碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工與技術(shù)發(fā)展分析

田東奎

摘 要：現(xiàn)如今，為了能夠順應(yīng)當(dāng)前我國新時(shí)期工業(yè)、建筑業(yè)的快速發(fā)展，技術(shù)革新和新材料的應(yīng)用已經(jīng)成為了目前我國社會(huì)發(fā)展的重要因素，同時(shí)更是為人類技術(shù)文明發(fā)展提供了有效保障。在當(dāng)前社會(huì)中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也被得到了廣泛的應(yīng)用，促使各個(gè)行業(yè)都在發(fā)生著新的機(jī)遇。本文主要針對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工和技術(shù)發(fā)展進(jìn)行較為深入的分析，希望能為相關(guān)人士提供些許參考。

關(guān)鍵詞：碳纖維;復(fù)合材料;加工與技術(shù)

中圖分類號(hào)：TB33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）07-0071-02

0 引言

在當(dāng)前我國社會(huì)生產(chǎn)的背景之下，對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工需求正在不斷提升，而碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料組成成分是在碳和石墨之間，是屬于一種耐熱性較強(qiáng)和輕質(zhì)高強(qiáng)度的纖維聚合物，正在廣泛的應(yīng)用于各大行業(yè)當(dāng)中。同時(shí)在被應(yīng)用的過程當(dāng)中也得到了快速發(fā)展，促使針對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的質(zhì)量要求也是越來越嚴(yán)格。

1 碳纖維材料的發(fā)展形式

碳纖維是屬于一種高強(qiáng)度且高模量的材料，若是從理論方面進(jìn)行分析的話，大部分的有機(jī)纖維度可以逐漸的制作成為碳纖維，那么實(shí)際用作碳纖維原料的有機(jī)纖維主要包含粘膠纖維、瀝青纖維以及聚丙烯晴纖維。在最初20世紀(jì)60年代的時(shí)候就已經(jīng)出現(xiàn)了碳纖維，被應(yīng)用于擴(kuò)張段材料中，后期才被逐漸的應(yīng)用于其它結(jié)構(gòu)中。從80年代以來，碳纖維發(fā)展也發(fā)生了較大的改變。

（1）碳纖維的性能正在不斷提升，最初70、80年代主要是以3000MPa的碳纖維為主，到90年代的時(shí)候使用IM7、IM8纖維強(qiáng)度高達(dá)5300MPa，在90年代末T1000纖維強(qiáng)度達(dá)到7000MPa，并且已經(jīng)逐漸的在工程中得到了應(yīng)用;（2）碳纖維的種類不斷增加，將以某一公司作為例子，最初在所能進(jìn)行生產(chǎn)的碳纖維品種只有4種，后來隨著時(shí)代的不斷發(fā)展和進(jìn)步，促使在后繼的幾年中，碳纖維種類高達(dá)21種類之多。那么由于種類和性能等多個(gè)方面的不同，促使碳纖維能夠滿足于多種需求，從而為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工技術(shù)和發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)[1]。

2 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的切削原理

2.1 纖維取向

纖維取向在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工件和刀具接觸面的相互作用中有著重要影響，所以，這就需要在進(jìn)行碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工的時(shí)候，能夠先進(jìn)行明確的劃分出不同纖維取向，而且在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料切削的過程當(dāng)中，切屑形成還和纖維取向有著密切的關(guān)系。通過相關(guān)研究表明，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工件和刀具接觸面的斷裂是由刀尖所施加的壓力從而產(chǎn)生的現(xiàn)象。那么在當(dāng)前眾多的纖維取向方面中，一共存有3種形式的切削機(jī)理，分別是：

（1）纖維的斷裂會(huì)根據(jù)纖維和基體接觸面的方向，纖維取向是0°;（2）刀具在進(jìn)行剪切的過程當(dāng)中需要完全的垂直于纖維軸，其纖維取向是75°;（3）若是纖維的取向?yàn)?0°或者是負(fù)角度的時(shí)候，纖維方向角度30°、60°、90°就是最為關(guān)鍵的方向，會(huì)促使大的切削力和集中磨損以及工件等損壞的現(xiàn)象。

2.2 切削熱

所謂切削熱，主要就是指在進(jìn)行切削工作的時(shí)候，由于工件和切削刀具之間通過相互摩擦從而產(chǎn)生的升溫，在有升溫導(dǎo)致刀具高溫軟化或者被分解。在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工切削的過程當(dāng)中，就是屬于碳纖維斷裂和基本材料去除的過程，而且在加上碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性較差，所以禁止在切削過程當(dāng)中運(yùn)用冷卻液，促使所產(chǎn)生的切削熱，沒能進(jìn)行有效擴(kuò)散，把熱量逐漸轉(zhuǎn)換到切削刀具中，最終導(dǎo)致工件的表面熱量不斷加大，嚴(yán)重影響符合材料表面成型，在一定層次上降低了復(fù)合材料的使用性能和使用壽命[2]。

3 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工技術(shù)

以下幾點(diǎn)是針對(duì)當(dāng)前我國碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工技術(shù)方法其途徑展開分析，文中主要針對(duì)車削加工、銑削加工、鉆孔加工以及磨削加工等內(nèi)容，進(jìn)行較為深入的分析：

