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复合材料加工工艺综述
复合材料加工工艺综述
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前言：
复合材料（Compositematerials），是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。
各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。
金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。
非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。
增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。
复合材料使用的历史可以追溯到古代。
从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。
20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。
50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。
70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。
这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。
复合材料是一种混合物。
在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。
复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。
按其结构特点又分为：
①纤维复合材料。
将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。
如纤维增强塑料、纤维增强金属等。
②夹层复合材料。
由性质不同的表面材料和芯材组合而成。
通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。
分为实心夹层和蜂窝夹层两种。
③细粒复合材料。
将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。
④混杂复合材料。
由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。
与普通
单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。
分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内／层间混杂和超混杂复合材料。
60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4X106厘米（cm），比模量大于4X108cm。
为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。
按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属
基和陶瓷基复合材料。
其使用温度分别达250〜350C、350〜1200C和1200C以上。
先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合材料（材料的化学和结晶学组
成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料）、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。
复合材料的成型方法按基体材料不同各异。
树脂基复合材料的成型方法较多，有手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。
金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成型法。
前者是在低于基体熔点温度下，通过施加压力实现成型，包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。
后者是将基体熔化后，充填到增强体材料中，包括传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等、陶瓷基复合材料的成型方法主要有固相烧结、化学气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。
正文：
1．复合材料常用的机加工工艺：
凯夫拉纤维复合材料的加工工艺：
复合材料在应用过程中常常需要进行机械加工，复合材料的常规机械加工包括切割、钻削、车削、铣削等。
经常遇到的是切割和钻削（制孔）。
其中孔加工是复合材料加工的难点之一。
这里介绍的机加工艺主要针对凯夫拉/环氧和碳纤维/环氧复合材料。
凯夫拉复合材料的机械加工异常困难。
原因是凯夫拉纤维韧性高,对基体树脂粘结性差,剪切强度低所致。
用硬质合金薄片和金刚砂涂层锯切割凯夫拉复合材料易起毛、翻边,加工效率低。
凯夫拉复合材料制孔用钻头的好坏决定于它能否迅速切断孔周边的凯夫拉纤维。
试验和应用表明,用三尖两刃钻头和双刃定心钻头制孔,可获得较满意的加工质量。
三尖两刃钻头是用Y300硬质合金（钨-钻合金）麻花钻修磨刃口而成,具有两个锋利的外刃尖和一个起定心作用的中心点。
为了获得两个关键的外尖，主刃磨成圆弧形。
钻孔时中心尖先切人复合材料定位中心,然后依靠两锋利外刃尖在复合材料上划圆进行切削,并迅速沿孔边切断纤维,从而得到无毛边的孔。
钻头的
技术数据如下：
h<0.5mm,2①=90-100°,b^<0.5mm,丫T>0,卩40-50°,a-10°。
双刃定心钻头适于加工大孔（直径大于12mm）,这种钻头结构简单，容易制造。
两个锋利的刃尖由外圆周与两个对称的斜面相切而成，中间的导向柱
在钻孔时起定心作用。
加工时先利用三尖两刃钻在凯夫拉复合材料上钻一小孔然后将双刃定心钻头的导向柱伸人孔内，利用两外刃尖沿孔周迅速将纤维切断，钻出无毛边的大孔。
为防止分层，第一次钻进时先不钻透，钻人约一半后将钻取出然后将钻头伸人背面，再钻通另一半。
2tf>r
图】三尖两刃钻头
对铺层为「0°/90°/±45°」,厚度为2m的凯夫拉复合材料层板,在不使用
冷却液的情况下，采用下述工艺参数为好：
（1）对①4.84m的三尖两刃整体钻头，适宜的钻削速尸62-228mm/min,以
尸100mm/mi左右最好。
（2）对①12-20mm的大孔，适宜的钻削速度为25-90mr/min.
