復合材料加工工藝綜述

1、復合材料加工工藝綜述前言：復合材料（Compositematerials）,是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質細粒等。復合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。

2、20世紀40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現(xiàn)了復合材料這一名稱。50年代以后，陸續(xù)發(fā)展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現(xiàn)了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合，構成各具特色的復合材料。復合材料是一種混合物。在很多領域都發(fā)揮了很大的作用，代替了很多傳統(tǒng)的材料。復合材料按其組成分為金屬與金屬復合材料、非金屬與金屬復合材料、非金屬與非金屬復合材料。按其結構特點又分為：纖維復合材料。將各種纖維增強體置于基體材料內復合而成。如纖維增強塑料、纖維增強金屬等。夾層復

3、合材料。由性質不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強度高、薄；芯材質輕、強度低，但具有一定剛度和厚度。分為實心夾層和蜂窩夾層兩種。細粒復合材料。將硬質細粒均勻分布于基體中，如彌散強化合金、金屬陶瓷等?；祀s復合材料。由兩種或兩種以上增強相材料混雜于一種基體相材料中構成。與普通單增強相復合材料比，其沖擊強度、疲勞強度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。分為層內混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內層間混雜和超混雜復合材料。60年代，為滿足航空航天等尖端技術所用材料的需要，先后研制和生產了以高性能纖維（如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等）為增強材料的復合材料，其比強度大于4x106厘米（cm

4、），比模量大于4x108cmo為了與第一代玻璃纖維增強樹脂復合材料相區(qū)別，將這種復合材料稱為先進復合材料。按基體材料不同，先進復合材料分為樹脂基、金屬基和陶瓷基復合材料。其使用溫度分別達250350C、3501200C和1200C以上。先進復合材料除作為結構材料外，還可用作功能材料，如梯度復合材料（材料的化學和結晶學組成、結構、空隙等在空間連續(xù)梯變的功能復合材料）、機敏復合材料（具有感覺、處理和執(zhí)行功能，能適應環(huán)境變化的功能復合材料）、仿生復合材料、隱身復合材料等。復合材料的成型方法按基體材料不同各異。樹脂基復合材料的成型方法較多，有手糊成型、噴射成型、纖維纏繞成型、模壓成型、拉擠成型、RTM

5、成型、熱壓罐成型、隔膜成型、遷移成型、反應注射成型、軟膜膨脹成型、沖壓成型等。金屬基復合材料成型方法分為固相成型法和液相成型法。前者是在低于基體熔點溫度下，通過施加壓力實現(xiàn)成型，包括擴散焊接、粉末冶金、熱軋、熱拔、熱等靜壓和爆炸焊接等。后者是將基體熔化后，充填到增強體材料中，包括傳統(tǒng)鑄造、真空吸鑄、真空反壓鑄造、擠壓鑄造及噴鑄等、陶瓷基復合材料的成型方法主要有固相燒結、化學氣相浸滲成型、化學氣相沉積成型等。正文：1復合材料常用的機加工工藝：凱夫拉纖維復合材料的加工工藝：復合材料在應用過程中常常需要進行機械加工，復合材料的常規(guī)機械加工包括切割、鉆削、車削、銑削等。經(jīng)常遇到的是切割和鉆削（制孔）。

6、其中孔加工是復合材料加工的難點之一。這里介紹的機加工藝主要針對凱夫拉/環(huán)氧和碳纖維/環(huán)氧復合材料。凱夫拉復合材料的機械加工異常困難。原因是凱夫拉纖維韌性高,對基體樹脂粘結性差,剪切強度低所致。用硬質合金薄片和金剛砂涂層鋸切割凱夫拉復合材料易起毛、翻邊,加工效率低。凱夫拉復合材料制孔用鉆頭的好壞決定于它能否迅速切斷孔周邊的凱夫拉纖維。試驗和應用表明,用三尖兩刃鉆頭和雙刃定心鉆頭制孔,可獲得較滿意的加工質量。三尖兩刃鉆頭是用Y300硬質合金（鎢-鉆合金）麻花鉆修磨刃口而成,具有兩個鋒利的外刃尖和一個起定心作用的中心點。為了獲得兩個關鍵的外尖，主刃磨成圓弧形。鉆孔時中心尖先切人復合材料定位中心,然后

