碳纤维复合材料高质量制孔工艺（通用4篇）
碳纤维复合材料高质量制孔工艺 篇1
碳纤维复合材料构件少无缺陷制孔技术
碳纤维复合材料在航空航天领域有广泛的.应用,其制孔技术是制约碳纤维复合材料应用的主要因素之一.本文列举了碳纤维复合材料制孔时常见的缺陷类型,以及国内外在制孔方面的研究现状,并总结了提高制孔质量的方法.
作 者：鲍永杰 高航 Bao Yongjie Gao Hang 作者单位：大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室刊 名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：2007“”(z1)分类号：V2关键词：碳纤维复合材料 制孔 缺陷
碳纤维复合材料高质量制孔工艺 篇2
选取不同的切削参数，对CFRP制孔质量有很大影响。因此深入研究碳纤维复合材料在使用不同类型刀具下选取不同的切削参数的制孔具有重要意义。在CFRP制孔研究中，试验法仍然是非常重要、有效的研究手段。设计了单因子试验，选取制孔刀具传统麻花钻、螺旋铣刀、台阶钻、烛心钻，分别在不同切削参数下对CFRP进行了切削制孔试验，并且利用超景深电子显微镜观测加工缺陷，使用表面粗糙度测量仪测量孔壁粗糙度。最后通过试验分析了不同刀具在不同的切削参数下进行制孔的碳纤维复合材料孔的孔壁缺陷及其表面粗糙度值。
1 试验过程
试验材料使用厚度为3 mm的CFRP铺层结构板。使用铺层-注胶热压成型，每个单层铺层厚度约为0.25 mm，铺层纤维方向均为单向(unidirectional,UD)，铺层叠压形式为“0°/45°/90°/-45°…”。
由于试验中复合材料中所含碳纤维体积分数较高，达到60%;而且碳纤维本身又具有较高的比强度和比模量，因此钻削试验所用刀具的材料全部选择硬质合金。
碳纤维复合材料在应用于航空航天领域中所需大量的孔的直径一般用于连接，为了便于观察，综合考虑，钻削试验中所钻削孔的直径选择为Φ10 mm。
试验选取四种刀具，分别为麻花钻、螺旋铣刀、台阶钻、烛芯钻，如图1所示。烛芯钻和台阶钻是在麻花钻的基础上通过刃磨后刀面以及修正横刃得到。台阶钻的台阶直径为7 mm，台阶长度5 mm，整个台阶采用曲线过度。
本试验初步选择的主轴转速n分别为1 500 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min。所有钻头和铣刀的z向进给量分别为100 mm/min、175 mm/min、250mm/min[4]。
由于聚合物基复合材料散热性能较差，并且也为了防止在钻削中产生碳纤维微粒粉尘[5]，同时能够有效降低摩擦，所有的孔加工都使用了冷却性能较好的水溶性切削液。
试验使用的机床为国内汉川机床集团有限公司产的HCZK134型立式数控铣床，其定位精度高、切削稳定，其主要参数如表1所示。为了便于观察复合材料孔加工的进出口毛边和分层，试验中使用日本基恩士KEYENCE公司的VHX-600E型超景深三维数码显微镜，同时使用SJ—310表面粗糙度仪测量孔壁表面质量。
2 试验结果与分析
2.1 切削参数对出口缺陷的影响分析
碳纤维复合材料制孔过程中的出口缺陷是常见的加工缺陷之一，出口缺陷的有无及大小常可代表制孔质量的高低。孔加工在出口处的顶出分层缺陷和孔壁的裂纹、纤维拔出缺陷更为显著，对产品产生危害也更大[6,7]，因此主要论述切削参数对出口缺陷的影响分析。
如图2所示为不同切削参数下的孔加工出口缺陷，刀具为台阶钻。
由图2可知，CFRP制孔在出口处出现了毛边现象和分层现象，并且不同切削参数下，缺陷的严重程度也不同。具体而言，在出口处，钻头转速和进给量对毛边的影响程度相当，但是规律相反。从图2中(a-1)→(a-2)→(a-3)、(b-1)→(b-2)→(b-3)、(c-1)→(c-2)→(c-3)相比较可知，进给量f越大，孔的出口处的毛边缺陷也越严重;然而从图2中(a-1)→(b-1)→(c-1)、(a-2)→(b-2)→(c-2)、(a-3)→(b-3)→(c-3)相比较可知，随着钻头的转速的增大，孔的出口处的毛边缺陷则逐渐减少。
a-、b-、c-转速分别为1 500、2 000、3 000 r/min,-1、-2、-3进给量分别为100、175、250 mm/min
在关于碳纤维复合材料制孔缺陷的研究，常常引入分层因子Fd这一概念来对进出口处的表面发生的撕裂和分层进行评价。分层因子Fd的计算方法为