（3）进给量取较小值为宜。
碳纤维复合材料的加工工艺
碳纤维材料硬度高，必须选用硬质合金刀具材料，航空部门在参考国外硬质合金选材基础上经试验认为，用钨一钻硬质合金是比较合适的。
因为这类硬质合金有较高的抗弯强度和韧性，可以减少切削时崩刀，同时磨削加工性好，适于磨出锋利的刃口。
目前材质为丫300的C3-8mm的整体式磨花钻头、惚窝钻、绞刀，可满足碳纤维复合材料构件的制孔要求。
这种钻头的顶角在100-120。
之间,一次刃磨，钻孔数可达100个孔以上。
后角对钻削性能有较大影响，其角度以15-25°为好。
我国已研制出几种人造金刚石大直径套料钻和人造金刚石磨轮，用于加工①8mm以上
的复合材料构件孔，获得满意的加工质量。
钻削工艺试验表明，控制进给速度对保证制孔质量至关重要。
钻削碳纤维复合材料一般选用低的进给速度和高的转速，转速过大会缩短钻头的使用寿命。
根据试验结果，选取以下钻削参数为佳：
转速1400-2440r/min，给进速度0.02-0.06mm/r。
2.长碳纤维/聚丙烯复合材料加工工艺：
CF长丝一「送轻婀〜殛甌买］f障引切廠
PP树脂
一PP包覆CF粒料二次造泄］〜|CF/PP凉合粒料|
我国采用国内外通用的电缆包覆式生产工艺惊醒PP树脂包覆CF长丝。
此工艺的特点是设备简单，操作连续，质量优异。
必须注意的是，由于长碳纤维在连续操作过程中，通过穿丝孔时因受PPW脂返料的阻力作用易断丝，所以在设计模头时，要考虑减少熔融PPW脂因受压进入穿丝孔。
我们通过反复试验，设计出如图所示结构较合理的模头。
图1用于PP包覆CF长丝挤出机上的模头
1—加热套*2—模腔丄
3—穿丝乳“一启禅口
由图可见，由于深入到模腔内部穿丝空前断的锥形结构额模头出料口的倒角，可减少模腔内受压的熔融PF静茹穿丝孔内，这就可以降低碳纤维长丝通过穿丝孔是的阻力，另外，即使有少量熔融PP进入穿丝孔，因穿丝孔内的熔融PP冷却，从而进一步地降低了碳纤维长丝通过穿丝孔时的阻力，另外，还需指出的是，牵
引PP包覆CF长条时，速度要适中，使PP能均匀地包覆在CF长丝上，而不至于太厚或太薄。
CF/PP复合材料的力学性能
拉伸性能和冲击性能是复合材料力学性能中亮相重要的性能指标。
为了进行对比，我们分别测定了原PP树脂和CF/PP复合材料的拉伸强度、断裂伸长率和悬梁缺口冲击强度，结果列于下表：
表】PP树脂和CF/PP夏合材料的力学性能
学性能
拉神憩崖
MPa
缺口神击習度
U/m1
PP
3G
CF/PP
28.2
20
5.40
结果表明，因CF长丝未经表面处理，所以复合材料的拉伸性能和冲击性能较PP树脂差。
CF/PP复合材料的电性能：
碳纤维是一种新型的高强度、高模量材料，并具有良好的导电性能，用他混入聚
丙烯制成复合型导电塑料，其综合性能好，电导率高，下表给出了PP树脂和CF
含量为12颊量百分比的CF/PP复合材料的体积电阻率和表面电阻率:
*2PP树脂和CF/PP复合材料的爭5
样曲毒
Pt1QBCtn
佻.fl1
2.SX10,f
CT/PPMfr材料
K7X101
7,axio*
上图结果表明，CF含量为12%的CF/PP复合材料的表面电阻率和体积电阻率较
PP树脂的电阻率下降，使PP由绝缘性变为导电材料。
结论：
1•在CF/PP复合材料的加工过程中，结构合理的基础机模头，是碳纤维上司得
意连续被PP树脂包覆而不断的关键。
