國際智慧型纖維復(fù)合材料的研發(fā)進(jìn)展
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擁有感測(cè)機(jī)能的智能型復(fù)合材料擁有兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。一是制造過程的監(jiān)測(cè)(智能制造)，另一個(gè)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(Health Monitoring)。制造過程的監(jiān)測(cè)可用在復(fù)合材料成型品的成型過程，主要是硬化過程。另一項(xiàng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是賦與運(yùn)用中的復(fù)合材料具備自行診斷機(jī)能。因?qū)賰?nèi)部狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，所以埋設(shè)微小的現(xiàn)場(chǎng)觀察用傳感器，局部掌握特性的變化情形。許多戚測(cè)器均適用于制造過程的監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)?？色@得一石二鳥的效果。
制造過程的監(jiān)測(cè)，重要的是要建構(gòu)起PMC的成型最適控制系統(tǒng)。尤其是熱硬化性樹脂的硬化監(jiān)測(cè)要以縮短硬化周期和提高性能為目的。硬化監(jiān)測(cè)是利用光纖感測(cè)器、介電傳感器和壓電傳感器所構(gòu)成。光纖傳感器可區(qū)分為四種類。即光譜型、反射型、應(yīng)變傳感器和溫度感測(cè)器。光譜型傳感器是測(cè)定樹脂或硬化劑的化學(xué)變化。反射型是測(cè)定在硬化過程時(shí)樹脂的光學(xué)反射率。應(yīng)變傳感器和溫度傳感器則可監(jiān)測(cè)成型中的硬化反應(yīng)和殘留應(yīng)變情形。在日本，硬化過程的監(jiān)測(cè)，主要是研究應(yīng)變和溫度測(cè)定用光纖傳感器的應(yīng)用。在成型過程中的應(yīng)變系在膠合板中埋設(shè)EFPI(Extrinsic Fabry-Perot Interferometric)傳感器和FBG(Fiber Bragg Grating)傳感器兩種類型的應(yīng)變感測(cè)器，進(jìn)行監(jiān)測(cè)。應(yīng)變監(jiān)測(cè)系在高壓釜成型、繞線(Fw)成型和RTM成型進(jìn)行。根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，埋設(shè)EFPI傳感器可以測(cè)定硬化收縮和熱收縮應(yīng)變。而FBG戚測(cè)器在測(cè)定硬化收縮上，因?yàn)椴痪邆渥銐虻膽?yīng)變分解性能，所以很難定量監(jiān)測(cè)硬化反應(yīng)。但是，由RTM成型時(shí)利用所埋設(shè)的FBG傳感器測(cè)定應(yīng)變情形得知，F(xiàn)BG傳感器擁有測(cè)量熱收縮良好的性能。
介電率測(cè)定是復(fù)合材料現(xiàn)場(chǎng)硬化監(jiān)測(cè)經(jīng)常使用的方法。介電傳感器的埋設(shè)因機(jī)器的小型化而得以實(shí)現(xiàn)。因此有利用可埋設(shè)的介電傳感器進(jìn)行分布的方法。這種感測(cè)器可利用在樹脂注入過程時(shí)樹脂的流動(dòng)鋒面(Flow Front)的檢測(cè)上。有報(bào)告顯示，它可以監(jiān)測(cè)時(shí)間領(lǐng)域反射計(jì)(TDR)之高周波電磁波傳送線路的介電特性的分布，并能檢測(cè)出樹脂硬化狀況和樹脂浸滲狀態(tài)。
在樹脂中形成埋設(shè)壓電晶圓(Wafer)的電氣機(jī)械系，由周波數(shù)應(yīng)答亦可間接地監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的彈性率和粘性。由埋設(shè)壓電晶圓的阻抗測(cè)定來監(jiān)測(cè)高壓釜成型時(shí)復(fù)合材料的硬化情形。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)
