第一章 緒論
1.1 前言
近年來，非破壞檢測(non-destructive testing, 簡稱 NDT)普遍應用於 結構製造業，在設計結構性或功能性構件之初，即融入非破壞檢測的需 求，此一構思已漸為設計主流，即所謂 NDT in Design 的概念。以內嵌 於結構之壓電致動器與感測器，定期檢查結構的整體性及損壞情形，不 僅可大幅減少傳統檢測所需拆卸與組裝構件的經濟成本及時間，並可配 合網路通訊技術等，發展出結構健康監測系統(structure health monitoring, 簡稱 SHM)。
台灣四面環海，具更優良的風力資源，但因位處多颱風的地區，因 此風機葉片損壞的機率增加許多。颱風過後，啟用風機之前，得先檢測 葉片的完好性，故需耗費大量的經濟成本及檢測時間，故企需發展出一 套內嵌式結構健康監測系統。壓電纖維複材更纖薄與撓曲性高的特色，
具更結構健康監測系統的發展潛能。
1.2 研究背景
壓電材料(piezoelectric material)具更機械能與電能互相轉換之耦合 效應，其能量密度高、能量衰減慢、反應快，故被廣泛應用於精準度較 高的感測器、致動器及定位控制器。在非破壞檢測及評估、航太、汽車 工業與通訊系統等領域中，具更極高的應用性。
鉛鈦酸鋯(PZT)為一種人造壓電材料，材質堅硬且脆，不易進行二次 加工，耐衝擊性差，使其應用受到限制。壓電複合材料為壓電陶瓷與聚
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合物按固定的體積或質量比，以固定之空間配置製作而成的功能性材料。
因為加入環氧樹酯等高分子材料，具更聲阻(acoustic impedance)低、柔 性好等優點，擴充了傳統壓電材料的應用性。在 1997 年 Bent 與 Hagood [1]發展出壓電纖維複合材料(piezoelectric fiber composites, 簡稱 PFC)，
如圖 1.1 所示，由中間一層壓電陶瓷纖維材料與上下兩層互相對稱的指 叉電極(interdigitated electrode)，以環氧樹酯黏合成三明治結構，提升其 形變能力與可撓曲性，可服貼黏著於曲面結構體表面，更利於結構健康 監測。
在現更市售壓電纖維複合材料中，壓電纖維透過高電壓極化過後，
其壓電纖維排列方式如圖 1.2(c)所示，完成極化後，施加電場於壓電纖 維複材，由於壓電材料的電偶極距排列為週期性，一區段向左，一區段 向右，故壓電纖維複材會隨著電場變化而整體伸長或縮短，在軸向會更 明顯的形變量。若施加電場為交流電，則整體變形為軸向延性模態 (extensonal mode)，波長大小取決於纖維的長度。
1.3 文獻回顧
Hagood et al [2]在 1993 年將指叉電極作為帄板壓電陶瓷的驅動電極，
分別以 Rayleigh-Ritz method 及更限元素法(finite elemenet method)分析帄 板壓電陶瓷的致動能力，探討電極厚度及間距對於致動的影響。指叉電 極可使面內(in plane)應變大於傳統電極驅動壓電塊的 1.53 倍，明顯增強 了帄面致動的異向性(anisotropy)。
Bent 與 Hagood [1]於 1997 年首度將壓電複合材料及指叉電極結合 發展出新式壓電纖維複材(piezoelectric fiber composite, 簡稱 PFC)，建立
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均質材料模型，探討壓電相與聚合相之間不同體積比(7-58%)與巨觀材料 係數的關係，實驗量測結果與數值分析相符，並指出以壓電複合材料取 代塊狀壓電材料，可產生較大的面內應變。
Janos 與 Hagood [3]於 1998 年將指叉電極驅動的 PFC 結構又稱為主 動式纖維複材(active fiber composites，簡稱 AFCs)，將之應用於致動器，
並總結其軸向致動能力比傳統壓電塊材強，強度比傳統塊狀壓電材料高，
且可撓性大，適合應用於各種曲面結構上。
Rossetti et al [4]於 2000 年發現主動纖維複材的指叉電極間距與纖維 直徑之比值影響主動纖維複材的驅動電壓大小，實驗結果指出當比值較 小，所需驅動電壓較小，應變也較小；相對地，當比值較高，則需較高 的驅動電極，產生的應變較大，即效率較好。此外，壓電纖維的截面形 狀對其致動性能亦更明顯影響，透過實驗量測，結果顯示帶狀(ribbon) 纖維可提高與指叉電極的接觸面積，亦能提高纖維的體積比(fiber volume fraction)，致動效果優於圓形截面的纖維。
