复合材料加工工艺综述

复合材料加工工艺综述前言：复合材料(Compositematerials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：①纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。②夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。③细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。④混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内／层间混杂和超混杂复合材料。60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4×106厘米（cm），比模量大于4×108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。复合材料的成型方法按基体材料不同各异。树脂基复合材料的成型方法较多，有手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成型法。前者是在低于基体熔点温度下，通过施加压力实现成型，包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。后者是将基体熔化后，充填到增强体材料中，包括传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等、陶瓷基复合材料的成型方法主要有固相烧结、化学气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。正文：1．复合材料常用的机加工工艺：凯夫拉纤维复合材料的加工工艺：复合材料在应用过程中常常需要进行机械加工，复合材料的常规机械加工包括切割、钻削、车削、铣削等。经常遇到的是切割和钻削(制孔)。其中孔加工是复合材料加工的难点之一。这里介绍的机加工艺主要针对凯夫拉/环氧和碳纤维/环氧复合材料。凯夫拉复合材料的机械加工异常困难。原因是凯夫拉纤维韧性高,对基体树脂粘结性差,剪切强度低所致。用硬质合金薄片和金刚砂涂层锯切割凯夫拉复合材料易起毛、翻边,加工效率低。凯夫拉复合材料制孔用钻头的好坏决定于它能否迅速切断孔周边的凯夫拉纤维。试验和应用表明,用三尖两刃钻头和双刃定心钻头制孔,可获得较满意的加工质量。三尖两刃钻头是用Y300硬质合金(钨-钻合金)麻花钻修磨刃口而成,具有两个锋利的外刃尖和一个起定心作用的中心点。为了获得两个关键的外尖，主刃磨成圆弧形。钻孔时中心尖先切人复合材料定位中心,然后依靠两锋利外刃尖在复合材料上划圆进行切削,并迅速沿孔边切断纤维,从而得到无毛边的孔。钻头的技术数据如下：h≤0.5mm，2Φτ=90-100°，bψ≤0.5mm，γτ＞0，ε=40-50°，α≈10°。双刃定心钻头适于加工大孔(直径大于12mm),这种钻头结构简单，容易制造。两个锋利的刃尖由外圆周与两个对称的斜面相切而成，中间的导向柱在钻孔时起定心作用。加工时先利用三尖两刃钻在凯夫拉复合材料上钻一小孔,然后将双刃定心钻头的导向柱伸人孔内，利用两外刃尖沿孔周迅速将纤维切断，钻出无毛边的大孔。为防止分层,第一次钻进时先不钻透,钻人约一半后将钻取出,然后将钻头伸人背面,再钻通另一半。对铺层为「0°/90°/±45°」,厚度为2mm的凯夫拉复合材料层板,在不使用冷却液的情况下,采用下述工艺参数为好:(l)对Φ4.84mm的三尖两刃整体钻头,适宜的钻削速ν=62-228mm/min,以ν=100mm/min左右最好。(2)对Φ12-20mm的大孔,适宜的钻削速度为25-90mm/min.(3)进给量取较小值为宜。碳纤维复合材料的加工工艺碳纤维材料硬度高,必须选用硬质合金刀具材料,航空部门在参考国外硬质合金选材基础上经试验认为,用钨一钻硬质合金是比较合适的。因为这类硬质合金有较高的抗弯强度和韧性,可以减少切削时崩刀,同时磨削加工性好,适于磨出锋利的刃口。目前材质为Y300的Φ3-8mm的整体式磨花钻头、惚窝钻、绞刀，可满足碳纤维复合材料构件的制孔要求。这种钻头的顶角在100-120°之间,一次刃磨,钻孔数可达100个孔以上。后角对钻削性能有较大影响,其角度以15-25°为好。我国已研制出几种人造金刚石大直径套料钻和人造金刚石磨轮,用于加工Φ8mm以上的复合材料构件孔，获得满意的加工质量。钻削工艺试验表明,控制进给速度对保证制孔质量至关重要。钻削碳纤维复合材料一般选用低的进给速度和高的转速,转速过大会缩短钻头的使用寿命。根据试验结果,选取以下钻削参数为佳:转速1400-2440r/min，给进速度0.02-0.06mm/r。2.长碳纤维/聚丙烯复合材料加工工艺：我国采用国内外通用的电缆包覆式生产工艺惊醒PP树脂包覆CF长丝。此工艺的特点是设备简单，操作连续，质量优异。必须注意的是，由于长碳纤维在连续操作过程中，通过穿丝孔时因受PP树脂返料的阻力作用易断丝，所以在设计模头时，要考虑减少熔融PP树脂因受压进入穿丝孔。