奈米碳纖維制振複材與應用

刊登日期:2017/3/5
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本文探討奈米制振材料於碳纖維複材制振手臂之應用,包括制振材料原理、碳纖維制振複材機械支臂製作與功能量測驗證。研究結果顯示,本技術可提高碳纖維複材之阻尼效果,並提高其共振頻率,碳纖維制振複材桿件在實機系統於高速下急停後,可快速衰減殘餘振動,其制振效果顯著,振動衰減時間大幅縮減約55%,可有效縮短並聯型機械手臂運動周期,進而提高其效率。經驗證碳纖維制振複合材料製成的桿件具優良的剛性,抑制振動效果卓越,其重量又比鋁合金桿件輕,很適合應用於並聯式機器人的支臂,並可取代現有的高剛性或輕量化鋁合金支臂。
 
文獻回顧
由於碳纖維複合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic; CFRP)質量輕、剛性高、韌性佳,具有能耐天候、耐腐蝕、耐疲勞等諸多優點,被大量應用在工程上,但因其材料性質關係,如在損壞情況下,可能嚴重瓦解造成不可收拾的結果,因此損傷檢測被視為重要的議題。
 
常見的碳纖維複合材料損壞為基材斷裂或纖維剝離和分層,而檢測方法大多為視覺或局部實驗的方法,如聲波或超音波檢測法、磁場檢測法、X光探傷法、渦流法及熱影像法。目前這些檢測法耗時且高成本,並都須事先已知結構損害的範圍。Zou等人提出以非破壞檢測,基於NDE(Non-Destructive Evaluation)方法的模型研究結構的振動特性之變化,開發出智能材料系統,主要利用振動測試方法訂出其相關動態特性,進而分析結構在動態負荷下之反應,作為設計與維護的參考依據。振動量測是實驗模態分析必備的基本程序,其中以衝擊鎚為激發待測物的振動,頻譜分析儀運算獲得頻率響應函數(Frequency Response Function; FRF),廣泛被應用於振動量測領域。
 
研究內容
1. 奈米碳纖維制振複材原理
奈米碳纖維制振複合材料原理如圖一、圖二所示。各碳纖維層間的樹脂基材含有不同比例的多層奈米碳管(MWCNT),其分散於樹脂基材間的多層奈米碳管受外力時,於最外層的碳管壁與樹脂相黏著會一起受力移動,而內層之第二、第三層的碳管壁會與最外層產生相對位移,在此二界面層間產生的微滑動現象,進而產生阻尼機制,而當此微界面層數量多的情況下,所累積的阻尼特性將可快速的被放大,進而達到有效抑制振動的作用。透過以設計不同的樹脂基材層與碳纖維層間的疊層分佈差異,可找出一種不失原材料強度,亦可增加阻尼性質的方式來解決此一振動問題。



圖一、奈米碳纖維制振複材結構示意圖
圖一、奈米碳纖維制振複材結構示意圖

 
3. 碳纖維制振複材支臂之共振頻率實驗
其量測結果為等徑桿件共振頻率為426.3 Hz左右(圖六(a));不等徑桿件共振頻率為271.3 Hz、620 Hz與780 Hz(圖六(b)),而100 Hz以內的低頻皆為隔振設備的頻率,由此二結果得知,通過不等徑結構,主要共振頻率由426.3 Hz提升至620 Hz,但在271.3 Hz出現主頻以外的共振頻率,可推測為結構設計上的疑慮,以此作為修改的依據。



圖六、(a)等徑桿件與(b)不等徑桿件置於隔振桌用雷射都普勒測振儀量測結果
圖六、(a)等徑桿件與(b)不等徑桿件置於隔振桌用雷射都普勒測振儀量測結果

 
6. 振動衰減測試之實機驗證
本測試為殘餘振動衰減測試,測試鋁合金桿件與碳纖維複材等徑桿件裝置於並聯式機器人,在相同條件下高速運動至定點後停止,量測兩種桿件在急停後可以快速衰減殘餘振動回至穩態的時間,其目的為解決現有並聯式機器人金屬支臂問題,使用輕盈的鋁合金因剛性不足,無法---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:劉時州 / 工研院材化所;吳宗亮 / 國立高雄第一科技大學
★本文節錄自「工業材料雜誌」363期,更多資料請見下方附檔。


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