本章以實驗量測壓電纖維複材的靜態材料性質及動態共振頻率，作為 材料係數定量評估的依據。動態試驗以 HP 8751A 網路分析儀量測壓電纖維 複材的阻抗頻率響應，阻抗頻譜的極小值對應軸向模態的共振頻率，量測 條件為兩端邊界自由及一端自由、另一端固定。靜態試驗採用萬能拉伸試 驗 機 (MTS 810 system) 及 弘 達 公 司 製 造 的 電 腦 伺 服 控 制 材 料 試 驗 機 (HT-2102) ， 後 者 搭配 的 荷 重 元 (Load cell) 為 20 公 斤 。此 外 ， 利 用 Measurement Group P-3500 應變量測儀搭配高電壓供應器量測材料的壓電 係數。
3.1 阻抗響應的量測
在共振頻率量測上，採用 HP 8751A 網路分析儀量測壓電纖維複材的阻 抗曲線圖，HP 8751A 具有函數產生器、訊號擷取及分析的功能，量測時依 照需求調整對應的共振頻率範圍，HP 8751A 輸出 1V 的正弦波至待測裝置 的驅動電極端，再由感測電極端感應壓電纖維複材阻抗變化產生的電流，
圖 3.1 為阻抗響應量測的示意圖，在此討論兩種不同情況的阻抗量測。
3.1.1 邊界無拘束之試片阻抗量測
為了近似壓電纖維複材試片未使用前的狀況，避免邊界拘束條件造成 的影響，本實驗將壓電纖維複材試片置於泡棉上，如圖 3.2 所示，再以網 路分析儀量測其頻率響應。實驗的結果依掃描頻段分別如圖 3.3 至圖 3.6 所 示，壓電纖維複材的共振頻在 0 到 100kHz 範圍，呈現奇數倍的現象。這都 是屬於試片的軸向共振，因為指叉電極在試片的表面上下對稱分佈，試片 部會發生扭轉或撓曲振動。超過 100kHz 後共振頻的振幅變得不明顯，推測 是壓電纖維複材內部的阻尼影響所致。
3.1.2 一端固定之試片阻抗量測
1 15 5 ε11S 1
3 規，型號為 KFG-2-120-D16-11L1M2S，規格如表 3-2 所列。以萬能拉伸試 驗機(MTS 810 system)及弘達公司所生產的電腦伺服控制材料試驗機
(HT-2102)進行拉伸試驗，後者搭配 20 公斤附和的荷重元。此外，利用 Measurement Group P-3500 應變量測儀 (包含惠斯登電橋)及高電壓供應器 進行靜態的壓電係數量測。依據壓電材料的本構方程式S = s T + d E，其中E t S 為應變張量，sE為固定電場的柔性常數，T 為應力張量，dt為壓電係數張 量，E 為電場強度，量得結構軸向方向的楊氏模數
E
3、泊松比 及壓電係31 數 d31、d33。3.2.1 實驗試片準備 應變規的黏貼：
(1) 黏貼應變規前，先以酒精清除黏貼位置的表面油污，用棉花布作單向擦 拭，將表面小心擦乾，不要做來回擦拭。接著以 HB 鉛筆在試片表面欲量 測應力、應變的位置，畫一十字線，以酒精再次清除表面油污。
(2) 將一枚應變規排列於一個乾淨的塑膠片上，以一段適當長度之透明膠帶 黏貼於其上。然後將透明膠帶連同應變規及端子以45o角掀起，以透明膠帶 調整應變規邊緣的三角形對準標記，與先前畫的十字對正。然後將透明膠 帶連同應變規及端子以45o角掀起，使其底部朝上。透明膠帶最好選用長度 不易拉伸者，以免對準的位置移動。
(3) 將準備好的瞬間接著劑，迅速塗抹於應變規及端子的底部，然後將透明 膠帶連同應變規壓合於預定黏貼的位置。注意接著劑不宜塗抹過多，以免 溢出於膠帶上，造成之後移除透明膠帶的困難，並避免將應變規及端子黏 成一體。