光纖應(yīng)變及溫度感測(cè)器能實(shí)時(shí)有效地監(jiān)測(cè)制品是否處于安全的環(huán)境中。而復(fù)合材料制造中硬化監(jiān)測(cè)所使用的應(yīng)變感測(cè)器在制品使用中也能使用。使用所埋設(shè)的EFPI光纖傳感器可以精準(zhǔn)地測(cè)出Fw管的內(nèi)部應(yīng)變情形。在RTM成型時(shí)，所埋設(shè)的FBG光纖傳感器在負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，反復(fù)測(cè)定應(yīng)變下，顯示性能良好。另還有細(xì)徑光纖(40μm，通常為250μm)的開發(fā)，可以很容易地埋設(shè)在復(fù)合材料中。衛(wèi)星結(jié)構(gòu)三明治鑲板(Sandwich Panel) CFRP層，由所埋設(shè)的細(xì)徑EFPI光纖感測(cè)器可以測(cè)定宇宙飛船艙內(nèi)的應(yīng)變。干擾計(jì)型光纖感測(cè)器能有效地高速測(cè)定應(yīng)變的情形，可應(yīng)用在復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)定上?？梢詼y(cè)定使用米切爾森(Michelson)型光纖傳感器復(fù)合材料膠合板的應(yīng)變情形。布瑞安(Brillian)光纖時(shí)間領(lǐng)域反射型(B-OTDR)系統(tǒng)可測(cè)定分布的區(qū)間很長，所以適用于測(cè)定大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布情形。根據(jù)報(bào)告顯示，利用一根光纖所構(gòu)成的B-OTDR和FBG感測(cè)器組合的感測(cè)器系統(tǒng)可以同時(shí)測(cè)定溫度和應(yīng)變。B-OTDR光纖傳感器系統(tǒng)系應(yīng)用在健康監(jiān)測(cè)上。報(bào)告顯示應(yīng)變分布可以檢查加以測(cè)定。
而在復(fù)合材料領(lǐng)域上，損傷的監(jiān)測(cè)是關(guān)心的主題?；w裂紋或?qū)娱g剝離等初期小損傷，利用簡易檢查檢測(cè)出來的機(jī)率太小，所以，復(fù)合材料通常是以不會(huì)引起此種損傷的低強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)來使用。因此，允許輕微損傷的損傷容許設(shè)計(jì)最要緊的是要在更廣泛的強(qiáng)度范圍內(nèi)來使用復(fù)合材料。所以，在航空機(jī)等以安全性為最優(yōu)先考慮的實(shí)體結(jié)構(gòu)物上應(yīng)用損傷容許設(shè)計(jì)時(shí)，堅(jiān)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(jiān)測(cè)是保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)物堅(jiān)實(shí)性之具吸引力的手法。光纖感測(cè)器、光感測(cè)或電阻測(cè)定可以直接掌握損傷的初期，而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)物的狀態(tài)分析是使用分析模式，可以間接地監(jiān)視損傷的情形。
使用光纖損傷檢測(cè)傳感器是檢測(cè)損傷最簡單的傳感器。埋設(shè)的光纖因?yàn)榕c直交的裂紋而切斷時(shí)，光強(qiáng)度的損失會(huì)告知有損傷發(fā)生，微彎感測(cè)器(Micorbend Sensor)也是依據(jù)光強(qiáng)度的損失來進(jìn)行告知。另外，利用光纖局部的變形而產(chǎn)生的光強(qiáng)度損失微彎傳感器也可以應(yīng)用在損傷檢測(cè)用途上。有報(bào)告指出，塑料光纖可以檢測(cè)出混織(Crossply)CFRP膠合板之橫裂紋。利用多模(Multi-mode)光纖可以檢測(cè)出GFRP膠合板上的損傷。因?yàn)檫m用航空機(jī)結(jié)構(gòu)，所以對(duì)于加強(qiáng)剛性的CFRP面板的碰撞應(yīng)答可以利用所埋設(shè)的細(xì)徑光纖加以監(jiān)控。另外，光強(qiáng)度的損失意味會(huì)發(fā)出碰撞信號(hào)，在未損傷時(shí)，可以從碰撞后，光強(qiáng)度就會(huì)恢復(fù)的現(xiàn)象得知。使用光纖傳感器直接檢測(cè)內(nèi)部損傷的其它方法就是埋設(shè)的FBG傳感器的光譜監(jiān)控。一般的FBG感測(cè)器很容易受到大約10mm的隔距片長度分布不一樣的應(yīng)變分布的影響。此時(shí)，埋設(shè)的FBG傳感器可以掌握因損傷而產(chǎn)生的不均勻的應(yīng)變分布?；炜桟FRP膠合板 橫裂紋可以利用埋設(shè)在和190度層連接的0度層中之FBG感測(cè)器觀察出來。
利用光線穿透法可以有效地檢測(cè)出像CFRP般透明的復(fù)合材料的損傷情形。有使用EL背光的復(fù)合材料膠合板 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的。當(dāng)內(nèi)部損傷一增加，復(fù)合材料膠合板中的光線穿透率就會(huì)降低。使用通過FRP穿透光線的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)手法是為了檢測(cè)支撐收納線性發(fā)動(dòng)機(jī)牽引列車之超導(dǎo)電線圈的容器鋁FRP的荷重支持結(jié)構(gòu)的劣化、損傷。