2•未经表面处理的碳纤维长丝与PP树脂组成的复合材料的拉伸强度、伸长率及
缺口冲击强度较原PP树脂的相应力学性能有所下降。
3.CF含量为12%（质量）的CF/PP复合材料具有明显的导电性。
3•复合材料的特种加工工艺
由于传统的机械加工难以加工高性能的韧性纤维增强的树脂基复合材料和陶瓷基复合材料，人们便研究开发各种特殊的复合材料加工方法。
所谓特种加工,
这里指的是非传统的高压水射流（包括磨料水射流）加工、激光加工、超声波加工、电子束加工、电火花加工等。
随着研究的不断深人，特种加工方法越来越多地应用于复合材料的加工。
本文只介绍前三种加工工艺。
高压水射流加工
在高压水射流（或统称水射流Waterjet）加工中，由于水射流与工件之间的能量传递效率较低，故只能用于切割较软较薄的复合材料，而且切口坡形度较大,通常用来粗加工。
在单纯水射流加工基础上发展了磨料水射流（Abrasive一Waterjet）技术。
它是在水流中加人细粒磨料，从而大大改善了射流与工件之间的能量传递，故可用磨料水射流技术来加工各种材料。
喷射压力、喷嘴直径、切割速度、材料种类与厚度等都对切割质量有一定影响。
美国格鲁曼公司用不同的工艺参数作了大量试验，结果表明，喷嘴直径小，
切削精度就高，材料厚度大，需要较大的喷嘴直径。
由于硼纤维硬度大、强度高,在水射流的冲击下,纤维不是被切断，而是破碎，故在断开表面有伸出的短纤维头，显示切削质量较差。
而凯夫拉纤维由于柔软，切削断面比较光滑。
现在,磨料水射流技术已愈来愈广泛地用来加工难以机械加工的材料,并逐
渐被视作一种常规的加工技术。
为了适应切割各种类型材料和结构件的需要,国外研制了手提式和数控式水射流加工设备,近几年又开发出一种五轴全自动磨料水射流切削装置。
激光加工
近20多年来，激光加工已在制造业得到较大的发展。
它可一次加工成形，适应性强,不存在刀具磨损问题。
因此激光材料加工一般比常规加工成本低。
以前激光主要用于加工金属、陶瓷、塑料和木基材料，近几年亦成功地用来加工复合材料，主要是切削纤维增强树脂基复合材料，钢塑材料和纤维增强金属基复合材料，也用来钻削复合陶瓷。
用激光焊接金属基复合材料亦进行了研究。
激光切削的一个特点是切削效率与增强纤维的方向有密切关系。
工件对激光束的热响应决定于切削方向。
这一效应在碳纤维复合材料中表现得最明显。
在该材料中，成分之间的热性能差异很大。
用单向碳纤维板进行切削试验表明，当切削方向与纤维垂直时,热损失最大,切削速度最低。
用激光加工树脂基复合材料其切削表面出现的某些现象，如基体材料的热分解或纤维脱出，在加工金属或陶瓷材料时是不会出现的，由于纤维的热传导作用，在纤维（尤其是碳纤维）增强的树脂基复合材料切口上都有明显的肉眼可见的热影响区，并趋向于沿纤维排列方向扩展，在切削芳纶/环氧复合材料时，还会产生大量对人体有害的氰化氢气体。
超声波加工
超声波加工（简称超声加工）是一种新兴的加工方法，超声加工具有许多优点：
既能加工导电材料，亦能加工绝缘材料;材料硬度对加工工艺影响不大；可以加工复杂的三维型面，且加工速度与加工简单型面一样快;加工区域不存在热效应区；加工表面的化学性质和电性质不会发生变化。
超声加工技术一般用于玻璃、陶瓷及其复合材料的钻孔、铣槽和加工一些不规则型面的器件。
超声加工在航空航天领域已应用于陶瓷复合材料涡轮叶片的冷却孔及金属基复合材料涡轮叶片的加工。
4．不同加工方法对复合材料性能的影响