7、依靠兩鋒利外刃尖在復合材料上劃圓進行切削,并迅速沿孔邊切斷纖維,從而得到無毛邊的孔。鉆頭的技術數(shù)據(jù)如下：hW0.5mm,2t=90-100,b中W0.5mm,Yt0,=40-50,a10。雙刃定心鉆頭適于加工大孔(直徑大于12mm),這種鉆頭結構簡單，容易制造。兩個鋒利的刃尖由外圓周與兩個對稱的斜面相切而成，中間的導向柱在鉆孔時起定心作用。加工時先利用三尖兩刃鉆在凱夫拉復合材料上鉆一小孔,然后將雙刃定心鉆頭的導向柱伸人孔內，利用兩外刃尖沿孔周迅速將纖維切斷，鉆出無毛邊的大孔。為防止分層，第一次鉆進時先不鉆透，鉆人約一半后將鉆取出,然后將鉆頭伸人背面，再鉆通另一半。圖1三尖兩刃鉆頭對鋪層為0/9

8、0/45，厚度為2mm的凱夫拉復合材料層板，在不使用冷卻液的情況下，采用下述工藝參數(shù)為好：對4.84mm的三尖兩刃整體鉆頭，適宜的鉆削速v=62-228mm/min,以v=100mm/min左右最好。對12-20mm的大孔，適宜的鉆削速度為25-90mm/min.進給量取較小值為宜。碳纖維復合材料的加工工藝碳纖維材料硬度高，必須選用硬質合金刀具材料，航空部門在參考國外硬質合金選材基礎上經(jīng)試驗認為用鎢一鉆硬質合金是比較合適的。因為這類硬質合金有較高的抗彎強度和韌性，可以減少切削時崩刀，同時磨削加工性好，適于磨出鋒利的刃口。目前材質為Y300的3-8mm的整體式磨花鉆頭、惚窩鉆、絞刀，可滿足碳纖維

9、復合材料構件的制孔要求。這種鉆頭的頂角在100-120之間,一次刃磨，鉆孔數(shù)可達100個孔以上。后角對鉆削性能有較大影響，其角度以15-25為好。我國已研制出幾種人造金剛石大直徑套料鉆和人造金剛石磨輪，用于加工8mm以上的復合材料構件孔，獲得滿意的加工質量。鉆削工藝試驗表明，控制進給速度對保證制孔質量至關重要。鉆削碳纖維復合材料一般選用低的進給速度和高的轉速，轉速過大會縮短鉆頭的使用壽命。根據(jù)試驗結果，選取以下鉆削參數(shù)為佳：轉速1400-2440r/min，給進速度0.02-0.06mm/r。長碳纖維/聚丙烯復合材料加工工藝：CF匿繪一匱彌一蒔麗廡禹一障引切囲t卩卩樹脂包覆CF粒斜亠|二狀造粒

10、工刁莎凍唾料我國采用國內外通用的電纜包覆式生產工藝驚醒PP樹脂包覆CF長絲。此工藝的特點是設備簡單，操作連續(xù)，質量優(yōu)異。必須注意的是，由于長碳纖維在連續(xù)操作過程中，通過穿絲孔時因受PP樹脂返料的阻力作用易斷絲，所以在設計模頭時，要考慮減少熔融PP樹脂因受壓進入穿絲孔。我們通過反復試驗，設計出如圖所示結構較合理的模頭。囲丄用于PP旬覆CF校絲擠岀機上的模頭】一加熱套皿一棋腔*3一穿絲乳*肯禪口由圖可見，由于深入到模腔內部穿絲空前斷的錐形結構額模頭出料口的倒角，可減少模腔內受壓的熔融PP靜茹穿絲孔內，這就可以降低碳纖維長絲通過穿絲孔是的阻力，另外，即使有少量熔融PP進入穿絲孔，因穿絲孔內的熔融PP