式中Dmax为实际加工孔在进出口处出现分层破坏区域的最大直径;D为孔加工的公称直径。
由分层因子Fd作为制孔质量的评价标准时，也得到与毛边缺陷相类似的规律，如图3所示为主轴转速对分层因子的影响。由图3知，随着主轴转速的增大，分层因子Fd有减小趋势，孔加工在出口处分层范围减小。当进给量为100 mm/min，主轴转速分别由1 500 r/min增大为2 000 r/min和3 000 r/min时，分层因子的降幅分别为0.09和0.05，而进给量为175 mm/min和250 mm/min对应的降幅为0.22和0.01、0.32和0.03，说明在低转速(1 000～2 000 r/min)阶段，分层因子随着主轴转速变化较大。当主轴转速超过2 000 r/min后，转速对分层因子的影响变小，即当主轴转速高于2 000 r/min后，转速的提高也不能显著改善孔加工出口处的分层缺陷。相反，过高的转速会增加切削速度，在切削过程中产生大量的热量，不仅会软化CFRP基体材料，还会加剧刀具磨损。
分层因子不仅受主轴转速的影响，还受刀具的进给量的影响，如图4所示。由图中曲线可知，随着进给量的增大，分层因子Fd也增大。说明CFRP制孔刀具进给量增大，孔加工在出口处分层范围扩大。
保持主轴转速为1 500 r/min，进给量从100mm/min增大1.75倍、再增大2.5倍变为175 mm/min、250 mm/min时，分层因子变由0.55增大为0.93、1.64，变化倍率为1.691和1.763;这说明钻头进给量对分层因子的影响较大，大大超过了主轴转速。相应地，对于转速为2 000 r/min和3 000 r/min，进给量做相应的增量，分层因子的变化倍率为1.543和1.860、1.707和1.843，说明在进给量较大(175～250 mm/min)时，CFRP制孔出口缺陷随着进给量的急剧增大;而在小进给量(100～175 mm/min)阶段，分层因子的增幅放缓，出口处的分层缺陷范围对进给量的变化敏感度降低，但是仍然远高于主轴转速。这与已有研究有相类似的结论[8]。
此外，实验数据还显示，虽然此次试验中螺旋铣削制孔与其他钻削制孔在切削原理上略有不同，但是以分层因子Fd作为评价标准时，切削参数对孔加工质量的影响方面，均和其他形式的钻头一样，服从和台阶钻制孔相类似的规律。
2.2 切削参数对孔壁质量影响
如图5为不同切削参数下台阶钻制孔的孔壁形貌。
a-、b-、c-转速分别为1 500、2 000、3 000 r/min,-1、-2、-3进给量分别为100、175、250 mm/min
图6为选取进给量分别为100 mm/min、175mm/min、250 mm/min下4种不同刀具制孔对孔壁粗糙度的影响。
图7为选取主轴转速分别为1 500 r/min、2 000r/min、3 000 r/min下4种不同刀具制孔对孔壁粗糙度的影响。
将图6和图7中的实验数据分别进行对比分析，可以得知选取不同刀具对CFRP制孔孔壁粗糙度Ra值都随着进给量f的增加呈上升趋势;随着主轴转速的提高呈下降趋势。这说明在适当范围之内提高转速、降低进给量能够提高CFRP制孔质量。
具体分析图6可知，除了螺旋铣制孔工艺之外，其他曲线总体趋势比较平缓，说明在CFRP制孔中进给量对表面粗糙度Ra的影响比较小。其中螺旋铣在转速为2 000 r/min和3 000 r/min时，其Ra值由进给量为100 mm/min变为175 mm/min时的增量要小于由175 mm/min变为250 mm/min时的增量;传统麻花钻和烛芯钻在转速为2 000 r/min时，孔加工表面粗糙度Ra和进给量几乎成线性关系;其他制孔工艺参数下则表现出由进给量为100 mm/min变为175 mm/min时的增量要大于由175 mm/min变为250 mm/min时的增量。
