国际智慧型纤维复合材料的进展

近年来，国际上对智慧型复合材料的研究与开发，分成感测与动作(Actuation)两大热门。 拥有感测机能的智能型复合材料拥有两个应用领域。一是制造过程的监测(智能制造)，另一个是结构健康监测(Health Monitoring)。制造过程的监测可用在复合材料成型品的成型过程，主要是硬化过程。另一项的结构健康监测是赋与运用中的复合材料具备自行诊断机能。因属内部状态的监测，所以埋设微小的现场观察用传感器，局部掌握特性的变化情形。许多戚测器均适用于制造过程的监测和结构健康监测。可获得一石二鸟的效果。 制造过程的监测，重要的是要建构起PMC的成型最适控制系统。尤其是热硬化性树脂的硬化监测要以缩短硬化周期和提高性能为目的。硬化监测是利用光纤感测器、介电传感器和压电传感器所构成。光纤传感器可区分为四种类。即光谱型、反射型、应变传感器和温度感测器。光谱型传感器是测定树脂或硬化剂的化学变化。反射型是测定在硬化过程时树脂的光学反射率。应变传感器和温度传感器则可监测成型中的硬化反应和残留应变情形。在日本，硬化过程的监测，主要是研究应变和温度测定用光纤传感器的应用。在成型过程中的应变系在胶合板中埋设EFPI(Extrinsic Fabry-Perot Interferometric)传感器和FBG(Fiber Bragg Grating)传感器两种类型的应变感测器，进行监测。应变监测系在高压釜成型、绕线(Fw)成型和RTM成型进行。根据这些实验结果得知，埋设EFPI传感器可以测定硬化收缩和热收缩应变。而FBG戚测器在测定硬化收缩上，因为不具备足够的应变分解性能，所以很难定量监测硬化反应。但是，由RTM成型时利用所埋设的FBG传感器测定应变情形得知，FBG传感器拥有测量热收缩良好的性能。 介电率测定是复合材料现场硬化监测经常使用的方法。介电传感器的埋设因机器的小型化而得以实现。因此有利用可埋设的介电传感器进行分布的方法。这种感测器可利用在树脂注入过程时树脂的流动锋面(Flow Front)的检测上。有报告显示，它可以监测时间领域反射计(TDR)之高周波电磁波传送线路的介电特性的分布，并能检测出树脂硬化状况和树脂浸渗状态。 在树脂中形成埋设压电晶圆(Wafer)的电气机械系，由周波数应答亦可间接地监测复合材料的弹性率和粘性。由埋设压电晶圆的阻抗测定来监测高压釜成型时复合材料的硬化情形。 结构健康监测 光纤应变及温度感测器能实时有效地监测制品是否处于安全的环境中。而复合材料制造中硬化监测所使用的应变感测器在制品使用中也能使用。使用所埋设的EFPI光纤传感器可以精准地测出Fw管的内部应变情形。在RTM成型时，所埋设的FBG光纤传感器在负荷试验时，反复测定应变下，显示性能良好。另还有细径光纤(40μm，通常为250μm)的开发，可以很容易地埋设在复合材料中。卫星结构三明治镶板(Sandwich Panel) CFRP层，由所埋设的细径EFPI光纤感测器可以测定宇宙飞船舱内的应变。干扰计型光纤感测器能有效地高速测定应变的情形，可应用在复合材料的动态应变测定上。可以测定使用米切尔森(Michelson)型光纤传感器复合材料胶合板的应变情形。布瑞安(Brillian)光纤时间领域反射型(B-OTDR)系统可测定分布的区间很长，所以适用于测定大型复合材料结构的应变分布情形。根据报告显示，利用一根光纤所构成的B-OTDR和FBG感测器组合的感测器系统可以同时测定温度和应变。B-OTDR光纤传感器系统系应用在健康监测上。报告显示应变分布可以检查加以测定。 而在复合材料领域上，损伤的监测是关心的主题。基体裂纹或层间剥离等初期小损伤，利用简易检查检测出来的机率太小，所以，复合材料通常是以不会引起此种损伤的低强度标准来使用。因此，允许轻微损伤的损伤容许设计最要紧的是要在更广泛的强度范围内来使用复合材料。