11、冷卻,從而進一步地降低了碳纖維長絲通過穿絲孔時的阻力，另外，還需指出的是，牽引PP包覆CF長條時，速度要適中，使PP能均勻地包覆在CF長絲上，而不至于太厚或太薄。CF/PP復合材料的力學性能拉伸性能和沖擊性能是復合材料力學性能中亮相重要的性能指標。為了進行對比，我們分別測定了原PP樹脂和CF/PP復合材料的拉伸強度、斷裂伸長率和懸梁缺口沖擊強度，結果列于下表：結果表明，因CF長絲未經(jīng)表面處理，所以復合材料的拉伸性能和沖擊性能較PP樹脂差。CF/PP復合材料的電性能：碳纖維是一種新型的高強度、高模量材料，并具有良好的導電性能，用他混入聚丙烯制成復合型導電塑料，其綜合性能好，電導率高，下表給出了P

12、P樹脂和CF含量為12%質量百分比的CF/PP復合材料的體積電阻率和表面電阻率:表2PPHS9和cf/pp復臺材料的叭風樣品懇PP期脂JhOXIO1I.7X10hTpflXlO*上圖結果表明，CF含量為12%的CF/PP復合材料的表面電阻率和體積電阻率較PP樹脂的電阻率下降，使PP由絕緣性變?yōu)閷щ姴牧?。結論：在CF/PP復合材料的加工過程中，結構合理的基礎機模頭，是碳纖維上司得意連續(xù)被PP樹脂包覆而不斷的關鍵。未經(jīng)表面處理的碳纖維長絲與PP樹脂組成的復合材料的拉伸強度、伸長率及缺口沖擊強度較原PP樹脂的相應力學性能有所下降。CF含量為12%（質量）的CF/PP復合材料具有明顯的導電性。3復合材

13、料的特種加工工藝由于傳統(tǒng)的機械加工難以加工高性能的韌性纖維增強的樹脂基復合材料和陶瓷基復合材料,人們便研究開發(fā)各種特殊的復合材料加工方法所謂特種加工,這里指的是非傳統(tǒng)的高壓水射流（包括磨料水射流）加工、激光加工、超聲波加工、電子束加工、電火花加工等。隨著研究的不斷深人，特種加工方法越來越多地應用于復合材料的加工。本文只介紹前三種加工工藝。高壓水射流加工在高壓水射流（或統(tǒng)稱水射流Waterjet）加工中，由于水射流與工件之間的能量傳遞效率較低，故只能用于切割較軟較薄的復合材料，而且切口坡形度較大,通常用來粗加工。在單純水射流加工基礎上發(fā)展了磨料水射流（Abrasive一Waterjet）技術。它

14、是在水流中加人細粒磨料，從而大大改善了射流與工件之間的能量傳遞，故可用磨料水射流技術來加工各種材料。噴射壓力、噴嘴直徑、切割速度、材料種類與厚度等都對切割質量有一定影響。美國格魯曼公司用不同的工藝參數(shù)作了大量試驗，結果表明,噴嘴直徑小,切削精度就高，材料厚度大，需要較大的噴嘴直徑。由于硼纖維硬度大、強度高,在水射流的沖擊下,纖維不是被切斷，而是破碎，故在斷開表面有伸出的短纖維頭，顯示切削質量較差。而凱夫拉纖維由于柔軟，切削斷面比較光滑?，F(xiàn)在,磨料水射流技術已愈來愈廣泛地用來加工難以機械加工的材料,并逐漸被視作一種常規(guī)的加工技術。為了適應切割各種類型材料和結構件的需要,國外研制了手提式和數(shù)控式水

