纤维方向对碳纤维复合材料加工性能的影响

霍秀兵 徐强 王赵阳 王宁

摘  要：近年来，经济和技术的发展使得人们的生活水平得到了很大的提升，高强度、韧性好、耐低温、轻质的碳纤维复合材料在交通、建筑、化工、电气以及航空等很多领域显现出了重要的地位，由于碳纤维复合材料各向异性的性能，其纤维方向是影响其加工工艺的重要因素，本文介绍了碳纤维复合材料及其具有的广阔发展空间，以纤维方向为研究对象，通过从切削方向、角度、切面粗糙度等方面进行探究，以期为碳纤维复合材料的性能和质量的改善提供理论基础。

关键词：纤维方向  碳纤维复合材料  特点性能影响  质量改善

中图分类号：TB33                             文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）11（c）-0044-03

Effect of Fiber Orientation on Processing Properties of Carbon Fiber Composites

HUO Xiubing  XU Qiang  WANG Zhaoyang  WANG Ning

（Beijing Satellite Manufacturing Co.， Ltd.， Beijing， 100089 China）

Abstract： In recent years， With the development of economy and technology， people's living standard has been greatly improved. High strength，Good toughness， low temperature， lightweight carbon fiber composites in traffic， build， chemical industry， electrical and aviation and many other fields have shown an important position. Due to the anisotropic properties of carbon fiber composites， The fiber direction is an important factor affecting its processing technology， this paper introduces the carbon fiber composite and its broad development space， taking the fiber direction as the research object， through the cutting direction， angle， section roughness and other aspects to explore， in order to provide a theoretical basis for improving the properties and quality of carbon fiber composites.

Key Words： Fiber orientation; Carbon fiber composites; Characteristic performance influence; Quality improvement

在实际的应用中，碳纤维复合材料的加工过程较其他材料更为复杂，其加工过程中易产生分层、撕裂、拉丝、崩块等问题，对于碳纤维复合材料的尺寸控制相对困难，对于加工时耐高温刀具也有很高的要求，温度太高，极易产生发热堵塞，基体表面产生碳化，切削是否合适直接影响着碳纤维复合材料的應用，而纤维方向对碳纤维复合材料的性能影响是其加工中最直接的影响因素，在此我们探求了纤维方向、切面粗糙度对碳纤维复合材料加工性能的影响规律，探究出最佳的实验值，以指导实际的生产实践。

1  碳纤维复合材料概述

碳纤维是一种含碳量非常高、力学性质优越的纤维材料，它是有机纤维经过热处理后形成的，既具有碳材料的固有特性，又具有纤维材料的柔软韧性，在复合材料的发展过程中，进行纤维材料的增强一直是一个热点话题，从玻璃纤维和树脂纤维，再到碳纤维、陶瓷纤维的诞生，复合材料领域的发展越来越焕发着勃勃的生机，尤其是碳纤维的问世，让它迅速成为复合材料领域应用广泛、性能优越的新一代增强纤维材料。

从碳纤维复合材料的含碳量来看，它是一种具有普遍碳素材料特性的复合材料，一般含碳量都能达到90%以上，虽然具有高的含碳量，由于碳纤维与树脂、金属等的基体复合，它还具备很多一般碳素所没有的性质，比如典型的各向异性和柔软可加工性，从碳纤维复合材料的质量和结构来看，它是一种力学性质优异的材料，其抗拉强度是钢材料的很多倍，其抗拉弹性模量也比一般的钢材料高，但是它的比重却不到钢材料的1/4，是一种强度与模量都得到改善的新型材料，对于金属材料的抗氧化性差、易被腐蚀这一缺点起到了很好的弥补作用，在很多领域都起到了重要的作用。最后从碳纤维复合材料的形成过程来看，它是由片状的石墨微晶沿着纤维方向堆砌而成，然后经过碳化处理形成的一种复合材料，由于经过了碳化处理，这种材料的变得轻质，抗腐蚀性能也得到了改善，兼具多种优点，应用价值极高。

2  碳纤维复合材料的特点

2.1 具有很高的强度与模量

强度是指对于载荷作用的最强承受能力，也被称为断裂强度。对于其描述，没有固定的参数可以准确定义，由于存在晶界，其实际强度比理论强度低，模量是描述刚性的一个参数，通常也称为弹性模量，碳纤维复合材料的强度和模量都相对其他材料是更高的，主要表现在其极小的密度上。这种特性决定了在实际应用中，在相同的条件下，会比其他材料承受更大的强度，在承受强度相同的条件下，其质量相对更小。

2.2 具有更高的抗破损性

抗破损性能主要用于描述其抵抗外界破损的能力，在传统的材料领域，很多材料一旦受到破坏，会导致其迅速发生开裂、损坏，而碳纤维复合材料在这一点上却得到了很好的改善，其被破坏作用并不是瞬时的过程，内部裂纹会逐步扩展，如果破损只是发生在材料的一些纤维上，那么整个基体对于荷载仍然能够传递和承载，这样其破损的时间要较其他材料延缓很多。

2.3 具有良好的减震性

减震性指材料在力的作用下，被破坏前能够称承受的最大塑形变化，是描述材料的一个特性值，它代表了材料承受压力而没有发生应变的特性。碳纤维复合材料具有很好的减震性，其自震频率与本身的形状、材料模量二次方等有着一定的联系，其自震频率不是很高，碳纤维复合材料的界面可以进行能量的吸收，因此，其具有良好的减震性能。

2.4 耐高温和耐腐蚀的性能

碳纤维复合材料相对于金属材料还具备耐酸碱腐蚀的特点，其具备的这个特点克服了金属材料的主要缺点，使用期限更久，能够满足更加严苛的环境条件，化学性能稳定性极好，除强酸等特殊物质外，在常温常压附近，几乎为化学惰性，应用面更加广泛，这种特性可以使碳纤维复合材料可以被广泛地应用于各种生产中。

