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(shù)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(lèi)。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(shù)脂或硬化劑的化學(xué)變化。反射型是測定在硬化過(guò)程時(shí)樹(shù)脂的光學(xué)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(guò)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(guò)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(lèi)型的應變感測器，進(jìn)行監測。應變監測系在高壓釜成型、繞線(xiàn)(Fw)成型和RTM成型進(jìn)行。根據這些實(shí)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(shí)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(chǎng)硬化監測經(jīng)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(shí)現。因此有利用可埋設的介電傳感器進(jìn)行分布的方法。這種感測器可利用在樹(shù)脂注入過(guò)程時(shí)樹(shù)脂的流動(dòng)鋒面(Flow Front)的檢測上。有報告顯示，它可以監測時(shí)間領(lǐng)域反射計(TDR)之高周波電磁波傳送線(xiàn)路的介電特性的分布，并能檢測出樹(shù)脂硬化狀況和樹(shù)脂浸滲狀態(tài)。
在樹(shù)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(lái)監測高壓釜成型時(shí)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(shí)時(shí)有效地監測制品是否處于安全的環(huán)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(shí)，所埋設的FBG光纖傳感器在負荷試驗時(shí)，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(kāi)發(fā)，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(dòng)態(tài)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(shí)間領(lǐng)域反射型(B-OTDR)系統可測定分布的區間很長(cháng)，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(shí)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(lǐng)域上，損傷的監測是關(guān)心的主題?；w裂紋或層間剝離等初期小損傷，利用簡(jiǎn)易檢查檢測出來(lái)的機率太小，所以，復合材料通常是以不會(huì )引起此種損傷的低強度標準來(lái)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(lái)使用復合材料。所以，在航空機等以安全性為最優(yōu)先考慮的實(shí)體結構物上應用損傷容許設計時(shí)，堅實(shí)性保證，實(shí)行某些手法是不可或缺的。實(shí)時(shí)的損傷監測是保證復合材料結構物堅實(shí)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(tài)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(jiǎn)單的傳感器。埋設的光纖因為與直交的裂紋而切斷時(shí)，光強度的損失會(huì )告知有損傷發(fā)生，微彎感測器(Micorbend Sensor)也是依據光強度的損失來(lái)進(jìn)行告知。另外，利用光纖局部的變形而產(chǎn)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(huì )發(fā)出碰撞信號，在未損傷時(shí)，可以從碰撞后，光強度就會(huì )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(cháng)度分布不一樣的應變分布的影響。此時(shí)，埋設的FBG傳感器可以掌握因損傷而產(chǎn)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(guān)察出來(lái)。
利用光線(xiàn)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(xiàn)穿透率就會(huì )降低。使用通過(guò)FRP穿透光線(xiàn)的結構健康監測手法是為了檢測支撐收納線(xiàn)性發(fā)動(dòng)機牽引列車(chē)之超導電線(xiàn)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(guān)應變和損傷的信息，所以測定電氣特性可望作為實(shí)時(shí)的非破壞評估手法。本手法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需在材料內置入新的感測器。在疲勞負荷之下，隨著(zhù)應變、纖維的破損和基體裂紋等損傷的進(jìn)行，CFRP膠合板的電阻會(huì )起變化。利用碳粒子加以強化的智慧型FRP沖孔板是專(zhuān)為測定和記錄疲勞負荷下的應變情形而開(kāi)發(fā)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(lái)。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(huì )改變整體的性質(zhì)。模形狀和周波數就會(huì )改變。因此，振動(dòng)中的復合材料的動(dòng)態(tài)應答的變化會(huì )隨著(zhù)損傷的開(kāi)始和進(jìn)行而呈現出來(lái)。采取本方法的話(huà)，主動(dòng)系統(Active System)能有效地檢測出靜態(tài)損傷和碰撞損傷，所以作動(dòng)器和傳感器組合使用的主動(dòng)系統比只使用傳感器的被動(dòng)系統較為合適。壓電膜因為質(zhì)輕且擁有動(dòng)作機能。
解析手法的開(kāi)發(fā)對了解損傷的種類(lèi)、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(chēng)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(dòng) 作
擁有動(dòng)作機能的智能型復合材料有三種目標。即降低振動(dòng)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(dòng)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(dòng)所引起的噪音用途上?？煽刂菩螤畹膹秃喜牧峡梢灾圃煜駴](méi)有襟翼的翼般無(wú)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(dòng)器也列入可控制形狀的復合材料的分類(lèi)。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(huì )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(dòng)器而達成。
降低振動(dòng)阻尼與噪音
為了改善復合材料結構物的振動(dòng)阻尼，有許多構思方案被提出。這些想法可區分為被動(dòng)式阻尼和主動(dòng)式阻尼。在被動(dòng)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(lǐng)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(dòng)力能源。相對此主動(dòng)式阻尼則是應用擁有動(dòng)力能源之作動(dòng)器，來(lái)控制結構物的阻尼特性想法。擁有主動(dòng)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(fā)性振動(dòng)的結構物。從阻尼要素的觀(guān)點(diǎn)來(lái)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(gè)系統的振動(dòng) 光纖傳感器相關(guān)文章:光纖傳感器原理
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