15、射流加工設備,近幾年又開發(fā)出一種五軸全自動磨料水射流切削裝置。激光加工近20多年來，激光加工已在制造業(yè)得到較大的發(fā)展。它可一次加工成形，適應性強,不存在刀具磨損問題。因此激光材料加工一般比常規(guī)加工成本低。以前激光主要用于加工金屬、陶瓷、塑料和木基材料，近幾年亦成功地用來加工復合材料，主要是切削纖維增強樹脂基復合材料，鋼塑材料和纖維增強金屬基復合材料，也用來鉆削復合陶瓷。用激光焊接金屬基復合材料亦進行了研究。激光切削的一個特點是切削效率與增強纖維的方向有密切關系。工件對激光束的熱響應決定于切削方向。這一效應在碳纖維復合材料中表現(xiàn)得最明顯。在該材料中，成分之間的熱性能差異很大。用單向碳纖維板進行切

16、削試驗表明，當切削方向與纖維垂直時,熱損失最大,切削速度最低。用激光加工樹脂基復合材料其切削表面出現(xiàn)的某些現(xiàn)象，如基體材料的熱分解或纖維脫出，在加工金屬或陶瓷材料時是不會出現(xiàn)的，由于纖維的熱傳導作用，在纖維（尤其是碳纖維）增強的樹脂基復合材料切口上都有明顯的肉眼可見的熱影響區(qū)，并趨向于沿纖維排列方向擴展，在切削芳綸/環(huán)氧復合材料時，還會產生大量對人體有害的氰化氫氣體。超聲波加工超聲波加工（簡稱超聲加工）是一種新興的加工方法，超聲加工具有許多優(yōu)點：既能加工導電材料，亦能加工絕緣材料;材料硬度對加工工藝影響不大；可以加工復雜的三維型面，且加工速度與加工簡單型面一樣快;加工區(qū)域不存在熱效應區(qū)；加工表

17、面的化學性質和電性質不會發(fā)生變化。超聲加工技術一般用于玻璃、陶瓷及其復合材料的鉆孔、銑槽和加工一些不規(guī)則型面的器件。超聲加工在航空航天領域已應用于陶瓷復合材料渦輪葉片的冷卻孔及金屬基復合材料渦輪葉片的加工。4不同加工方法對復合材料性能的影響加工方法對碳/環(huán)氧和凱夫拉/環(huán)氧復合材料性能的影響北京空間機電研究所用水射流法、激光法和金剛砂刀具進行了加工方法的比較。材料為碳/環(huán)氧和凱夫拉/環(huán)氧復合材料層板，材料厚度為2mm。根據(jù)三種切割試件的切口端面狀態(tài)和試樣力學性能試驗結果，得出如下結論。對碳/環(huán)氧復合材料層板，采用金剛砂刀具和水射流切割方法，效果甚好；采用激光切割，切口有炭化現(xiàn)象，引起材料性能變性

18、，效果欠佳。對凱夫拉/環(huán)氧復合材料層板，用激光切割和水射流切割效果均好。用金剛砂刀具切割凱夫拉/環(huán)氧復合材料層板，切口有大量外露纖維，切割效果差。為了解決復合材料制孔時粉塵的污染，同時對制孔過程進行監(jiān)控，國外正致力于研究開發(fā)機器人鉆孔技術。美國通用動力公司在F一16飛機復合材料垂直尾翼的制孔工作中，采用機器人，每日可鉆削兩塊蒙皮，每塊蒙皮上要鉆五種不同直徑的孔眼550個，加工效率比手工鉆孔提高3倍，且鉆出孔的質量好。加工方法對超高模聚乙烯纖維復合材料性能的影響航天材料及工藝研究所用磨料水射流切割、硬質合金刀片切割和普通機械鋸切割等加工方法對超高模聚乙烯(UHMPE)纖維增強環(huán)氧復合材料的外觀和

19、力學性能(彎曲、層間剪切和斷裂性能)的影響進行了研究。試件材料所用的UHMPE纖維為S1000型,鋪層方式為編織布，板材名義厚度為t=6.5mm，纖維含量Vf=80%。試驗結果表明,用一般機械加工方法加工,試樣的抗彎和剪切性能比用磨料水射流法加工的要低25%,薄刀片慢加工方法對抗彎性能影響比磨料水射流加工法劣化在10%范圍內。說明采用磨料水射流切割加工的試樣各項性能較好,采用硬質合金刀片加工,各項性能次于磨料水射流加工,而優(yōu)于鋸機械加工。5.木塑復合材料加工工藝：木塑復合材料兼有木材和塑料的雙重特性，它有著天然木材的外觀，同時，它防腐、不易變形、機械性能好，具有堅硬、持久、耐磨等優(yōu)點。一般來說

