王 奔，楊博文，張 凡，鄭耀輝，王明海，孔憲俊

(沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室，沈陽 110136)

0 引言

碳纖維增強型復(fù)合材料(簡稱CFRP)，具有比強度大、比模量高、耐腐蝕等一系列優(yōu)點，在軍事、航空、工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為滿足CFRP結(jié)構(gòu)件連接及裝配需求，需對材料進行鉆削、車削、銑削等機械加工。CFRP作為典型的難加工材料，具有各向異性、層間結(jié)合強度低等特性[1]，切削過程中極易產(chǎn)生分層、毛刺、撕裂等損傷。

復(fù)合材料具有良好的物理性能和穩(wěn)定的化學(xué)性能等優(yōu)點，缺點是在高溫條件下出現(xiàn)材料軟化、降解和老化等現(xiàn)象。因此在實際加工中復(fù)合材料的制備不可避免的會受到溫度環(huán)境的影響[2]。劉桂銘等[3]對復(fù)合材料在不同溫度環(huán)境下進行靜力拉伸試驗和疲勞試驗，得到溫度環(huán)境對靜力拉伸強度和疲勞壽命都有很大影響。宋健等[4]通過對復(fù)合材料進行力學(xué)試驗，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料層合板隨溫度環(huán)境變化力學(xué)性能十分不穩(wěn)定。 劉準(zhǔn)等[5]通過對固化后的樹脂基體進行不同時間與儲能模量曲線的分析，得到復(fù)合材料的開孔層板強度受加工時間和溫度影響十分敏感。歐陽林輝等[6]研究了高溫環(huán)境對開孔復(fù)合材料層合板的損傷，結(jié)果表明高溫環(huán)境下開孔復(fù)合材料的損傷從孔邊緣開始直至斷裂，且斷裂面從孔邊緣一直延伸至層合板的邊緣。

CFRP加工過程中產(chǎn)生的高切削溫度，不僅會對加工過程中產(chǎn)生加工損傷，也會對材料加工后的使用性能造成影響[7]。CFRP在加工過程中加工時間的不同，同樣會對材料加工和使用性能造成巨大影響[8]。切削溫度達到一定值并持續(xù)一段時間，樹脂基體會由玻璃態(tài)向橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變[9]，因此加工時的溫度與時間是研究的關(guān)鍵。針對切削過程中溫度及時間導(dǎo)致加工過程中的損傷破壞研究較多[10]，并且加工時損傷已具備較好的檢測手段[11]。然而針對加工后材料使用性能的研究較少，對加工時間影響材料使用性能的研究更為少見。

本文通過制備具有一定特征的試驗樣品，在材料固化溫度基礎(chǔ)上，結(jié)合不同切削溫度及不同加工時間的彎曲試驗[12]，分析環(huán)境對加工后CFRP力學(xué)性能的影響，著重對比分析不同高切削溫度及不同加工時間，對材料彈性模量和彎曲強度的變化，探討復(fù)合材料使用性能破壞及關(guān)鍵影響因素。本文根據(jù)加工溫度的控制目標(biāo)及加工時間的具體評估，對不同環(huán)境下加工質(zhì)量的研究具有重要意義。

1 實驗設(shè)計

1.1 試驗材料

本試驗試件形式按照國際標(biāo)準(zhǔn)ASTM D7264/D7264M-07，試驗所使用的碳纖維復(fù)合材料是由碳纖維增強型環(huán)氧樹脂材料逐層對稱鋪設(shè)而成，鋪層方式為[90°/-45°/0°/+45°]s對稱鋪層。如圖1所示。

圖1 三點加載彎曲試件圖

本次試驗使用碳纖維增強型環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，復(fù)合材料固化溫度為120℃，且固化程度為80%，下兩點跨距按照標(biāo)準(zhǔn)比例32:1設(shè)定，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 復(fù)合材料試件材料參數(shù)

1.2 不同溫度試驗

根據(jù)CFRP實際加工時切削溫度通常低于200℃，試驗設(shè)定加熱溫度分別為20℃(室溫)、60℃、90℃、120℃、150℃、180℃。加熱裝置溫度設(shè)定不同溫度，將試件分別放入裝置中加熱時間均保持2min，取下試件放在室溫環(huán)境中冷卻30min，開始進行彎曲試驗，且彎曲試驗在室溫中進行。如圖2所示，試驗采用instron電子萬能試驗機，試驗機量程為0～100kN，試驗溫度為20°C(室溫)。