具体分析图7中可知，所有曲线趋势比较曲折，说明在CFRP制孔中表面粗糙度Ra受主轴转速S的影响比较大，远远超过了进给量f。分析图中曲线可知，无论采取哪种刀具，在哪种进给量下，当转速由2 000 r/min增至3 000 r/min时，变化较为平缓，Ra负增量比较小，甚至出现了台阶钻在100 mm/min的进给量下，从1.734μm减小到1.716μm;但在1 500～2 000 r/min区间，表面粗糙度Ra值的变化则层次不一。具体而言，烛芯钻在f=175 mm/min时，Ra的负增量为0.110，小于在2 000～3 000r/min的0.576;传统麻花钻和螺旋铣在f=100、175mm/min以及烛芯钻取f=175 mm/min时，Ra负增量与2 000～3 000 r/min区间持平;而选取其余的刀具和进给量时，Ra的负增量变化较大，从5.737到3.277不等。以上分析结果说明CFRP制孔中，转速在2 000～3 000 r/min时有较好的稳定性。
3 结论
通过试验可知，不同的切削参数，对CFRP制孔质量有很大影响。通过选取适当的切削参数能够获得较小孔出口处的分层缺陷，并且能够有效提高孔表面质量。具体得到的实验结论如下:
(1)CFRP制孔中，不同切削参数下，制孔缺陷的严重程度也不同。具体而言，在出口处，钻头转速和进给量对毛边的影响程度相当，但是规律相反。
(2)出口缺陷随着进给量的增加而急剧增大，而在小进给量(100～175 mm/min)阶段，分层因子的增幅放缓，出口处的分层缺陷范围对进给量的变化敏感度降低，但是仍然远高于主轴转速。
(3)当主轴转速高于2 000 r/min后，转速的提高也不能显著改善孔加工出口处的分层缺陷。
(4)选取不同刀具对CFRP制孔过程中，孔壁粗糙度Ra值随着进给量f的增加呈上升趋势，随着主轴转速的提高呈下降趋势。
(5)在CFRP制孔中表面粗糙度Ra受主轴转速的影响比较大，远远超过了进给量。
(6)CFRP制孔过程中转速在2 000～3 000 r/min时有较好的稳定性。
摘要：选取不同的切削参数,对碳纤维复合材料(CFRP)制孔质量有很大影响。因此深入研究碳纤维复合材料在使用不同类型刀具下选取不同的切削参数的制孔缺陷具有重要意义。设计了单因子试验,选取制孔刀具传统麻花钻、螺旋铣刀、台阶钻、烛心钻,分别在不同切削参数下对CFRP进行了切削制孔试验;并且利用超景深电子显微镜观测加工缺陷,使用表面粗糙度测量仪测量孔壁粗糙度;并引入分层因子的概念对出口缺陷进行了分析对比研究。研究结果表明,在CFRP制孔中,孔壁表面粗糙度受主轴转速的影响比较大,远远超过了进给量;通过选择适当的切削参数,能够获得较小孔出口处的分层缺陷,并且能够有效提高孔表面质量。
关键词：CFRP,切削参数,制孔缺陷,孔壁质量
参考文献
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碳及碳纤维复合材料 篇3
碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。拉丁语为：Carbonium，意为“煤，木炭”。汉字的“碳”字由木炭的“炭”字加石字旁构成，从“炭”字音。
碳是一种非金属元素，无臭无味的固体?。无定形碳有焦炭?，木炭?…等，晶体碳有金刚石和石墨。冶铁和炼钢都需要焦炭。在工业上和医药上，碳和它的化合物用途极为广泛。
碳是一种很常见的元素，它以多种形式广泛地存在于大气和地壳之中。
碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。碳能在化学上自我结合而形成大量化合物，在生物上和商业上是重要的分子。生物体内大多数分子都含有碳元素。
碳也是生铁、熟铁和钢的成分之一。
碳单质很早就被人类认识和利用，如：金刚石、石墨（如：铅笔芯、干电池芯）…等。
碳纤维(carbon fiber)，碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。顾名思义，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3 倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH 溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态。
碳材料主要有：碳碳复合材料、碳纳米材料、碳纤维材料、新型碳材料?…等。
低碳材料（Low Carbon Materials）：意指能够在确保使用性能的前提下降低不可再生自然原材料的使用量。制造过程低能耗、低污染、低排放, 使用寿命长，使用过程中不会产生有害物质，并可以回收再生产的新型材料。
低碳材料在生产、使用全过程实现节能减排，是可持续和面向未来的材料。
