碳纤维复合材料的应用和机械加工.docVIP

材料 碳纤维复合材料的应用与加工 1 应用领域 目前，碳纤维广泛用于民用，军用，工业，航天以及超级跑车领域。 图 碳纤维复合材料不同领域所占比例 国外将碳纤维复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能。 由于碳纤维增强复合材料不但是轻质高强的结构材料，还具有隐身的重要功能，能有效地吸收雷达波，美国已用来制造必威体育精装版型的隐形轰炸机。美国的P-22 超音速飞机的主要结构就是采用了中等模量的碳纤维增强的特种工程塑料。幻影III战斗机的减速降落伞盖和弹射的弹射装置也由这种材料制成。碳纤维已成功地用于飞机的肋条、蒙皮及一些连接件、紧固件等雷达波的吸收件。战斧式巡航导弹壳体、B-2隐型轰炸机的机身基材，F117A隐型飞机的局部也都采用了碳纤维改性的高分子吸波材料。 图 美国B-2隐身轰炸机（机身基材） 图 幻影III战斗机 （减速降落伞盖和弹射装置） 图 美F117A隐身轰炸机（肋条及蒙皮等） 英国ICI公司用碳纤维复合材料生产战斗机上的阀门，使飞机阀门在很宽的温度范围内与燃料长期接触也能保持其性能和形状的稳定；其它国家的飞机F/A-18、 RAH-66、A330 / A340、B77、Y-22上面也都采用了这种材质来制造机翼、蒙皮、主承力结构、中央冀盒、地板、尾冀、设备箱体及结构件。 在民用领域，飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强材料(CFRP)。这些部件包括：减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。 2 加工特点 碳纤维复合材料一般以叠合制成多层板使用，通常有两种复合形式，一种是碳纤维在基体中呈同向排列，即每层的纤维方向相同，通常称这种复合材料为单向纤维复合材料；一种是各层纤维方向呈不同角度，通常称为多向纤维复合材料。 图 碳纤维多向复合材料的一种铺层方式 碳纤维复合材料是一种难切削加工材料，它的脆性大、硬度高，加工时容易出现分层、撕裂、毛刺等问题。碳纤维复合材料是由质软而粘性大的基体和强度高、硬度大的纤维混合而成的二相或多相结构，其力学性能呈各向异性，机械加工条件比较恶劣，碳纤维复合材料切削加工的主要特点如下： (1)材料产生分层破坏。分层是复合材料铺层之间脱胶而形成的一种破坏现象，当切削参数不合理时会使层间受力过大而导致分层，分层会严重降低材料的性能甚至使零件报废，即使是微小的分层也是非常严重的安全隐患。 (2)刀具磨损严重，耐用度低。切削区温度高且集中于刀具切削刃附近很窄区域内，纤维的回弹及粉术状的切屑又加重了擦伤刃口和后刀面，加之碳纤维的硬度非常高，故刀具磨损严重，后刀面产生沟状磨损，耐用度低。 (3)产生残余应力。表面的尺寸精度和表面粗糙度不易达到要求，容易产生残余应力。这主要是因为切削温度较高，增强纤维和基体树脂的热膨胀系数相差太大。由于复合材料呈现各向异性，层间强度低，切削时在切削力的作用下容易产生分层、撕裂等缺陷，钻孔时尤为严重，加工质量难以保证。据统计，飞机在最后组装时，钻孔不合格率要占全部复合材料构件报废率的60％以上。 (4)切削温度高。碳纤维复合材料切屑形成过程是一个基体破坏和纤维断裂相互交织的复杂过程，在此过程中，碳纤维作为切削硬质点连续磨耗刀具，因碳纤维断裂和基体剪切，以及切屑与前刀面、后刀面与已加工表面之间的摩擦而产生大量的切削热，加之碳纤维复合材料导热性差等原因，切削热主要传向刀具和工件，导致刀具的快速磨损。 3 主要加工方法 碳纤维复合材料构件在制作时一次成形一般只能做到比较规整的形状，并不能实现所有的设计特征，这就需要进行大量的二次机械加工来完成剩余的设计特征。对于碳纤维复合材料壳体其主要的二次机械加工包括孔加工、特殊形状切割加工、盲槽加工、表面打磨加工。 碳纤维复合材料的二次加工方法主要有传统的机械加工和特种加工两种，目前传统的机械加工方法仍是复合材料加工的主要手段，但在切削加工过程中遇到越来越多的问题，如刀具快速磨损、钻孔分层等。实践证明，由于碳纤维复合材料的性质与金属不同，因此在碳纤维复合材料的加工中不能简单地沿用金属材料的加工刀具和工艺，而在众多的研究中主要集中在碳纤维复合材料钻削制孔方向，这是碳纤维复合材料的关键加工工艺之一。 碳纤维复合材料钻孔加工特性主要表现在：（1）碳纤维复合材料层间强度低，在钻孔过程中，如果复合材料构件所受的钻削轴向力过大，导致层间应力过大，超过其基体树脂的强度就会引起分层等缺陷；（2）碳纤维复合材料属于各向异性材料，其纤维铺层方向对制孔有较大影响，特别是单向板制孔时，钻孔处的应力集中较大，极易引起劈裂等缺陷；（3）