國際智慧型纖維復(fù)合材料的研發(fā)進展
加入技術(shù)交流群
擁有感測機能的智能型復(fù)合材料擁有兩個應(yīng)用領(lǐng)域。一是制造過程的監(jiān)測(智能制造)，另一個是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(Health Monitoring)。制造過程的監(jiān)測可用在復(fù)合材料成型品的成型過程，主要是硬化過程。另一項的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是賦與運用中的復(fù)合材料具備自行診斷機能。因?qū)賰?nèi)部狀態(tài)的監(jiān)測，所以埋設(shè)微小的現(xiàn)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(jiān)測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測?？色@得一石二鳥的效果。
制造過程的監(jiān)測，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)測要以縮短硬化周期和提高性能為目的。硬化監(jiān)測是利用光纖感測器、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(yīng)變傳感器和溫度傳感器則可監(jiān)測成型中的硬化反應(yīng)和殘留應(yīng)變情形。在日本，硬化過程的監(jiān)測，主要是研究應(yīng)變和溫度測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)變感測器，進行監(jiān)測。應(yīng)變監(jiān)測系在高壓釜成型、繞線(Fw)成型和RTM成型進行。根據(jù)這些實驗結(jié)果得知，埋設(shè)EFPI傳感器可以測定硬化收縮和熱收縮應(yīng)變。而FBG戚測器在測定硬化收縮上，因為不具備足夠的應(yīng)變分解性能，所以很難定量監(jiān)測硬化反應(yīng)。但是，由RTM成型時利用所埋設(shè)的FBG傳感器測定應(yīng)變情形得知，F(xiàn)BG傳感器擁有測量熱收縮良好的性能。
介電率測定是復(fù)合材料現(xiàn)場硬化監(jiān)測經(jīng)常使用的方法。介電傳感器的埋設(shè)因機器的小型化而得以實現(xiàn)。因此有利用可埋設(shè)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(jiān)測時間領(lǐng)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(tài)。
在樹脂中形成埋設(shè)壓電晶圓(Wafer)的電氣機械系，由周波數(shù)應(yīng)答亦可間接地監(jiān)測復(fù)合材料的彈性率和粘性。由埋設(shè)壓電晶圓的阻抗測定來監(jiān)測高壓釜成型時復(fù)合材料的硬化情形。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測
光纖應(yīng)變及溫度感測器能實時有效地監(jiān)測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)測所使用的應(yīng)變感測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地測出Fw管的內(nèi)部應(yīng)變情形。在RTM成型時，所埋設(shè)的FBG光纖傳感器在負荷試驗時，反復(fù)測定應(yīng)變下，顯示性能良好。另還有細徑光纖(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)的細徑EFPI光纖感測器可以測定宇宙飛船艙內(nèi)的應(yīng)變。干擾計型光纖感測器能有效地高速測定應(yīng)變的情形，可應(yīng)用在復(fù)合材料的動態(tài)應(yīng)變測定上?？梢詼y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)光纖時間領(lǐng)域反射型(B-OTDR)系統(tǒng)可測定分布的區(qū)間很長，所以適用于測定大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布情形。根據(jù)報告顯示，利用一根光纖所構(gòu)成的B-OTDR和FBG感測器組合的感測器系統(tǒng)可以同時測定溫度和應(yīng)變。B-OTDR光纖傳感器系統(tǒng)系應(yīng)用在健康監(jiān)測上。報告顯示應(yīng)變分布可以檢查加以測定。
而在復(fù)合材料領(lǐng)域上，損傷的監(jiān)測是關(guān)心的主題?；w裂紋或?qū)娱g剝離等初期小損傷，利用簡易檢查檢測出來的機率太小，所以，復(fù)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(shè)計最要緊的是要在更廣泛的強度范圍內(nèi)來使用復(fù)合材料。所以，在航空機等以安全性為最優(yōu)先考慮的實體結(jié)構(gòu)物上應(yīng)用損傷容許設(shè)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(jiān)測是保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(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。
使用光纖損傷檢測傳感器是檢測損傷最簡單的傳感器。埋設(shè)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(fā)生，微彎感測器(Micorbend Sensor)也是依據(jù)光強度的損失來進行告知。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(yīng)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(jié)構(gòu)，所以對于加強剛性的CFRP面板的碰撞應(yīng)答可以利用所埋設(shè)的細徑光纖加以監(jiān)控。另外，光強度的損失意味會發(fā)出碰撞信號，在未損傷時，可以從碰撞后，光強度就會恢復(fù)的現(xiàn)象得知。使用光纖傳感器直接檢測內(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，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。混織CFRP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(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)測系統(tǒng)的。當內(nèi)部損傷一增加，復(fù)合材料膠合板中的光線穿透率就會降低。使用通過FRP穿透光線的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測手法是為了檢測支撐收納線性發(fā)動機牽引列車之超導(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)電性的強化材料制成復(fù)合材料的電氣特性因為具備有關(guān)應(yīng)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(yōu)點是無需在材料內(nèi)置入新的感測器。在疲勞負荷之下，隨著應(yīng)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(yīng)變情形而開發(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(shù)電極的電氣電位手法檢測出來。測定鋁基體復(fù)合材料中的氧化鎳纖維的電阻，并監(jiān)測溫度和應(yīng)變。
復(fù)合材料損傷會改變整體的性質(zhì)。模形狀和周波數(shù)就會改變。因此，振動中的復(fù)合材料的動態(tài)應(yīng)答的變化會隨著損傷的開始和進行而呈現(xiàn)出來。采取本方法的話，主動系統(tǒng)(Active System)能有效地檢測出靜態(tài)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(tǒng)比只使用傳感器的被動系統(tǒng)較為合適。壓電膜因為質(zhì)輕且擁有動作機能。
解析手法的開發(fā)對了解損傷的種類、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。
動 作
擁有動作機能的智能型復(fù)合材料有三種目標。即降低振動阻尼和噪音，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)是一項極為重要的主題。這是因為基體內(nèi)或界面的局部裂紋會使復(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)用高輸出作動器而達成。
降低振動阻尼與噪音
為了改善復(fù)合材料結(jié)構(gòu)物的振動阻尼，有許多構(gòu)思方案被提出。這些想法可區(qū)分為被動式阻尼和主動式阻尼。在被動式阻尼的設(shè)計概念下，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)計的結(jié)構(gòu)物并不需要制造阻尼動力能源。相對此主動式阻尼則是應(yīng)用擁有動力能源之作動器，來控制結(jié)構(gòu)物的阻尼特性想法。擁有主動阻尼機能的結(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)性振動的結(jié)構(gòu)物。從阻尼要素的觀點來看，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系統(tǒng)的振動 光纖傳感器相關(guān)文章:光纖傳感器原理
評論