在复合材料的大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。
结构
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。
碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa 以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。
碳纤维作为一种高性能纤维，因具有比强度高、比模量高、热膨胀系数小、摩擦系数低、耐低温性能良好…等特性而成为近年来树脂基复合材料最重要的增强材料。
用途
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷…等基体复合，制成结构材料---碳纤维增强环氧树脂复合材料（碳纤维树脂），其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。
碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。
由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。
现在的F1（世界一级方程锦标赛）赛车，车身大部分结构都用碳纤维材料。顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维，用以提高气动性和结构强度
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。
人造卫星和飞机部件都需碳纤维：据了解，碳纤维材料是一种具有很高强力和模量的耐高温纤维，是化纤的高端品种。用碳纤维制造的复合材料具有质地强而轻、耐高温、防辐射、耐水、耐腐蚀等众多优点。碳纤维复合材料中的CFRP“碳纤维增强塑料”则更是具有一般材料无法比拟的特性：它的比重是铁的五分之一，强度却是铁的10倍，刚性是铁的7倍，抗疲劳强度是铁的2倍。同时，还具有热膨胀系数小、导电性强、耐振、耐水、耐腐蚀、不易生锈、拉伸强度和抗压强度大，韧性优异等特点。
“正是因为碳纤维有这么多的优点，所以它既能用来制造航天飞机，也能用来作为iphone等高端手机的外壳。”日本超级树脂工业株式会社营业部(相当于中国企业的业务部)部长古闲森淳告诉记者。诸多优点使碳纤维复合材料被广泛应用于机械、航空航天、船舶、压力容器、医疗设备、建筑材料、机车赛车、风电叶片、油田开发、体育娱乐用品等民用以及军事领域。
在这些领域，碳纤维都可以取代金属，我们熟知的波音747客机，50%以上的材料为碳纤维，这种轻便材料的采用，可节省大量燃油。未来，汽车、赛车、摩托等零部件也将实现碳纤维材料的替换。中国科学院先进材料领域战略研究小组在就中国先进材料研究的未来方向的探讨中也提到：“2020年，高性能碳纤维主要应用于大型飞机、宇宙飞船、风力发电用叶片等领域。”
碳纤维复合材料的现实应用主要有以下几个方面：
(1)宇航工业用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层;卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件;航天飞机机头,机翼前缘和舱门等制件;哈勃太空望远镜的测量构架,太阳能电池板和无线电天线。
(2)航空工业用作主承力结构材料,如主翼、尾翼和机体;次承力构件,如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等,此外还有C/C刹车片。
(3)交通运输用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件;船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇和巡逻艇,以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆;海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。
(4)运动器材用作网球、羽毛球和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。