(4) 以手指隔著軟質的橡皮或矽膠片，施壓於應變規上方約 1 至 2 分鐘，直 到應變規與試片表面完全黏合。然後將透明膠帶與應變規撕離開。
上述步驟製成的試片，將使用於量測壓電係數 d31、d33，稱為試片(I)。
製作拉伸試驗試片的製作：
(1) 將玻纖板裁剪成四片長 2cm 寬 1.8cm 的墊片，並用砂紙或剉刀在其上 磨出粗糙度，以增加黏著時的附著力。
(2) 使用樂泰 (LOCTITE)公司出產的型號 E-120HP 型 AB 膠，將上述玻纖 墊片黏著於試片(I)兩端，以長尾夾或重物固定 1~2 小時。
(3) 裁剪兩段電線，以銀膠黏著於壓電纖維複材試片的正負電極末端，將電 線前端導電處用焊接方式形成短路狀態(short circuit)，此目的是避免試片受
力作用產生正壓電效應，影響拉伸試驗的應變值結果。
本文之壓電纖維複材不是標準試片，結構本身的厚度相當薄(約 0.4 mm)，試片是由樹脂與壓電纖維所構成，為了避免拉伸試驗機的夾頭直接 作用於試片(I)上，造成試片內部材料的損毀，挾持端加上玻纖墊片，一方 面保護材料，另ㄧ方面也降低夾頭挾持時的困難，製作流程如圖 3.13 所示。
3.2.2 壓電係數d31、d33量測
在量測壓電係數 d31、d33時，為了確保結構處於無曳力狀態，將試片(I) 置於泡棉上，以高電壓供應器 Stanford Research Systems, Model PS325 (最大 電壓 2500V，功率 25W)，由低至高施以正電壓施於試片(I)的正負極上，由 應變量測儀觀察軸向及側向應變，每施以電壓增量 20V，紀錄一次應變讀 數，實驗裝置如圖 3.14 所示。壓電根據材料的本構方程式S = s T + d E ，E t 在無曳力狀態下，由軸向(3 方向)電場激發的軸向及側向應變，可求得壓電 係數 d31、d33，實驗量測結果如圖 3.15~圖 3.22 所示。表 3-3a 所列為各次實 驗數據，d31與 d33量測的平均值約為 156.66 及 324.39(×10-12cl/N)。
3.2.3 拉伸試驗
本文研究的壓電纖維複材為非標準試片，材料拉伸規範的資料短缺，
為了量測
E
3、 ，並建立此種新型結構可供參考的拉伸條件，依序進行以31 下試驗，並逐一討論。為了清楚壓電纖維複材試片的最大容許拉伸力量，首先進行拉伸強度 測試，使用萬能拉伸試驗機(MTS 810 system)以 0.01 mm/s 的速度，將製作 好的試片拉伸至破壞。應用惠斯通電橋量測應變規上電阻值變化數據，輸 送至資料擷取系統進行分析，實驗裝置如圖 3.23 所示。圖 3.24 所示為拉伸 力對軸向應變ε3的曲線圖，當拉伸力量約 225 N 時，試片發生斷裂。依試
片的截面尺寸，求得軸向應力對軸向應變的關係如圖 3.25 所示，當軸向應 變超過 3000μ 時，對應的拉伸力約為 65N，曲線開始呈現非線性，由此次 試驗可歸納出初步拉伸條件。
由上述經驗，採用 MTS 萬能拉伸試驗機以 0.01(mm/s)速度進行拉伸，
設定試驗機於 65N 時停止，可得軸向應力對軸向應變、側向應變對軸向應 變的關係圖 3.26~圖 3.31，實驗數據如表 3-3b 所列。軸向應變小於 250μ 時，
