碳纤维增强复合材料的加工与技术发展分析

田东奎

摘 要：现如今，为了能够顺应当前我国新时期工业、建筑业的快速发展，技术革新和新材料的应用已经成为了目前我国社会发展的重要因素，同时更是为人类技术文明发展提供了有效保障。在当前社会中，碳纤维增强复合材料也被得到了广泛的应用，促使各个行业都在发生着新的机遇。本文主要针对碳纤维增强复合材料的加工和技术发展进行较为深入的分析，希望能为相关人士提供些许参考。

关键词：碳纤维;复合材料;加工与技术

中图分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）07-0071-02

0 引言

在当前我国社会生产的背景之下，对碳纤维增强复合材料的加工需求正在不断提升，而碳纤维增强复合材料组成成分是在碳和石墨之间，是属于一种耐热性较强和轻质高强度的纤维聚合物，正在广泛的应用于各大行业当中。同时在被应用的过程当中也得到了快速发展，促使针对碳纤维增强复合材料的质量要求也是越来越严格。

1 碳纤维材料的发展形式

碳纤维是属于一种高强度且高模量的材料，若是从理论方面进行分析的话，大部分的有机纤维度可以逐渐的制作成为碳纤维，那么实际用作碳纤维原料的有机纤维主要包含粘胶纤维、沥青纤维以及聚丙烯晴纤维。在最初20世纪60年代的时候就已经出现了碳纤维，被应用于扩张段材料中，后期才被逐渐的应用于其它结构中。从80年代以来，碳纤维发展也发生了较大的改变。

（1）碳纤维的性能正在不断提升，最初70、80年代主要是以3000MPa的碳纤维为主，到90年代的时候使用IM7、IM8纤维强度高达5300MPa，在90年代末T1000纤维强度达到7000MPa，并且已经逐渐的在工程中得到了应用;（2）碳纤维的种类不断增加，将以某一公司作为例子，最初在所能进行生产的碳纤维品种只有4种，后来随着时代的不断发展和进步，促使在后继的几年中，碳纤维种类高达21种类之多。那么由于种类和性能等多个方面的不同，促使碳纤维能够满足于多种需求，从而为碳纤维增强复合材料加工技术和发展奠定了良好基础[1]。

2 碳纤维增强复合材料的切削原理

2.1 纤维取向

纤维取向在碳纤维增强复合材料工件和刀具接触面的相互作用中有着重要影响，所以，这就需要在进行碳纤维增强复合材料加工的时候，能够先进行明确的划分出不同纤维取向，而且在碳纤维增强复合材料切削的过程当中，切屑形成还和纤维取向有着密切的关系。通过相关研究表明，碳纤维增强复合材料工件和刀具接触面的断裂是由刀尖所施加的压力从而产生的现象。那么在当前众多的纤维取向方面中，一共存有3种形式的切削机理，分别是：

（1）纤维的断裂会根据纤维和基体接触面的方向，纤维取向是0°;（2）刀具在进行剪切的过程当中需要完全的垂直于纤维轴，其纤维取向是75°;（3）若是纤维的取向为90°或者是负角度的时候，纤维方向角度30°、60°、90°就是最为关键的方向，会促使大的切削力和集中磨损以及工件等损坏的现象。

2.2 切削热

所谓切削热，主要就是指在进行切削工作的时候，由于工件和切削刀具之间通过相互摩擦从而产生的升温，在有升温导致刀具高温软化或者被分解。在碳纤维增强复合材料加工切削的过程当中，就是属于碳纤维断裂和基本材料去除的过程，而且在加上碳纤维增强复合材料的导热性较差，所以禁止在切削过程当中运用冷却液，促使所产生的切削热，没能进行有效扩散，把热量逐渐转换到切削刀具中，最终导致工件的表面热量不断加大，严重影响符合材料表面成型，在一定层次上降低了复合材料的使用性能和使用寿命[2]。

