擁有自動感測機能的智能型纖維復合材料發展與分析（下）

　　動 作
　　擁有動作機能的智能型復合材料有三種目標。即降低振動阻尼和噪音，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所引起的噪音用途上。可控制形狀的復合材料可以制造像沒有襟翼的翼般無鉸鍵結構。在此，利用膠合板內的熱膨漲系數的差異膠合作動器也列入可控制形狀的復合材料的分類。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器而達成。
　　降低振動阻尼與噪音
　　為了改善復合材料結構物的振動阻尼，有許多構思方案被提出。這些想法可區分為被動式阻尼和主動式阻尼。在被動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力能源。相對此主動式阻尼則是應用擁有動力能源之作動器，來控制結構物的阻尼特性想法。擁有主動阻尼機能的結構物，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性振動的結構物。從阻尼要素的觀點來看，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系統的振動能源消散的結構組件使用。在此想法下，復合材料組件并不看好是高阻尼材料。反倒是復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。接著以使用作動器之材料阻尼為焦點進行說明。
　　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。這些作動器要素系制成薄膜或纖維狀，所以可貼附或埋設在復合材料中。與粘接的PZT面料交錯的CFRP膠合板對振動的被動式阻尼有效用。并有將ER流體封入CFRP膠合板之間，使用與埋設的PZT膜作為作動器并用混合智能型系統，導入新型的最合適的控制系統，可有效進行振動控制。這些實驗以及理論的結果顯示，混合系統擁有良好的阻尼特性。使用與CFRP膠合板密封之ER流體所構成的阻尼層，研究主動阻尼。外側的CFRP皮層為拘束層，內側的皮層為電極，分別動作。此種阻尼特性可以由施加電場來控制。埋設被動式阻尼想法所設計的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控制的應用。但是，需要不同于材料阻尼的控制系統。那是因為振動模態和音響動力模態不同所致。因此有復合材料膠合板所發之音響動力模態的分析模型。由面板貼附壓力型陶瓷，就能夠加以控制發生在復合材料面板上的噪音。
　　可形狀控制的復合材料
　　為利用大變形作動器加以驅動形狀可控制復合材料時，需要低的硬挺性。因此，技術適用于貼薄薄的復合材料或是皮層。另有使用分布PZT和PVDF之懸臂梁狀結構物的振動和形狀控制的報告。此種技術被應用在衛星天線的柔軟性結構的控制上。許多很特別的構思連同作動器被提出。使用可大變形的復合材料之CFRP膠合板和金屬板所構成的作動器的設計是為了能夠因為電阻發熱而獲得大變形。膠合板作動器的設計是為了使復合材料層橫向熱膨脹系數(CTE)和金屬層的數值一致，如此就能預防外面變形的發生。SiC纖維強化金屬基體作動器也有作為高溫作動器。
　　提高損傷阻力和修復
　　復合材料的初期損傷模式是會產生局部損傷。局部的損傷雖然不是致命性的因素，然而會使復合材料的剛性和損傷阻力降低。局部的損傷分布在復合材料內部，所以，修復這些損傷甚為困難。將此種材料性能損傷的影響降到最低的對策，在日本有想到使用作動器的兩種手法。一是提高損傷阻力，另一項就是修復損傷。局部性損傷的發生荷重標準和復合材料制造時殘留應力有關系，所以為了使殘留應力減少，減緩或控制損傷的進行而使用SMA作動器。有報告指出，埋設在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進行。CFRP混織膠合板的0度織物層和90度織物層間所埋的SMA箔對減緩或控制90度織物層中橫紋進行具有效用。
　　除了修復過程之外，使材料維持特性時，利用熱熔融的材料將空隙填滿就能夠修理材料內所分布的內部損傷。一般來說，想要修復此種熱硬化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的。但是，熱硬化PMC的修復有新想法的提出，即在基體內使用作為作動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。
　　國際最近所舉辦的有關復合材料的學會演講會、座談會、國際性會議等，可以看到有智能型復合材料會期的安排和眾多的發表。但直到今天，有眾多的研究仍在持續進行中。
　　今后智能型復合材料邁向實用化必須克服的課題是：
(1)確立符合目的的智能型復合材料的設計手法
(2)開發不需要精巧技術的制造手法
(3)弄清在惡劣環境下的機械性質
(4)傳感器和作動器等智能型素材的低價格化等等。