3.1 車削加工

在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工的過程當(dāng)中，車削是屬于最為常見和基礎(chǔ)的方式，一般都被應(yīng)用于圓柱表面預(yù)定公差的實(shí)現(xiàn)，而且適合車削可以一個(gè)月的刀具材料包含硬質(zhì)合金、陶瓷以及聚晶金剛石。在加工工藝的過程當(dāng)中進(jìn)刀速率、切深度以及切削速度都會(huì)嚴(yán)重影響工件成本的表面質(zhì)量和刀具的損壞程度。

3.2 銑削加工

銑削是屬于針對(duì)成品工件再次進(jìn)行加工的方法，針對(duì)工件的要求更加精致和準(zhǔn)確，對(duì)復(fù)雜工件粗加工后的修繕性銑削過程。那么在進(jìn)行加工的過程當(dāng)中，端銑刀和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料之間也具有著復(fù)雜的相互作用，促使碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工件存有著沒切斷纖維紗線以及分層等現(xiàn)象。為了能夠有效減少這一現(xiàn)象的產(chǎn)生，這就需要針對(duì)加工前期給予高度重視，可以通過科學(xué)合理的預(yù)測(cè)切削力和軸分層等現(xiàn)象產(chǎn)生的大小，從而有效控制加工工藝參數(shù)。以此來有效減少上述現(xiàn)象的產(chǎn)生。由此可看出，針對(duì)銑削加工的技術(shù)要求就是需要通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)纖維取向，軸向和切向進(jìn)給速度，從而構(gòu)建出最佳的參數(shù)，在進(jìn)行開展銑削加工[3]。

3.3 鉆孔加工

在進(jìn)行碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆孔的時(shí)候，還存有著材料的離層現(xiàn)象，刀具的嚴(yán)重?fù)p耗等相關(guān)質(zhì)量問題，而且通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)可得出，創(chuàng)設(shè)切削參數(shù)和鉆頭的幾何形態(tài)會(huì)針對(duì)上述問題產(chǎn)生嚴(yán)重影響。可以把大部分的損傷區(qū)最大直徑和孔徑比率稱之為損傷因子，同時(shí)也是表示分層現(xiàn)象的程度，當(dāng)分層因子越大的時(shí)候，則分層問題就是越嚴(yán)重。并且還能夠在實(shí)驗(yàn)的過程當(dāng)中得出，推力和分層現(xiàn)象之間有著聯(lián)系，其推銷力的大小可以通過分層程度進(jìn)行表示。

3.4 磨削加工

磨削加工方式一般都是運(yùn)用在船舶的制造當(dāng)中，航天工業(yè)領(lǐng)域針對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的工件質(zhì)量要求較高，工件的精度和質(zhì)量都需要能夠在高質(zhì)量的加工方式下開展，而磨削加工的施工工藝正是符合當(dāng)前制造業(yè)的需求。磨削加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比較金屬更為困難和復(fù)雜，而且根據(jù)相關(guān)的研究現(xiàn)象可看出，已經(jīng)設(shè)計(jì)了一種杯形砂輪，并且在杯形砂輪的內(nèi)部給予冷卻液針對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料開始磨削加工。最終的結(jié)果顯示，其內(nèi)部冷卻液磨削方式在進(jìn)行加工的過程當(dāng)中，依附在砂輪的基本樹脂較少，在砂輪當(dāng)中的磨粒更能有效的進(jìn)行磨削纖維，確保材料的層面上不會(huì)出現(xiàn)毛刺等現(xiàn)象。

3.5 超聲振動(dòng)的加工技術(shù)

現(xiàn)如今所存有的超聲振動(dòng)加工技術(shù)是在傳統(tǒng)機(jī)械加工中刀具和工件相同進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建而來，而且還是屬于針對(duì)刀具和工件施工超聲振動(dòng)，從而獲取到有效的復(fù)合型加工方式。當(dāng)前超聲振動(dòng)的加工技術(shù)以及在實(shí)際工作當(dāng)中有效提升了表面質(zhì)量，并且還降低了表面粗糙度和切削溫度，降低了裂紋現(xiàn)象的產(chǎn)生，為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工和技術(shù)發(fā)展提供了有效途徑。隨著超聲振動(dòng)加工技術(shù)的逐漸應(yīng)用，在原有基礎(chǔ)上有效整改了材料的去除機(jī)理，減少了工具和工件之間的摩擦力和作用時(shí)間，在一定層次上有效提升了材料去除率，提升加工精度和質(zhì)量[4]。

4 結(jié)語

綜上所述，本文主要針對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的幾種加工技術(shù)展開了較為深入的分析，并且還在其中闡述了每一項(xiàng)加工工藝以及適合使用的條件等，從而為當(dāng)前選擇適合的加工技術(shù)提供些許參考，促使在未來發(fā)展過程當(dāng)中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料能夠在更多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，充分發(fā)揮出其功能，進(jìn)一步促進(jìn)先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 張春偉.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2017（1）：49-50.

[2] 劉樹良，陳濤，魏宇祥，等.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工技術(shù)研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2015（14）：81-86.

[3] 寧蒙川.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械加工技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2017（13）：71-72.

[4] 蘇飛.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料切削加工技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].南京理工大學(xué)，2015.