3 碳纖维增强复合材料的加工技术

以下几点是针对当前我国碳纤维增强复合材料的加工技术方法其途径展开分析，文中主要针对车削加工、铣削加工、钻孔加工以及磨削加工等内容，进行较为深入的分析：

3.1 车削加工

在碳纤维增强复合材料加工的过程当中，车削是属于最为常见和基础的方式，一般都被应用于圆柱表面预定公差的实现，而且适合车削可以一个月的刀具材料包含硬质合金、陶瓷以及聚晶金刚石。在加工工艺的过程当中进刀速率、切深度以及切削速度都会严重影响工件成本的表面质量和刀具的损坏程度。

3.2 铣削加工

铣削是属于针对成品工件再次进行加工的方法，针对工件的要求更加精致和准确，对复杂工件粗加工后的修缮性铣削过程。那么在进行加工的过程当中，端铣刀和碳纤维增强复合材料之间也具有着复杂的相互作用，促使碳纤维增强复合材料工件存有着没切断纤维纱线以及分层等现象。为了能够有效减少这一现象的产生，这就需要针对加工前期给予高度重视，可以通过科学合理的预测切削力和轴分层等现象产生的大小，从而有效控制加工工艺参数。以此来有效减少上述现象的产生。由此可看出，针对铣削加工的技术要求就是需要通过反复的实验纤维取向，轴向和切向进给速度，从而构建出最佳的参数，在进行开展铣削加工[3]。

3.3 钻孔加工

在进行碳纤维增强复合材料钻孔的时候，还存有着材料的离层现象，刀具的严重损耗等相关质量问题，而且通过相关实验可得出，创设切削参数和钻头的几何形态会针对上述问题产生严重影响。可以把大部分的损伤区最大直径和孔径比率称之为损伤因子，同时也是表示分层现象的程度，当分层因子越大的时候，则分层问题就是越严重。并且还能够在实验的过程当中得出，推力和分层现象之间有着联系，其推销力的大小可以通过分层程度进行表示。

3.4 磨削加工

磨削加工方式一般都是运用在船舶的制造当中，航天工业领域针对碳纤维增强复合材料的工件质量要求较高，工件的精度和质量都需要能够在高质量的加工方式下开展，而磨削加工的施工工艺正是符合当前制造业的需求。磨削加工碳纤维增强复合材料相比较金属更为困难和复杂，而且根据相关的研究现象可看出，已经设计了一种杯形砂轮，并且在杯形砂轮的内部给予冷却液针对碳纤维增强复合材料开始磨削加工。最终的结果显示，其内部冷却液磨削方式在进行加工的过程当中，依附在砂轮的基本树脂较少，在砂轮当中的磨粒更能有效的进行磨削纤维，确保材料的层面上不会出现毛刺等现象。

3.5 超声振动的加工技术

现如今所存有的超声振动加工技术是在传统机械加工中刀具和工件相同进行运动的基础上构建而来，而且还是属于针对刀具和工件施工超声振动，从而获取到有效的复合型加工方式。当前超声振动的加工技术以及在实际工作当中有效提升了表面质量，并且还降低了表面粗糙度和切削温度，降低了裂纹现象的产生，为碳纤维增强复合材料的加工和技术发展提供了有效途径。随着超声振动加工技术的逐渐应用，在原有基础上有效整改了材料的去除机理，减少了工具和工件之间的摩擦力和作用时间，在一定层次上有效提升了材料去除率，提升加工精度和质量[4]。

4 结语

综上所述，本文主要针对碳纤维增强复合材料的几种加工技术展开了较为深入的分析，并且还在其中阐述了每一项加工工艺以及适合使用的条件等，从而为当前选择适合的加工技术提供些许参考，促使在未来发展过程当中，碳纤维增强复合材料能够在更多的领域中得到应用，充分发挥出其功能，进一步促进先进技术的快速发展。

参考文献

[1] 张春伟.碳纤维增强复合材料加工技术研究进展[J].化工设计通讯，2017（1）：49-50.

[2] 刘树良，陈涛，魏宇祥，等.碳纤维增强复合材料加工技术研究进展[J].航空制造技术，2015（14）：81-86.

[3] 宁蒙川.纤维增强复合材料的机械加工技术研究[J].科技创新导报，2017（13）：71-72.

[4] 苏飞.碳纤维增强复合材料切削加工技术及其应用研究[D].南京理工大学，2015.