20、，木塑復合材料的硬度較未處理的木材高2-8倍，耐磨性高4-5倍，甚至比大理石還高，而各種添加劑的應用，又賦予它許多特殊的性能。此外，它還是一種環(huán)保材料，可回收重復使用，且原料廉價豐富，它在減少環(huán)境污染、保護森林資源、促進經(jīng)濟發(fā)展方面都有良好的效益，因而它受到了眾多研究者的關注。目前其工業(yè)化生產中所采用的主要成型方法有：擠出成型、注射成型和熱壓成型。由于擠出成型加工周期短、效率高、成型工藝簡單，它在工業(yè)化生產中與其它加工方法相比有著更廣泛的應用。木塑復合材料的擠出成型可分為一步法和多步法。一步法是木塑復合材料的配混、脫揮及制品擠出在一個設備或一組設備內連續(xù)完成。多步法是木塑復合材料的配混、脫揮和

21、制品擠出在不同設備中完成，可以先將原料配混制成中間木塑粒料，然后再擠出加工成制品。實際加工過程中一步法常常由于木粉含水量高和制品結構復雜而受到限制，目前國內外工業(yè)化生產所采用的主要是多步法。從固體輸送理論公式和粘性流體輸送理論公式中，可知轉速與生產能力成正比。因此，提高轉速可以有效地增加生產能力，但木塑復合材料擠出加工過程中螺桿轉速的增加受到許多限制。比如對于PVC木粉復合材料，PVC和木粉都是熱敏性的，過高的螺桿轉速會導致物料的降解和糊化；同時，螺桿轉速還影響著物料的停留時間和擠出壓力。只有在滿足物料的擠出溫度、剪切強度、混合質量及擠出機功率限制的前提下，才能最大限度地提高轉速以提高生產率。

22、木塑復合材料擠出加工過程中，擠出機的溫度和壓力控制也十分重要。若擠出溫度過高，物料易降解，同時過高的溫度使熔體的粘度較低，擠出壓力不足，造成制品表面粗糙，強度差，影響擠出質量。而溫度過低使得塑料塑化不良，不能充分包裹木粉，也會使制品的強度受到影響。同時，熔體破裂對口模溫度比較敏感，過高與過低的口模溫度都會造成熔體破裂。適當?shù)亟档蛿D出機的溫度，提高機頭壓力，降低螺桿轉速，可以有效地改善木塑復合體系擠出加工性能。實際加工過程中各段溫度設置如下：I段：150-170C；II段：160-190C；III段：170-190C；W段:180-195C；機頭口模段：180-205C。各段的溫度應盡可能穩(wěn)定，

23、且總的停留時間少于15min。由于加入的木質纖維大部分為粉料，而木粉結構蓬松不易對擠出機螺桿喂料，同時塑料基體與填充料之間并不能形成理想的混合體并均勻一致地加入到擠出機中，所以加料過程中常常會出現(xiàn)“架橋”和“抱桿”現(xiàn)象。特別是木粉中含有較多的水分時，這一現(xiàn)象就更為明顯。加料的不穩(wěn)定不僅直接導致擠出產量低，還會使得擠出波動，造成擠出質量降低。同時由于加料中斷，物料在機筒內停留時間延長導致物料燒焦變色，影響制品的內在質量和外觀。因此必須對加料方式和加料量作嚴格的控制，一般采用強制加料裝置以及饑餓喂料，以保證擠出的穩(wěn)定。因為木粉中含有大量的小分子揮發(fā)物質和水分，且它們極易為制品帶來缺陷，而前處理又無法完全清除它們。所以木塑復合材