所以，在航空机等以安全性为最优先考虑的实体结构物上应用损伤容许设计时，坚实性保证，实行某些手法是不可或缺的。实时的损伤监测是保证复合材料结构物坚实性之具吸引力的手法。光纤感测器、光感测或电阻测定可以直接掌握损伤的初期，而复合材料结构物的状态分析是使用分析模式，可以间接地监视损伤的情形。 使用光纤损伤检测传感器是检测损伤最简单的传感器。埋设的光纤因为与直交的裂纹而切断时，光强度的损失会告知有损伤发生，微弯感测器(Micorbend Sensor)也是依据光强度的损失来进行告知。另外，利用光纤局部的变形而产生的光强度损失微弯传感器也可以应用在损伤检测用途上。有报告指出，塑料光纤可以检测出混织(Crossply)CFRP胶合板之横裂纹。利用多模(Multi-mode)光纤可以检测出GFRP胶合板上的损伤。因为适用航空机结构，所以对于加强刚性的CFRP面板的碰撞应答可以利用所埋设的细径光纤加以监控。另外，光强度的损失意味会发出碰撞信号，在未损伤时，可以从碰撞后，光强度就会恢复的现象得知。使用光纤传感器直接检测内部损伤的其它方法就是埋设的FBG传感器的光谱监控。一般的FBG感测器很容易受到大约10mm的隔距片长度分布不一样的应变分布的影响。此时，埋设的FBG传感器可以掌握因损伤而产生的不均匀的应变分布。混织CFRP胶合板 横裂纹可以利用埋设在和190度层连接的0度层中之FBG感测器观察出来。 利用光线穿透法可以有效地检测出像CFRP般透明的复合材料的损伤情形。有使用EL背光的复合材料胶合板 结构健康监测系统的。当内部损伤一增加，复合材料胶合板中的光线穿透率就会降低。使用通过FRP穿透光线的结构健康监测手法是为了检测支撑收纳线性发动机牵引列车之超导电线圈的容器铝FRP的荷重支持结构的劣化、损伤。 使用具导电性的强化材料制成复合材料的电气特性因为具备有关应变和损伤的信息，所以测定电气特性可望作为实时的非破坏评估手法。本手法的优点是无需在材料内置入新的感测器。在疲劳负荷之下，随着应变、纤维的破损和基体裂纹等损伤的进行，CFRP胶合板的电阻会起变化。利用碳粒子加以强化的智慧型FRP冲孔板是专为测定和记录疲劳负荷下的应变情形而开发的。有报告指出，CFRP胶合板的层间剥离的尺寸和位置可以使用拥有多数电极的电气电位手法检测出来。测定铝基体复合材料中的氧化镍纤维的电阻，并监测温度和应变。 复合材料损伤会改变整体的性质。模形状和周波数就会改变。因此，振动中的复合材料的动态应答的变化会随着损伤的开始和进行而呈现出来。采取本方法的话，主动系统(Active System)能有效地检测出静态损伤和碰撞损伤，所以作动器和传感器组合使用的主动系统比只使用传感器的被动系统较为合适。压电膜因为质轻且拥有动作机能。 解析手法的开发对了解损伤的种类、尺寸和位置很重要。使用结构健康监测系统可应用在FRP胶合板的层间剥离的尺寸和位置的鉴定上。还有使周波数应答函数的手法作为对称胶合板的层间剥离的位置和尺寸的鉴定手法。局部柔性法适用于CFRP胶合板和管子的内部损伤检测。 动 作 拥有动作机能的智能型复合材料有三种目标。即降低振动阻尼和噪音，可控制形状复合材料以及损伤阻力的提高和修复。为了改善复合材料的阻尼特性，许多作动器素材都使用压电组件、形状记忆合金、ER流体。材料阻尼的手法也能应用在降低复合材面板振动所引起的噪音用途上。可控制形状的复合材料可以制造像没有襟翼的翼般无铰键结构。在此，利用胶合板内的热膨涨系数的差异胶合作动器也列入可控制形状的复合材料的分类。复合材料的修复是一项极为重要的主题。这是因为基体内或界面的局部裂纹会使复合材料的性能降低的缘故。提高复合材料的损伤阻力可应用高输出作动器而达成。 降低振动阻尼与噪音 为了改善复合材料结构物的振动阻尼，有许多构思方案被提出。这些想法可区分为被动式阻尼和主动式阻尼。在被动式阻尼的设计概念下，为了形成阻尼要素而使复合材料结构物系统在特定的周波数领域拥有最高的阻尼特性。