【技术干货】碳纤维复合材料的机械加工：加工机理 / 四六文摘

摘要

基于碳纤维复合材料CFRP优异力学性能，尤其是轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳等特性，近年来CFRP应用领域越来越广泛，在某些领域CFRP需要与其他材料连接使用，因此就会面对CFRP机械加工情况。

在此次系列文章中将会从CFRP材料概况入手，介绍材料和组分信息、孔隙结构和表面质量，详细探讨CFRP机械加工策略及解决方案。

本文为系列文章首篇，主要介绍了复合材料应用背景、CFRP中材料体系特点，复合材料机械加工存在的问题以及主要加工原则等。

碳纤维复合材料概述

随着碳纤维应用规模越来越大，其对自动化生产以提高生产率的需求越来越明显，但随着材料的发展，机械加工也变得更加困难：如对切削刀具功能和刀具性能的需求增加，对孔和边缘质量的要求更高。

对于复合材料，尤其是碳纤维复合材料而言，其高速发展的主要驱动力包括成本，环境和技术优势。现在，各个行业都在更大范围内使用复合材料，特别是在航空航天行业。

碳纤维复合材料的组分

复合材料基本概念：

复合材料由两种或多种以上具有明显不同的物理或化学特性的材料制成的工程材料，这些材料在最终结构中在宏观层次上保持分离。

聚合物基复合材料（PMC）-最常见的一种纤维复合材料，也称为FRP-纤维增强聚合物，这些材料使用基于聚合物的树脂作为基体，并使用各种纤维（例如玻璃纤维，碳纤维和芳纶纤维）作为增强材料。

金属基复合材料（MMC）-在汽车工业中越来越多地使用，基体是金属，例如铝，增强纤维有碳化硅、碳纤维等。

陶瓷基复合材料（CMC）-在高温环境中使用，这些材料使用陶瓷作为基体，并用短纤维或晶须进行增强。

增强纤维性能：

按照力学性能碳纤维可以分为高强度碳纤维（难以切割）和高模量碳纤维（主要形式为磨料）。碳纤维可以以单向带或织物形式使用

基体性能（树脂）：

环氧树脂性能优异，应用领域也最为广泛；酚醛树脂具有优异的防火特性；双马树脂和氰酸酯树脂耐高温性能优异；聚酯、乙烯基酯成本较低；而热塑性树脂如PEEK、PEKK等具有高抗冲击性。

CFRP机械加工主要问题

在对CFRP复合材料机械加工时，对除尘要求极为严格，一是为了操作员安全，而是由于碳纤维粉尘导电，因此会影响电器部件性能等。

经过机械加工后，CFRP质量评估比较困难，因为无法观察到芯部，而粗糙度似乎又不太重要，内部分层破坏也很难发现，因此主要评价指标孔质量。但在机械加工时，由于钻头的“推力”容易导致复合材料产生分层，而不良切割也会导致孔内部残留纤维。

航空航天领域CFRP在机械加工时典型要求包括：粗糙度Ra <4.8 µm、分层<1 mm、不会破碎、Cp＞1.6等。而工业用加工要求包括：Cpk＞1.33、碳纤维Ra <3.2、铝合金或钛合金Ra <1.6、孔径公差+/-20到+/-40µm、孔口无分层、金属叠层材料对碳纤维无切屑侵蚀等。

在CFRP机械加工时，增加进给量和提高速度均会提高生产率，但另一个更关键的因素是孔的质量。如果孔质量差意味着必须进行二次修补，昂贵且耗时！

CFRP机械加工机理

在机械加工时，CFRP材料主要发生脆性断裂，尤其是碳纤维为脆性材料，容易被切碎，而且由于纤维具有高刚度，因此会对刀具产生高磨蚀性；另一方面，树脂基体性能较弱，机械加工时夹层断裂易造成分层，纤维拔出则导致纤维破碎。

因此在复合材料进行机械加工时遵循原则：CFRP中必须在孔的入口和出口检查质量：可能需要不同的切割条件；对于金属材料，切割速度通常需要低于CFRP。

【技术干货】碳纤维复合材料的机械加工：加工机理