加工方法对碳/环氧和凯夫拉/环氧复合材料性能的影响
北京空间机电研究所用水射流法、激光法和金刚砂刀具进行了加工方法的比较。
材料为碳/环氧和凯夫拉/环氧复合材料层板，材料厚度为2mm。
根据三种切割试件的切口端面状态和试样力学性能试验结果，得出如下结论。
（1）对碳/环氧复合材料层板，采用金刚砂刀具和水射流切割方法，效果甚好；采用激光切割，切口有炭化现象，引起材料性能变性，效果欠佳。
（2）对凯夫拉/环氧复合材料层板，用激光切割和水射流切割效果均好。
用金刚砂刀具切割凯夫拉/环氧复合材料层板，切口有大量外露纤维，切割效果差。
为了解决复合材料制孔时粉尘的污染，同时对制孔过程进行监控，国外正致力于研究开发机器人钻孔技术。
美国通用动力公司在F—16飞机复合材料垂直尾翼的制孔工作中，采用机器人，每日可钻削两块蒙皮，每块蒙皮上要钻五种不同直径的孔眼550个，加工效率比手工钻孔提高3倍,且钻出孔的质量好。
加工方法对超高模聚乙烯纤维复合材料性能的影响
航天材料及工艺研究所用磨料水射流切割、硬质合金刀片切割和普通机械锯切割等加工方法对超高模聚乙烯（UHMPE）纤维增强环氧复合材料的外观和力学性能（弯曲、层间剪切和断裂性能）的影响进行了研究。
试件材料所用的UHMPE纤维为S1000型，铺层方式为编织布,板材名义厚度为t=6.5mm,纤维含量Vf=80%。
试验结果表明,用一般机械加工方法加工,试样的抗弯和剪切性能比用磨料水射流法加工的要低25%,薄刀片慢加工方法对抗弯性能影响比磨料水射流加工法劣化在10%范围内。
说明采用磨料水射流切割加工的试样各项性能较好,采用硬质合金刀片加工,各项性能次于磨料水射流加工,而优于锯机械加工。
5.木塑复合材料加工工艺：
木塑复合材料兼有木材和塑料的双重特性，它有着天然木材的外观，同时，它防腐、不易变形、机械性能好，具有坚硬、持久、耐磨等优点。
一般来说，木塑复合材料的硬度较未处理的木材高2-8倍，耐磨性高4-5倍，甚至比大理石还高，而各种添加剂的应用，又赋予它许多特殊的性能。
此外，它还是一种环保材料，可回收重复使用，且原料廉价丰富，它在减少环境污染、保护森林资源、促进经济发展方面都有良好的效益，因而它受到了众多研究者的关注。
目前其工业化生产中所采用的主要成型方法有：
挤出成型、注射成型和热压成型。
由于挤出成型加工周期短、效率高、成型工艺简单，它在工业化生产中与其它加工方法相比有着更广泛的应用。
木塑复合材料的挤出成型可分为一步法和多步法。
一步法是木塑复合材料的配混、脱挥及制品挤出在一个设备或一组设备内连续完成。
多步法是木塑复合材料的配混、脱挥和制品挤出在不同设备中完成，可以先将原料配混制成中间木塑粒料，然后再挤出加工成制品。
实际加工过程中一步法常常由于木粉含水量高和制品结构复杂而受到限制，目前国内外工业化生产所采用的主要是多步法。
从固体输送理论公式和粘性流体输送理论公式中，可知转速与生产能力成正比。
因此，提高转速可以有效地增加生产能力，但木塑复合材料挤出加工过程中螺杆转速的增加受到许多限制。
比如对于PVC木粉复合材料，PVC和木粉都是热敏性的，过高的螺杆转速会导致物料的降解和糊化；同时，螺杆转速还影响着物料的停留时间和挤出压力。
只有在满足物料的挤出温度、剪切强度、混合质量及挤出机功率限制的前提下，才能最大限度地提高转速以提高生产率。
木塑复合材料挤出加工过程中，挤出机的温度和压力控制也十分重要。