(5)土木建筑幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料。
(6)其它工业化工用的防腐泵、阀、槽、罐;催化剂,吸附剂和密封制品等。生体和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、X光机的床板和胶卷盒。编织机用的剑竿头和剑竿防静电刷。其它还有电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等材料也已获得广泛应用。
优势
1、高强度（是钢铁的5倍）
2、出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)
3、出色的抗热冲击性，抗热冲击和热摩擦的性能优异。
4、低热膨胀系数(变形量小)
5、热容量小（节能），比热容高，能储存大量的热能，导热率低。
6、比重小（钢的1/5，密度1.7g/cm3左右），在承受高温的结构中，它是最轻的材料；高温的强度好，在2200℃时可保留室温强度；有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应”即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。
7、优秀的抗腐蚀与辐射性能，8、耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部, C-C材料是一种升华-辐射型材料。
目前世界上最轻的固体材料——碳海绵
2013年3月，浙江大学高分子系高超教授的课题组制造出一种超轻物质，取名“碳海绵”，这是一种气凝胶，世界上最轻的一类物质，它的内部有很多孔隙，充满空气。
“碳海绵”可任意调节形状，弹性也很好，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂有超快、超高的吸附力，是已被报道的吸油力最强的材料。
2011年，美国科学家合作制造了一种镍构成的气凝胶，密度为0.9毫克/立方厘米，是当时最轻的固体材料。把这种材料放在蒲公英花朵上，蒲公英茸毛几乎没变形。高超课题组这些年一直从事石墨烯宏观材料的研发。他们用石墨烯制造出了气凝胶——“碳海绵”。“碳海绵”每立方厘米重0.16毫克，比氦气还要轻，约是同体积大小氢气重量的两倍。从当时公开的报道看，“碳海绵”是世界上最轻的固体。
这种“碳海绵”是用石墨烯制造的，研究称它可以用来处理海上原油泄漏事件，还可能成为理想的储能保温材料、催化剂载体及高效复合材料，有广阔前景。
“碳海绵”可任意调节形状，弹性也很好，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂有超快、超高的吸附力，是已被报道的吸油力最强的材料。现有吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，而“碳海绵”能吸收250倍左右，最高可达900倍，而且只吸油不吸水。
“碳海绵”这一特性可用来处理海上原油泄漏事件——把“碳海绵”撒在海面上，就能把漏油迅速吸进来，因为有弹性，吸进的油又挤出来回收，碳海绵也可以重新使用。
另外，“碳海绵”还可能成为理想的储能保温材料、催化剂载体及高效复合材料，有广阔前景。
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参考网址：
碳纤维世界
中国碳素材料网
中国碳纤维网
复材在线
碳纤维复合材料高质量制孔工艺 篇4
某碳纤维复合材料发动机壳体设计研制
介绍了某直径?400 mm碳纤维缠绕复合材料发动机壳体的`设计研制.根据该发动机的结构,以石棉/丁腈橡胶为壳体绝热层材料,用网格法建立了封头和筒段等结构层的模型,并给出了发动机的纤维缠绕壳体壁厚和层数设计结果,以及芯模制作、壳体绝热层成型和壳体裙装配等主要成型工艺.工作压力、气密和爆破等水压试验结果表明,所设计的碳复合材料发动机壳体满足性能要求.
作 者：安庆升 王建昌 AN Qing-sheng WANG Jian-chang 作者单位：上海复合材料科技有限公司,上海,06刊 名：上海航天 PKU英文刊名：AEROSPACE SHANGHAI年，卷(期)：24(4)分类号：V435.22关键词：固体火箭发动机 碳纤维复合材料 壳体结构 网格法 水压试验 容积系数