3  碳纤维复合材料发展和现状

碳纤维复合材料是20世纪50年代初应航空航天、汽车制造等技术的需要而产生的一种新型材料，后来在纺织、化工机械及医学领域也得到了广泛应用。

从20世纪70年代开始，在石油、冶金、航空航天、涂料化工等领域对材料提出了越来越高的要求，其中碳纤维复合材料由于其兼具金属和非金属的诸多优点而在众多材料中脱颖而出，受到人们的高度重视，科技工作者开始寻找新的突破和改进材料的性能。经过多年的发展，逐步取得了一定的发展成果，在国内市场，初步形成了一条相对完善的碳纤维复合材料产业链，碳纤维复合材料被广泛地应用于航空航天、汽车制造等多个领域。在汽车制造业中，碳纤维复合材料的应用技术已趋于成熟，电动汽车车身就应用了该材料，使用的碳纤维复合材料，不仅实现了汽车生产成本的有效控制，还达到了生产效率提高的理想效果，有利于实现规模化生产，在汽车生产中，使用的复合材料类型较多，但是，有些复合材料的应用范围有限，并不能夠在汽车生产领域中大力推广。

4  探究纤维方向对碳纤维复合材料的影响

近年来，纤维增强复合材料已经取得了长足的发展，这种材料在材料理论的发展中受到广大的科研工作者青睐，很多材料工业研究中，碳纤维复合材料成为改进工程塑料性能的必要技术之一。为了使得碳纤维复合材料得到更好的应用，进行了对于纤维形态结构与增强复合材料力学性能的研究，包括：纤维质量分数、纤维方向，纤维分散和取向等等，本文针对纤维方向对碳纤维复合材料的影响，做了如下几个方面的研究。

4.1 纤维方向对拉伸性能的影响

为了准确地研究纤维取向和碳纤维复合材料性能的关系，用模压成型制备了碳纤维复合材料的试样，在这个试样的性质中，纤维的方向是可以控制的，可以通过挤出填充的方法去获得高度取向的试样，再通过模压成型制成试样板，在纤维方向是0°、22.5°、45°、67.5°90°和135°这几个方向上分别进行取样，再对拉伸性能的变化进行测定，发现碳纤维复合材料的纤维取向在90°时，拉伸强度会大大减小，不同纤维方向角下碳纤维复合材料最大切削力由大到小分别对应为 0°、22.5°、45°、67.5°、135°和 90°。分析认为，碳纤维复合材料的垂直轴向拉伸强度比平行轴向的小，当纤维方向角依次为 0°、22.5°、45°、67.5°、135°和 90°时，由于刀具的作用方式不同，垂直于轴向切削的几率会更大一些，平行于轴向切削的几率会进一步变小，这一试验让我们发现了纤维方向对碳纤维复合材料直观的影响。

4.2 纤维方向对冲击强度的影响

针对纤维方向的研究还设计了另外的试验，同样在纤维方向是0°、22.5°、45°、67.5°、90°和135°这几个方向上分别进行取样，施加冲击力后，进行强度测定，发现纤维方向对于冲击强度影响更大，当纤维取向角为0°时，切口处的冲击强度大约为200J/m ，当纤维取向为90°时，切口处的冲击强度大约为100J/m。为了更好地发挥纤维的增强作用，则要求纤维纵向方向必须要大于临界值，增强效果才会更加明显。总体而言，纤维纵向方向越长会更加有益于材料性能的提升，对碳纤维复合材料强度的贡献可以理解为：由于切削的冲击力，纤维与树脂之间的界面积会增大，断裂时，接受了更大的阻力，从而提高了承受载荷的能力。

4.3 切口质量分析

通过对切割后切口粗糙度数据进行分析，我们发现不同纤维方向角下碳纤维复合材料切口粗糙度情况不同，当纤维方向为135°时，加工后纤维的表面会很粗糙，切口的质量较差，在这一切削中，逆着纤维铺成进行切割，故而粗糙度大大增加，当纤维方向等于45°时，其加工后粗糙程度最小，因为这一切削，是沿着纤维铺成的方向，顺时的切割，切口质量会更好。为了使这一结果得到更精细的证明，我们采用了扫描电镜去对碳纤维复合材料的加工后形貌进行观察，通过对切口形貌及粗糙度的分析发现党纤维方向为当纤维方向为135°时，其表面十分粗糙，褶皱明显，复合材料在切口处被刀具挤压导致了层间的分离，刀具和碳纤维复合材料的弯曲达到一定的极限，导致了切口处材料的断裂。当纤维方向角等于45°时，其加工表面较为光滑，没有很严重的断裂情况，由此可以推得，切削顺着纤维铺层方向时比逆着铺成方向有更好的效果，逆着纤维方向不仅会使切口处变得粗糙，切口质量也会大打折扣。

5  结语

从国内外碳纤维复合材料的研究来看，由于其兼具金属和非金属的诸多优点而在众多材料中脱颖而出，受到人们的高度重视，本文从纤维方向这一要点入手，通过对其切削后的拉伸强度、冲击强度、切割工艺角度、刀具等分析，以期加强其加工工艺，研究发现纤维的取向对复合材料的冲击强度影响极大，当纤维方向角大于 90°，其切削性能更加优越，纤维方向角等于90°时，其切削性能最优;纤维方向角为0°时，其切削性能最差。提高工艺设备的水平，找到适合于碳纤维复合材料加工的刀具和切割技术，经过优化处理后，相信在未来碳纤维复合材料会具有更加广阔的应用。

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