根据此种想法所设计的结构物并不需要制造阻尼动力能源。相对此主动式阻尼则是应用拥有动力能源之作动器，来控制结构物的阻尼特性想法。拥有主动阻尼机能的结构物，在广泛的周波数范围内具有良好的阻尼特性，所以能够建构可以抵抗突发性振动的结构物。从阻尼要素的观点来看，复合材料结构物的阻尼可区分为结构系统阻尼和材料阻尼两种概念。结构系统阻尼的想法将阻尼器作为使整个系统的振动能源消散的结构组件使用。在此想法下，复合材料组件并不看好是高阻尼材料。反倒是复合材料组件的阻尼特性系利用材料阻尼的手法加以最适化。接着以使用作动器之材料阻尼为焦点进行说明。 压力型陶瓷(PZT)、压力型高分子(PVDF)，ER流体或形状记忆合金(SMA)的使用为材料阻尼。这些作动器要素系制成薄膜或纤维状，所以可贴附或埋设在复合材料中。与粘接的PZT面料交错的CFRP胶合板对振动的被动式阻尼有效用。并有将ER流体封入CFRP胶合板之间，使用与埋设的PZT膜作为作动器并用混合智能型系统，导入新型的最合适的控制系统，可有效进行振动控制。这些实验以及理论的结果显示，混合系统拥有良好的阻尼特性。使用与CFRP胶合板密封之ER流体所构成的阻尼层，研究主动阻尼。外侧的CFRP皮层为拘束层，内侧的皮层为电极，分别动作。此种阻尼特性可以由施加电场来控制。埋设被动式阻尼想法所设计的SMA电线之CFRP胶合板显示能够获得良好的阻尼性能。 降低噪音是材料的振动控制的应用。但是，需要不同于材料阻尼的控制系统。那是因为振动模态和音响动力模态不同所致。因此有复合材料胶合板所发之音响动力模态的分析模型。由面板贴附压力型陶瓷，就能够加以控制发生在复合材料面板上的噪音。 可形状控制的复合材料 为利用大变形作动器加以驱动形状可控制复合材料时，需要低的硬挺性。因此，技术适用于贴薄薄的复合材料或是皮层。另有使用分布PZT和PVDF之悬臂梁状结构物的振动和形状控制的报告。此种技术被应用在卫星天线的柔软性结构的控制上。许多很特别的构思连同作动器被提出。使用可大变形的复合材料之CFRP胶合板和金属板所构成的作动器的设计是为了能够因为电阻发热而获得大变形。胶合板作动器的设计是为了使复合材料层横向热膨胀系数(CTE)和金属层的数值一致，如此就能预防外面变形的发生。SiC纤维强化金属基体作动器也有作为高温作动器。 提高损伤阻力和修复 复合材料的初期损伤模式是会产生局部损伤。局部的损伤虽然不是致命性的因素，然而会使复合材料的刚性和损伤阻力降低。局部的损伤分布在复合材料内部，所以，修复这些损伤甚为困难。将此种材料性能损伤的影响降到最低的对策，在日本有想到使用作动器的两种手法。一是提高损伤阻力，另一项就是修复损伤。局部性损伤的发生荷重标准和复合材料制造时残留应力有关系，所以为了使残留应力减少，减缓或控制损伤的进行而使用SMA作动器。有报告指出，埋设在CFRP混织胶合板0度层的SMA电线可以减缓90度层的织物层中之横裂纹的继续进行。CFRP混织胶合板的0度织物层和90度织物层间所埋的SMA箔对减缓或控制90度织物层中横纹进行具有效用。 除了修复过程之外，使材料维持特性时，利用热熔融的材料将空隙填满就能够修理材料内所分布的内部损伤。一般来说，想要修复此种热硬化PMC中的损伤是不可能的事情，但是热可塑性PMC的局部损伤是可以修复的。但是，热硬化PMC的修复有新想法的提出，即在基体内使用作为作动器而混合的可熔融的塑料粒子的方法。热可塑聚合物粒子或未硬化的热硬化聚合物粒子混合之热硬化PMC利用加热就具有修理的能力。 国际最近所举办的有关复合材料的学会演讲会、座谈会、国际性会议等，可以看到有智能型复合材料会期的安排和众多的发表。但直到今天，有众多的研究仍在持续进行中。 今后智能型复合材料迈向实用化必须克服的课题是： (1)确立符合目的的智能型复合材料的设计手法 (2)开发不需要精巧技术的制造手法 (3)弄清在恶劣环境下的机械性质 (4)传感器和作动器等智能型素材的低价格化等等。