我们通过反复试验，设计出如图所示结构较合理的模头。由图可见，由于深入到模腔内部穿丝空前断的锥形结构额模头出料口的倒角，可减少模腔内受压的熔融PP静茹穿丝孔内，这就可以降低碳纤维长丝通过穿丝孔是的阻力，另外，即使有少量熔融PP进入穿丝孔，因穿丝孔内的熔融PP冷却，从而进一步地降低了碳纤维长丝通过穿丝孔时的阻力，另外，还需指出的是，牵引PP包覆CF长条时，速度要适中，使PP能均匀地包覆在CF长丝上，而不至于太厚或太薄。CF/PP复合材料的力学性能拉伸性能和冲击性能是复合材料力学性能中亮相重要的性能指标。为了进行对比，我们分别测定了原PP树脂和CF/PP复合材料的拉伸强度、断裂伸长率和悬梁缺口冲击强度，结果列于下表：结果表明，因CF长丝未经表面处理，所以复合材料的拉伸性能和冲击性能较PP树脂差。CF/PP复合材料的电性能：碳纤维是一种新型的高强度、高模量材料，并具有良好的导电性能，用他混入聚丙烯制成复合型导电塑料，其综合性能好，电导率高，下表给出了PP树脂和CF含量为12%质量百分比的CF/PP复合材料的体积电阻率和表面电阻率：上图结果表明，CF含量为12%的CF/PP复合材料的表面电阻率和体积电阻率较PP树脂的电阻率下降，使PP由绝缘性变为导电材料。结论：1．在CF/PP复合材料的加工过程中，结构合理的基础机模头，是碳纤维上司得意连续被PP树脂包覆而不断的关键。2．未经表面处理的碳纤维长丝与PP树脂组成的复合材料的拉伸强度、伸长率及缺口冲击强度较原PP树脂的相应力学性能有所下降。3．CF含量为12%（质量）的CF/PP复合材料具有明显的导电性。3．复合材料的特种加工工艺由于传统的机械加工难以加工高性能的韧性纤维增强的树脂基复合材料和陶瓷基复合材料，人们便研究开发各种特殊的复合材料加工方法。所谓特种加工,这里指的是非传统的高压水射流(包括磨料水射流)加工、激光加工、超声波加工、电子束加工、电火花加工等。随着研究的不断深人，特种加工方法越来越多地应用于复合材料的加工。本文只介绍前三种加工工艺。高压水射流加工在高压水射流(或统称水射流Waterjet)加工中，由于水射流与工件之间的能量传递效率较低，故只能用于切割较软较薄的复合材料，而且切口坡形度较大,通常用来粗加工。在单纯水射流加工基础上发展了磨料水射流(Abrasive一Waterjet)技术。它是在水流中加人细粒磨料，从而大大改善了射流与工件之间的能量传递，故可用磨料水射流技术来加工各种材料。喷射压力、喷嘴直径、切割速度、材料种类与厚度等都对切割质量有一定影响。美国格鲁曼公司用不同的工艺参数作了大量试验，结果表明,喷嘴直径小，切削精度就高，材料厚度大，需要较大的喷嘴直径。由于硼纤维硬度大、强度高,在水射流的冲击下,纤维不是被切断，而是破碎，故在断开表面有伸出的短纤维头，显示切削质量较差。而凯夫拉纤维由于柔软，切削断面比较光滑。现在,磨料水射流技术已愈来愈广泛地用来加工难以机械加工的材料,并逐渐被视作一种常规的加工技术。为了适应切割各种类型材料和结构件的需要,国外研制了手提式和数控式水射流加工设备,近几年又开发出一种五轴全自动磨料水射流切削装置。激光加工近20多年来，激光加工已在制造业得到较大的发展。它可一次加工成形，适应性强,不存在刀具磨损问题。因此激光材料加工一般比常规加工成本低。以前激光主要用于加工金属、陶瓷、塑料和木基材料，近几年亦成功地用来加工复合材料，主要是切削纤维增强树脂基复合材料，钢塑材料和纤维增强金属基复合材料，也用来钻削复合陶瓷。用激光焊接金属基复合材料亦进行了研究。激光切削的一个特点是切削效率与增强纤维的方向有密切关系。工件对激光束的热响应决定于切削方向。这一效应在碳纤维复合材料中表现得最明显。在该材料中，成分之间的热性能差异很大。用单向碳纤维板进行切削试验表明，当切削方向与纤维垂直时,热损失最大,切削速度最低。用激光加工树脂基复合材料其切削表面出现的某些现象，如基体材料的热分解或纤维脱出，在加工金属或陶瓷材料时是不会出现的，由于纤维的热传导作用，在纤维(尤其是碳纤维)增强的树脂基复合材料切口上都有明显的肉眼可见的热影响区，并趋向于沿纤维排列方向扩展，在切削芳纶/环氧复合材料时，还会产生大量对人体有害的氰化氢气体。超声波加工超声波加工(简称超声加工)是一种新兴的加工方法，超声加工具有许多优点：既能加工导电材料，亦能加工绝缘材料;材料硬度对加工工艺影响不大；可以加工复杂的三维型面，且加工速度与加工简单型面一样快;加工区域不存在热效应区；加工表面的化学性质和电性质不会发生变化。超声加工技术一般用于玻璃、陶瓷及其复合材料的钻孔、铣槽和加工一些不规则型面的器件。超声加工在航空航天领域已应用于陶瓷复合材料涡轮叶片的冷却孔及金属基复合材料涡轮叶片的加工。4．不同加工方法对复合材料性能的影响加工方法对碳/环氧和凯夫拉/环氧复合材料性能的影响北京空间机电研究所用水射流法、激光法和金刚砂刀具进行了加工方法的比较。材料为碳/环氧和凯夫拉/环氧复合材料层板，材料厚度为2mm。根据三种切割试件的切口端面状态和试样力学性能试验结果，得出如下结论。(l)对碳/环氧复合材料层板，采用金刚砂刀具和水射流切割方法,效果甚好；采用激光切割，