緒論

第一章 緒論

1.1 研究動機與目的

災害防治和安全監測預警是為世界各國所重視的課題，目前結構健康檢測 的技術逐漸應用廣泛，在土木工程當中結構健康監測的技術已被廣泛的應用，

例如：光纖分佈式橋梁與道路安全健康監測技術應用與開發等。藉由這種健康 結構檢測技術應用與開發的觀念應用在碳纖構造物的安全檢測上。

碳纖具有質量輕、高強度與高彈性率的特點，因此使用極少量之材料即可 製作質量輕且強固之碳纖管式結構元件。近來金屬材料與能源成本不斷上升，

使用碳纖取代金屬材料之經濟性不斷增高。碳纖複合材料的相關產業目前逐漸 被廣泛的應用於生活當中，如：網球拍，自行車架、汽車、飛機、風力發電、

船舶結構支架等之應用，研究需求性提高。

碳纖複合材料的非均質性與非均向性之材料特性，成品容易有不一致的現 象。為了檢驗材料結構強度設計以及檢測品質的狀況，破壞性試驗為主要且常 用之檢測碳纖結構元件強度與安全性的方法。此外碳纖複合材料為脆性，一旦 受到強烈撞擊，或疲勞與老化作用使得結構弱化，常造成無預警的破壞。以現 今自行車支架所使用碳纖管式結構為例，其碳纖厚度小於 1mm，直徑大多在 10cm 以下，內部如果出現裂縫將容易造成材料破壞，騎乘者受傷。

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為了避免碳纖結構元件在無預警的狀況下產生破壞，嘗試使用結構健康監 測的觀念來檢測碳纖結構元件之安全性，此研究以碳纖自行車架為主要對象。

研發光纖光時域反射法為碳纖管式結構物健康檢測之方法，對碳纖自行車製造 進行使用後的品質管理與安全檢測，來提高碳纖維自行車架之安全性。此技術 也可以推廣應用於類似碳纖結構如：汽車、飛機、船舶、風力葉片等。

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1.2 研究方法與內容

使用光纖為感測器埋設於碳纖管式結構物-碳纖車架上面，碳纖管結構受外 力扭曲或產生裂縫，埋設的光纖也同樣的感受變形。光纖變形使光能量損耗驟 降並用 OTDR 量測其損耗檢測車架的損傷，進一步對碳纖車架進行健康安全預 警與評估。

研究內容如圖 1. 1 碳纖車架埋設光纖首先須了解車架的製程，之後配合製 程設計埋設方法與步驟，對埋設光纖於碳纖車架進行設計。第一階段在實驗室 內製作碳纖試片結合光纖線並作撓曲試驗以推估事件發生的變形量驗證其可行 性。

第二階段在工廠現場初步埋設光纖於碳纖車架上，研究過程中高溫高壓的 環境使光纖線埋設於車架內困難、光纖線出口太小容易使光纖線折斷、如何保 護光纖線、埋設後須熔接光纖接頭與外觀處理、OTDR 盲區有某一定的埋設長 度以及放置外觀的影響等都是問題所在。改善光纖埋設過程成為實驗的重要部 分，於是採取將光纖接頭與光纖線一起內埋於碳纖車架內的方法，過程中多次 修改模具以及尋找耐熱接頭與耐熱套管等埋設材料，不斷執行車架埋設以及改 良埋設過程，直到可行為止。

第三階段在實驗室內對碳纖管做軸向加載破壞實驗，在碳纖試片以及碳纖 管內埋設光纖線，分別施作撓曲試驗以及三點彎曲試驗等破壞試驗，檢驗光纖

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感應成效與量測結果並且討論。

1.3 論文內容概述

論文內容主要分為五章：

第一章：為緒論，說明研究動機與目的、研究流程與方法。

第二章：為研究背景，對相關研究進行說明，內容為介紹基本光纖原理、

OTDR 的原理以及碳纖複合材料簡介。

第三章：包含碳纖車架的概述以及對碳纖車架埋設光纖之規劃、實驗之方 法與實驗設備等實驗內容進行說明，最後作成果討論。

第四章：在碳纖試片以及碳纖管內埋設光纖線，分別施作撓曲試驗以及三 點彎曲試驗等破壞試驗，了解碳纖埋設光纖是否能夠感應到破壞 的發生以及對應的損耗量為何，並且對各項埋設成果與破壞試驗 之結果進行討論分析。

第五章：結論與建議，綜合本研究之試驗結果與研究過程作出結論，並提 出後續研究方向之建議。

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圖1. 1 研究流程圖

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