應力應變曲線的斜率皆呈現上昇，量測壓電係數時，所記錄的應變讀數皆 不超過 200μ，懷疑拉伸力達 65N 時，試片已經發生塑性變形。因此選擇圖 中軸向應變 250μ 所對應的拉伸力約 35N，作為下次拉伸試驗的負載上限。
所使用的 MTS 萬能拉伸試驗機之荷重元最小讀數為 100N，在此限度 以下的實驗數據將有明顯的偏差，因此選用弘達公司製造的電腦伺服控制 材料試驗機(HT-2102)，搭配較小的荷重元，極限為 20kg (約 200N)，進行 拉伸試驗，以期獲得較精準的數值。另外將試片的正負極末端牽引出的電 線，接觸拉伸試驗機的機台，形成共地的短路狀態，如圖 3.32 所示，避免 壓電纖維複材試片受到拉伸產生的正壓電效應影響應變規電阻值變化。並 設計一開路(open circuit)的對照組，進行相同條件的拉伸試驗，量測軸向楊 氏係數
E
3、泊松比 。如圖 3.33 至圖 3.36 所示，兩種情況的楊氏模數及31 泊松比分別為 22.516GPa、0.298 (short circuit)及 21.641GPa、0.302 (open circuit)，兩者間存在些微差異。推測具有以下幾種可能。(1) 實驗誤差，因為拉伸的範圍在儀器的最低限度附近，造成應變值發生跳 動情形。
(2) 因為拉伸力的範圍相當小(上限約 35N)，造成壓電效應不顯著，因此兩 種情況 E3值僅有些微變化。
(3) 由壓電材料的本構方程式S = s T + d E 可知，若應力固定時，應變與電E t 場強度呈現正比關係，因此軸向電場的開路試片的應變會大於短路情況的
應變。
(4) 泊松比(ν31)在兩種情況下，受限拉伸的範圍，實驗數據差異不大。
實驗量測的楊氏係數E 及泊松比3 為工程常數(engineering31
constant)，利用公式
s
33E 1/ E3、s
31E 31/ E3可求得柔性常數s 、
33Es ，實
31E 驗數據整理如表 3-3c 所列。為了方便檢閱，將上述量測壓電係數及拉伸試 驗的實驗步驟及結果歸納成表 3-4。3.2.4 實驗與等效模型結果比較
為了確定實驗結果的正確性，比較實驗數據、等效模型及 Advanced Materials Technology 公司的產品附錄所提供的工程常數E 、3 及壓電係數31
d31、d33，如表 3-5 所列。表中所列實驗量測的楊氏係數及泊松比為開路、
短路兩種情況的平均值。因為製程上的不同，造成產品間性質的誤差，因 此產品附錄的結果在此只供參考。
等效模型與實驗量測的楊氏係數E 值的相對誤差為3 5.5 % ，彼此差異 微小，確定實驗結果的可信度。產品附錄的相對誤差雖增大為 13.2 %，但 仍是可接受範圍。實驗量測的泊松比 較模擬結果小，推測可能因為拉伸31 試片較窄，應變規對於側向應變較不靈敏所致，也可能是受到真實試片表 面的聚醯亞胺薄膜影響。
等效模型的壓電係數d31、d33值均大於實驗量測值，因為模擬假設的電 場條件較理想化，真實試片受到指叉電極提供的電場不均勻，纖維排列不 均勻等因素都可能造成實驗量測值略低於等效模擬值。產品型錄的d33值為 260 (10-12cl/N)，明顯低於模擬及實驗值。型錄上試片的指叉電極寬度為 0.5mm，與本研究實際量測的 0.8mm 也不一致。因為實驗與等效模擬結果 相當吻合，實驗量測的楊氏係數E3、泊松比 及壓電係數31 d31、d33取代等 效模型的數值，如表 3-6 所列，作為反算壓電纖維複材的材料係數之依據。