擁有自動(dòng)感測(cè)機(jī)能的智能型纖維復(fù)合材料發(fā)展與分析（下）

　　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。可控制形狀的復(fù)合材料可以制造像沒有襟翼的翼般無(wú)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(lái)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(lái)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)能源消散的結(jié)構(gòu)組件使用。在此想法下，復(fù)合材料組件并不看好是高阻尼材料。反倒是復(fù)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(dòng)器之材料阻尼為焦點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)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(dòng)器要素系制成薄膜或纖維狀，所以可貼附或埋設(shè)在復(fù)合材料中。與粘接的PZT面料交錯(cuò)的CFRP膠合板對(duì)振動(dòng)的被動(dòng)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(shè)的PZT膜作為作動(dòng)器并用混合智能型系統(tǒng)，導(dǎo)入新型的最合適的控制系統(tǒng)，可有效進(jìn)行振動(dòng)控制。這些實(shí)驗(yàn)以及理論的結(jié)果顯示，混合系統(tǒng)擁有良好的阻尼特性。使用與CFRP膠合板密封之ER流體所構(gòu)成的阻尼層，研究主動(dòng)阻尼。外側(cè)的CFRP皮層為拘束層，內(nèi)側(cè)的皮層為電極，分別動(dòng)作。此種阻尼特性可以由施加電場(chǎng)來(lái)控制。埋設(shè)被動(dòng)式阻尼想法所設(shè)計(jì)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(dòng)控制的應(yīng)用。但是，需要不同于材料阻尼的控制系統(tǒng)。那是因?yàn)檎駝?dòng)模態(tài)和音響動(dòng)力模態(tài)不同所致。因此有復(fù)合材料膠合板所發(fā)之音響動(dòng)力模態(tài)的分析模型。由面板貼附壓力型陶瓷，就能夠加以控制發(fā)生在復(fù)合材料面板上的噪音。
　　可形狀控制的復(fù)合材料
　　為利用大變形作動(dòng)器加以驅(qū)動(dòng)形狀可控制復(fù)合材料時(shí)，需要低的硬挺性。因此，技術(shù)適用于貼薄薄的復(fù)合材料或是皮層。另有使用分布PZT和PVDF之懸臂梁狀結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)和形狀控制的報(bào)告。此種技術(shù)被應(yīng)用在衛(wèi)星天線的柔軟性結(jié)構(gòu)的控制上。許多很特別的構(gòu)思連同作動(dòng)器被提出。使用可大變形的復(fù)合材料之CFRP膠合板和金屬板所構(gòu)成的作動(dòng)器的設(shè)計(jì)是為了能夠因?yàn)殡娮璋l(fā)熱而獲得大變形。膠合板作動(dòng)器的設(shè)計(jì)是為了使復(fù)合材料層橫向熱膨脹系數(shù)(CTE)和金屬層的數(shù)值一致，如此就能預(yù)防外面變形的發(fā)生。SiC纖維強(qiáng)化金屬基體作動(dòng)器也有作為高溫作動(dòng)器。
　　提高損傷阻力和修復(fù)
　　復(fù)合材料的初期損傷模式是會(huì)產(chǎn)生局部損傷。局部的損傷雖然不是致命性的因素，然而會(huì)使復(fù)合材料的剛性和損傷阻力降低。局部的損傷分布在復(fù)合材料內(nèi)部，所以，修復(fù)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(duì)策，在日本有想到使用作動(dòng)器的兩種手法。一是提高損傷阻力，另一項(xiàng)就是修復(fù)損傷。局部性損傷的發(fā)生荷重標(biāo)準(zhǔn)和復(fù)合材料制造時(shí)殘留應(yīng)力有關(guān)系，所以為了使殘留應(yīng)力減少，減緩或控制損傷的進(jìn)行而使用SMA作動(dòng)器。有報(bào)告指出，埋設(shè)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(xù)進(jìn)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(duì)減緩或控制90度織物層中橫紋進(jìn)行具有效用。
　　除了修復(fù)過程之外，使材料維持特性時(shí)，利用熱熔融的材料將空隙填滿就能夠修理材料內(nèi)所分布的內(nèi)部損傷。一般來(lái)說(shuō)，想要修復(fù)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(fù)的。但是，熱硬化PMC的修復(fù)有新想法的提出，即在基體內(nèi)使用作為作動(dòng)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(guó)際最近所舉辦的有關(guān)復(fù)合材料的學(xué)會(huì)演講會(huì)、座談會(huì)、國(guó)際性會(huì)議等，可以看到有智能型復(fù)合材料會(huì)期的安排和眾多的發(fā)表。但直到今天，有眾多的研究仍在持續(xù)進(jìn)行中。
　　今后智能型復(fù)合材料邁向?qū)嵱没仨毧朔恼n題是：
(1)確立符合目的的智能型復(fù)合材料的設(shè)計(jì)手法
(2)開發(fā)不需要精巧技術(shù)的制造手法
(3)弄清在惡劣環(huán)境下的機(jī)械性質(zhì)
(4)傳感器和作動(dòng)器等智能型素材的低價(jià)格化等等。