使用具導(dǎo)電性的強(qiáng)化材料制成復(fù)合材料的電氣特性因?yàn)榫邆溆嘘P(guān)應(yīng)變和損傷的信息，所以測(cè)定電氣特性可望作為實(shí)時(shí)的非破壞評(píng)估手法。本手法的優(yōu)點(diǎn)是無需在材料內(nèi)置入新的感測(cè)器。在疲勞負(fù)荷之下，隨著應(yīng)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(qiáng)化的智慧型FRP沖孔板是專為測(cè)定和記錄疲勞負(fù)荷下的應(yīng)變情形而開發(fā)的。有報(bào)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(shù)電極的電氣電位手法檢測(cè)出來。測(cè)定鋁基體復(fù)合材料中的氧化鎳?yán)w維的電阻，并監(jiān)測(cè)溫度和應(yīng)變。
復(fù)合材料損傷會(huì)改變整體的性質(zhì)。模形狀和周波數(shù)就會(huì)改變。因此，振動(dòng)中的復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)答的變化會(huì)隨著損傷的開始和進(jìn)行而呈現(xiàn)出來。采取本方法的話，主動(dòng)系統(tǒng)(Active System)能有效地檢測(cè)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(tǒng)比只使用傳感器的被動(dòng)系統(tǒng)較為合適。壓電膜因?yàn)橘|(zhì)輕且擁有動(dòng)作機(jī)能。
解析手法的開發(fā)對(duì)了解損傷的種類、尺寸和位置很重要。使用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可應(yīng)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(shù)應(yīng)答函數(shù)的手法作為對(duì)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(nèi)部損傷檢測(cè)。
動(dòng) 作
擁有動(dòng)作機(jī)能的智能型復(fù)合材料有三種目標(biāo)。即降低振動(dòng)阻尼和噪音，可控制形狀復(fù)合材料以及損傷阻力的提高和修復(fù)。為了改善復(fù)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(yīng)用在降低復(fù)合材面板振動(dòng)所引起的噪音用途上?？煽刂菩螤畹膹?fù)合材料可以制造像沒有襟翼的翼般無鉸鍵結(jié)構(gòu)。在此，利用膠合板內(nèi)的熱膨漲系數(shù)的差異膠合作動(dòng)器也列入可控制形狀的復(fù)合材料的分類。復(fù)合材料的修復(fù)是一項(xiàng)極為重要的主題。這是因?yàn)榛w內(nèi)或界面的局部裂紋會(huì)使復(fù)合材料的性能降低的緣故。提高復(fù)合材料的損傷阻力可應(yīng)用高輸出作動(dòng)器而達(dá)成。
降低振動(dòng)阻尼與噪音
為了改善復(fù)合材料結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)阻尼，有許多構(gòu)思方案被提出。這些想法可區(qū)分為被動(dòng)式阻尼和主動(dòng)式阻尼。在被動(dòng)式阻尼的設(shè)計(jì)概念下，為了形成阻尼要素而使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)物系統(tǒng)在特定的周波數(shù)領(lǐng)域擁有最高的阻尼特性。根據(jù)此種想法所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)物并不需要制造阻尼動(dòng)力能源。相對(duì)此主動(dòng)式阻尼則是應(yīng)用擁有動(dòng)力能源之作動(dòng)器，來控制結(jié)構(gòu)物的阻尼特性想法。擁有主動(dòng)阻尼機(jī)能的結(jié)構(gòu)物，在廣泛的周波數(shù)范圍內(nèi)具有良好的阻尼特性，所以能夠建構(gòu)可以抵抗突發(fā)性振動(dòng)的結(jié)構(gòu)物。從阻尼要素的觀點(diǎn)來看，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)物的阻尼可區(qū)分為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)阻尼和材料阻尼兩種概念。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)阻尼的想法將阻尼器作為使整個(gè)系統(tǒng)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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