碳纤维及其复合材料分析

碳纤维及其复合材料分析

张鸽1  孙文慧1   宋旭晖2    姚昕婧2   张瑞琪2

1空装驻西安地区第一军事代表室 陕西西安 710089

2中航西安飞机工业集团股份有限公司陕西西安710089

摘 要：碳纤维复合材料是一种先进的材料，它的质量更轻，强度更高，耐温性更好，因此它在航空、航天和汽车等诸多方面都有着广泛的应用。除了单次成形以外，复杂曲面零件在成形后难免会产生二次切削。但这类复合材料由较柔软、较高粘度的基材和较高的高强度纤维组成，呈现出多相特征，其机械性能呈现出各向异性特征。下面，我们将对其特点进行理性的剖析和研究，以期为相关领域的发展和应用提供一些科学依据。

关键词：碳纤维；复合材料；数控加工技术

碳纤维复合材料的数控制造工艺，是一种先进、科学和高精度的工艺，在实际应用中，可以提高工艺的质量，因此，它具有非常大的应用价值，应该对其进行深入的研究和分析。在对碳纤维复合材料的数控制造工艺进行解析的过程中，存在着很多的困难和困难，要想掌握相关的关键点，就必须要花费大量的研究和研究的时间和精力。

1.碳纤维复合材料的基本特点分析

碳纤维复合材料是一种新型的人工材料，在军事和航空航天等方面具有重要的用途。以树脂高分子为基础，以碳纤维为承载构件，以其作为承载构件、以其为主的机械特性。基质材料的基础功能是让不同的物质更好地连接在一起，通过剪切的方式将强化物质传递到外部，从而发挥出物质的功能，同时，这种物质的使用也将呈现出系统的特征。另外，基质还能起到防护作用，防止外界侵蚀。

这类材料的特性比较明确，在基础应力下，可以使其产生与树脂的变形一致的变形，但是，由于基体树脂的弹性模量要小于纤维，而且，它的易塑性也很容易被征服，所以，当同一应变下，纤维内的应力，将会远远大于基体内的压力，从而导致裂纹，然后，当断口处被阻挡的时候，剩下的那一段，将会和其他没有被破坏的纤维，一起承受同样的压力。载荷增加的另外一个重要因素是基质对裂缝的阻裂作用，由于软基质的剪切作用，使裂缝很难沿纵向扩展，甚至产生不应有的倾斜，这就造成了大量的破坏，对基质和纤维的黏附力产生了阻碍作用，并加快了裂缝的发展。所以，整体的性能必然会有所提升，重视这一部分的研究，就必须在这一部分上花费大量的研究时间和精力，从而达到最好的效果。

目前，此类复合材料研究多采用单一预浸渍法，叠加法多层结构，其组合方式有两种：一种是位于基材内部的碳纤维，呈现出“同向性”，即各层纤维取向一致。这种结构通常被称之为多向复合结构，另外一种结构中的各层呈不同的取向，被称为多向复合材料。多向复合材料，通过在纤维的角度，均匀排列，能够有效地抵抗各种应力，比如，能够支撑基底在平面内受到的侧向拉伸，并且能够将所产生的热系数给去除，防止因为硬化，或者因为温度的不同，导致的弯曲变形。

2.碳纤维复合材料的应用

目前，由于碳纤维复合材料具有轻质、高强、耐高温、耐腐蚀性等优点，在结构材料和耐高温、耐高温、耐腐蚀等方面有着广泛的用途。与一般的钢铁相比，这种复合材料的重量减轻了75%，同时也增加了四倍的硬度，被广泛地用于军机和无人机。经过近几年的发展，碳纤维已经被广泛地运用到了各个行业，成为我国高新技术产业发展的重要支撑。将其应用于航天科技中。不只是军用领域，在其他领域也有着重要的用途，例如航空航天、高铁制动系统等，这种材料被广泛使用，而且取得了良好的性能。

以磨代钻的钻孔工艺，可以直接用于数控加工，只需要针对有明显区别的孔，就可以设计出各种形状的工具。比较具体的切割钻孔修磨方式，可以直接应用在数控加工过程中，刀具会逐渐地与孔壁接触，从而导致刀具受到周期性的冲击，这对刀具和设备的加工使用寿命影响很大。同时，在随后的切削过程中，因材料表截面的影响，使得切削速度难以达到理想的优化。而且，在未来的发展过程中，碳纤维的产量将会不断提升，同时，它的使用范围也会越来越广泛。

3.碳纤维复合材料切削加工特点分析

这类复合材料一般由质地柔软、粘性大的基材和高强度的纤维构成的多相组织。在切削过程中，金属的力学性质会出现不均匀的变化，在切削过程中会产生非常严重的变形。其切割特性，着重于如下几个方面：

（1）材料产生分层破坏

由于铺层间存在剥离现象，导致铺层失效，即剥离问题，在该工艺中，剪切工艺不合理，导致复合板受到更大的受力。剥离会影响到材料的性能和品质，甚至可能导致产品的失效，哪怕只是一次轻微的损伤。

（2）刀具磨损较为严重，耐用度较低

切削区的温度比较高，而且比较易在刀具的切割范围内产生，产生的纤维反弹和粉末碎屑，也会对刀刃和后刀面的损伤造成很大的影响，再加上碳纤维的硬度比较大，所以刀具的损耗比较显著，在后刀面上，可以看到有沟状的磨损，从而导致了耐用度的降低，必须引起注意，并对其进行改进。

（3）产生残余的应力

加工表面尺寸的精度，表面粗糙度很难达到要求，极容易出现残余应力。这主要是因为切割温度越高，加强纤维和基材的热膨胀也就越大。由于这些材料呈现出了不同的方向，所以它们之间的界面强度就会变得很小，在切割的时候，在切割的时候，很可能会产生剥离和破裂的现象，特别是在钻孔的时候，这一点尤为突出，很难保证加工的质量。从资料中可以看出，装配过程中出现的缺陷，会导致零件的报废率超过60%。

（4）切削温度相对较高

对于切削形成过程，主要表现出复杂性特点，因为整个过程呈现出基体破坏，与纤维断裂互相影响特点。在这一工作中，由于碳纤维在切割过程中，所用的刀具与工件之间会发生摩擦，生成大量的切削热，此外，由于碳纤维的导热性能差，在切割过程中，会向刀具和工具传导热量，从而造成刀具在一段时间的损耗。

结束语：

综上所述，对碳纤维复合材料的数控加工技术进行有效的分析，对我国的数控工作和碳纤维复合材料的使用都有很大的优化效果，所以必须在这方面投入更多的时间和精力。相信经过相关人员不断地研究和分析，一定可以掌握这些技术要点，为平稳地进行工作打下比较理想的基础。

参考文献

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