若挤出温度过高，物料易降解，同时过高的温度使熔体的粘度较低，挤出压力不足，造成制品表面粗糙，强度差，影响挤出质量。
而温度过低使得塑料塑化不良，不能充分包裹木粉，也会使制品的强度受到影响。
同时，熔体破裂对口模温度比较敏感，过高与过低的口模温度都会造成熔体破裂。
适当地降低挤出机的温度，提高机头压力，降低螺杆转速，可以有效地改善木塑复合体系挤出加工性能。
实际加工过程中各段温度设置如下：
I段：
150-170C；U段：
160-190T；川段：
170-190C；W段:
180-195T;机头口模段：
180-205C。
各段的温度应尽可能稳定，且总的停留时间少于15min。
由于加入的木质纤维大部分为粉料，而木粉结构蓬松不易对挤出机螺杆喂料，同时塑料基体与填充料之间并不能形成理想的混合体并均匀一致地加入到挤出机中，所以加料过程中常常会出现“架桥”和“抱杆”现象。
特别是木粉中含有较多的水分时，这一现象就更为明显。
加料的不稳定不仅直接导致挤出产量低，还会使得挤出波动，造成挤出质量降低。
同时由于加料中断，物料在机筒内停留时间延长导致物料烧焦变色，影响制品的内在质量和外观。
因此必须对加料方式和加料量作严格的控制，一般采用强制加料装置以及饥饿喂料，以保证挤出的稳^定0
因为木粉中含有大量的小分子挥发物质和水分，且它们极易为制品带来缺陷，而前处理又无法完全清除它们。
所以木塑复合材料挤出机排气系统的设计要比普通塑料挤出机给与更多重视，在很大程度上，排气效果越好，挤出制品质量也越好，如有必要可以进行多阶排气。
木塑复合材料挤出过程中，螺杆结构对产品质量有着很大的影响。
合理的螺杆结构能降低螺杆与木纤维的摩擦，得到适当的剪切和分散混合效果，避免纤维分散不良或纤维的破损，如适当减小计量段螺杆直径有利于熔体流动，适当缩短计量段停留时间可使材料劣化率降至最低，采用销钉螺杆与普通螺杆相比能避免木粉聚集现象，提高分散混合现象。
目前可用于木塑复合材料挤出成型的设备主要有单螺杆挤出机、锥形双螺杆挤出机、平行双螺杆挤出机等。
机头是关系到挤出制品质量的重要部件，由于木塑复合材料的特殊性及木粉的高添加量使挤出物料流动性差且不易冷却，常规的模具和定型设备已无法满足产品的需要，这使得机头的设计除了保证流道设计的圆滑过渡与合理的流量分配外，还要对机头的建压能力与温度控制精度进行重点考虑。
基于木塑复合材
料的流动性差，模具应尽量不采用阻流块等结构而应通过改变流道尺寸来调整流道各截面流量；在模具强度足够的情况下，尽量减少支架筋的数量和尺寸；并采用较大的压缩比，以保证有较大的挤出压力，以利于成型。
同时，木塑复合材料的在中纤维取向程度对制品性能有较大的影响，要合理
设计流道结构，以获得合适的纤维取向来满足制品的性能要求。
此外，木塑复合材料在相同强度要求下，厚度要比纯的塑料大，且其多为异型材，结构复杂，这使得其冷却较为困难，一般采用水冷，而对于截面较大或结构复杂的产品多需采用特殊的冷却装置和冷却方法。
参考文献
1．XX百科。
2．冼杏娟，罗信安，马玉勇。
加工方法对超高模聚乙烯纤维增强复合材料力学性能的影响。
3．官焕华。
复合材料加工工艺和连接技术
4．鲁西华、倪燕、李仍元。
长碳纤维/聚丙烯复合材料加工工艺和性能的研究
5．季建仁，木塑复合材料加工工艺初探
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