圖2 測量試驗整體圖

1.3 不同時間試驗

根據(jù)CFRP實際加工時的切削時間通常小于2min，試驗設(shè)定加熱時間分別為15s、30s、45s、60s、90s、120s。加熱裝置的溫度設(shè)定為復(fù)合材料的固化溫度120℃，將試件分別放入裝置中，加熱不同的時間，取下試件并放在室溫環(huán)境中，冷卻30min，開始進行彎曲試驗，彎曲試驗在室溫中進行。見圖2，試驗采用instron電子萬能試驗機，試驗機量程為0～100kN，試驗溫度為20°C(室溫)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫度試驗變化

圖3是加工溫度與彎曲強度及彈性模量的折線圖。通過圖3可以看出，加工溫度對CFRP的使用性能存在巨大影響，隨著加工溫度的升高，CFRP的彎曲強度和彈性模量均呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。加工溫度在20℃～90℃區(qū)間時，材料彎曲強度和彈性模量變化較小，此時加工溫度對CFRP的使用性能影響不大，材料的力學(xué)性能較好。當(dāng)加工溫度逐漸趨于120℃時，材料彎曲強度和彈性模量均呈現(xiàn)迅速減小趨勢，且在120℃時彎曲強度和彈性模量均呈現(xiàn)出現(xiàn)最小峰值，彎曲強度為188MPa，彈性模量為9GPa。當(dāng)加熱溫度在120℃～150℃區(qū)間時，彎曲強度和彈性模量均有所增大。

圖3 彎曲試驗溫度—彎曲強度—彈性模量折線圖

本試驗所使用CFRP的固化溫度為120℃，在加工過程中加工溫度在120℃時材料的力學(xué)性能最差，材料的實際使用性能最低。 因此發(fā)現(xiàn)，在加工時間均為2min時，復(fù)合材料固化溫度是影響材料性能的關(guān)鍵，通過本試驗的發(fā)現(xiàn)進一步研究，在加工溫度為復(fù)合材料固化溫度時，不同的加工時間對材料使用性能的影響。

2.2 不同時間試驗變化

圖4是加工時間與彎曲強度及彈性模量的折線圖。通過圖4可以看出，加工時間對CFRP的使用性能同樣存在巨大影響，隨著加工時間的延長，CFRP的彎曲強度和彈性模量同樣均呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。加工時間在15s～45s區(qū)間時，材料彎曲強度和彈性模量變化不大，此時加工溫度對CFRP的使用性能影響不大且材料力學(xué)性能較好。當(dāng)加工溫度逐漸趨于45s時，材料彎曲強度和彈性模量均減小，在加工時間為45s時，CFRP的彎曲強度為770MPa，彈性模量為77GPa，均呈現(xiàn)出現(xiàn)最小峰值。當(dāng)加工時間超過60s時，彎曲強度和彈性模量均有所增大。

圖4 彎曲試驗時間—彎曲強度—彈性模量折線圖

2.3 實際加工質(zhì)量影響

通過多項試驗對比研究發(fā)現(xiàn)，加工溫度在固化溫度120℃且在此溫度的加工時間為45s時，CFRP的力學(xué)性能最差，復(fù)合材料實際使用性能最低。因此發(fā)現(xiàn)，在復(fù)合材料固化溫度區(qū)域內(nèi)加工溫度及時間是影響材料性能的關(guān)鍵。

由于加工過程中溫度通常高于材料的固化溫度及加工時間，根據(jù)加工溫度及加工時間對材料彎曲性能的影響，發(fā)現(xiàn)加工后孔周圍材料彎曲性能在固化溫度區(qū)域材料彎曲性能最差。因此，復(fù)合材料的制孔溫度應(yīng)當(dāng)遠離復(fù)合材料固化溫度并嚴(yán)格控制加工時間。

然而，某些情況下如果復(fù)合材料制孔過程中的溫度或者時間高于加工溫度及延長加工時間，復(fù)合材料構(gòu)件裝配及連接后，在一定載荷的作用下，在加工過程中溫度處于120℃附近，加工時間處于45s的材料，首先產(chǎn)生破壞，而非靠近孔壁處最先產(chǎn)生破壞。

3 結(jié)論

(1)通過不同加工溫度對復(fù)合材料進行彎曲試驗可以得出，當(dāng)加工溫度趨于固化溫度120℃時，彎曲強度和彈性模量大，幅度最低，復(fù)合材料的使用性能最差。

(2)通過不同加工時間對復(fù)合材料進行彎曲試驗可以得出，當(dāng)加工時間趨于45s時，彎曲強度和彈性模量大，幅度最低，復(fù)合材料的使用性能最差。

(3)在加工過程中處于固化溫度區(qū)域，或加工時間在45s時的復(fù)合材料彎曲性能最低，材料的使用性能最差，因此在使用過程中并非在最靠近孔壁處的材料首先發(fā)生破壞。