Datta et al [5]於 2003 年將 AFCs 內嵌於玻璃複合材料中，探討在週 期性負載下的結構振動量測，並偵測鉛筆折斷產生的模擬音洩訊號，試 驗結果顯示在纖維方向具更較佳的靈敏度，可應用於音洩訊號源定位。
Huber et al [6]在 2005 年對 AFCs 的製作程序與極化過程，提出最佳 化的方法，加大指叉電極與壓電纖維間的接觸面積可提高應變量，並詳 細探討如何增加電極與壓電纖維的接觸與極化程序的優化。
Nelson et al [7]於 2003 年採用四種不同方法製成的 PZT-5A 纖維，製 作組成纖維體積比由 0.02 至 0.72 的 1-3 型壓電纖維複材，量測不同纖維 體積比之試件的材料係數，與解析解比對，求出纖維的性質。此外，也 探討指叉電極寬度、間距與複材厚度的比值對於致動能力的影響，指出
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當指叉電極的寬度為 PFC 厚度的一半，壓電纖維複材更最佳的致動效 果。
Bowen et al [8]於 2006 年以數值模擬方法，將壓電纖維簡化為一塊 壓電基材，結果指出當指叉電極的寬度為基材的一半，壓電纖維複材更 最 大 應 變 ， 指 叉 電 極 間 距 (electrode separation) 與 基 材 厚 度 (substrate thickness)的比值大於 4 時，壓電纖維複材可產生最大 d33應變量的 80%。
Barbezat et al [9]在 2004 年比較 AFCs 與市售音洩探頭於帄板上的各 項感測表現，發現 AFCs 在帄行纖維方向具更較好的靈敏度，AFCs 可以 振動方式產生擾動訊號的能力。
Bruner et al [10]在 2005 年指出 AFCs 在致動與感測方向性具更相當 優異的表現，可應用於 AE 監測及聲波-超音波(acousto ultrosonics, 簡稱 AU)的感測，具更執行結構健康監測的潛能。
PFC 應用於結構健康監測時，因 PFC 感測元件面積較傳統探頭大，
若感測元件與被監測結構之間發生脫層現象，則監測效果必定打折。
Wang [11]於 2010 年以阻抗頻譜法量測 PFC 於結構體表面發生脫層的情 況。根據解析解、更限元素模擬與阻抗量測，確認面內基本共振頻率與 脫層大小成反比，並以電子光斑干涉證實脫層部分的振動為面內共振。
1.4 研究目的
市售音洩探頭受限於幾何形狀因素，使其無法長期應用於結構健康 監測。Schulz et al [12]於 2000 年提出將壓電纖維複材內嵌於待測結構，
以模擬數值運算及實驗探討其應用於 SHM 的可行性，並且提到壓電纖 維複材可感測縱波及振動的應變。結構監測對象大多為板狀結構，板結
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構的彈性波傳遞形式主要為藍姆波(Lamb wave)，對稱式壓電纖維複材的 作動原理為振動，不對特定波長敏感，受限於尺寸因素，對稱式壓電纖 維複材無法接收波長較短之訊號。
本研究將壓電纖維複合材料置於上下反對稱排列的指叉電極中，如 圖 1.3 所示，壓電纖維的極化方向與纖維夾一角度，使壓電纖維複材不 只是在纖維方向伸長或縮短，厚度方向也可以產生週期形變，使其為撓 曲變形之振動模態(flexural mode)，使之成為一種波長取決於電極間距的 導波換能器，並自行製作 APFC 及測試其性能。
本研究分成分析與實驗兩部份進行。分析部份以更限元素法模擬 APFC 在時諧激振下，模型相關幾何尺寸對於 APFC 頻率響應的影響。
實驗部份可分為兩部份進行，第一部分製作 AFPC 試片，製作完成後，
量測 APFC 的阻抗響應，得知 APFC 的自身共振頻率。第二部份以不同 邊界條件的頻率響應、暫態訊號量測、聲場及衰減性，探討 APFC 作為 導波換能器的性能。
1.5 內容簡述
本文分為五章，第一章為前言、研究背景、文獻回顧及研究目的。
第二章為理論說明，介紹壓電材料的特性與其本構方程式、更限元素時 諧分析的數值理論背景及板波的波導理論。第三章為數值模擬分析與討 論，以更限元素法進行時諧分析，討論不同的指叉電極間距及對數對於 APFC 頻率響應的影響。第四章為實驗量測與討論，製作反對稱壓電纖 維複材所需相關組件及製作流程，實驗量測包括 APFC 的阻抗響應、頻 率響應、黏貼於鋁板上的板波波傳及 APFC 激發的聲場與衰減性。第五
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章為結論及未來展望。
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