机械用新型碳纤维复合材料的旋转超声加工工艺研究

机械用新型碳纤维复合材料的旋转超声加工工艺研究

罗丹

宁夏共享能源有限公司 

宁夏省银川市   750021

摘要：碳纤维增强聚合物因其高比模量、高强度、高阻尼能力和低热膨胀系数而广泛应用于飞机零部件、汽车零部件和农业机械。近年来，随着机械技术水平的提高，CFRP材料开始逐步应用于某些机械材料的部件。由于机械材料的零部件很多，复合材料零件必须根据其在生产和加工过程中的相应结构和功能进行装配并连接到其他结构。钻孔是最常用的碳纤维钻孔方法。报告的钻孔工具包括倒角孔、多面孔、蜡烛杆孔和几何形状改变的孔(不同的钻孔长度和斜度、间隙、刀尖、螺旋角等)。

关键词：碳纤维复合材料；旋转超声加工；工艺研究；

引言

纤维增强复合材料被定义为由纤维增强材料(玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等)形成的基本材料。并由成型工艺(如卷绕、成型或拉伸)制造。强化纤维聚合物复合材料是高技术和工业领域广泛使用的良好材料。与普通金属材料相比，富纤维聚合物密度低、强度高、硬度强、耐腐蚀性高，广泛用于航空和汽车等高精度工业。然而，这些复合材料常常受到落下的工具和其他低能量物体的破坏，包括撞击、碰撞和冰雹。因此，提高纤维增强材料的机械性能是一个迫切需要研究的问题。

1碳纤维复合材料的分类

碳纤维复合材料主要包括碳纤维增强树脂、碳纤维增强碳基复合材料、碳纤维增强金属基复合材料、碳纤维增强陶瓷基复合材料、碳纤维增强橡胶复合材料、碳纤维增强木材复合材料和碳纤维纸，其中应用最广泛的是碳纤维增强树脂基复合材料。

2碳纤维复合材料的优异性能

（1）力学性能。碳纤维复合材料密度低，密度仅为1.5-2g/cm3，仅占铝合金密度的三分之一，钢密度仅为五分之一，是许多耐高温材料中最轻的一类，而且纤维复合材料制成的组件疲劳强度和断裂强度相对较高。(2)热物理性能。碳纤维复合材料的热膨胀系数相对较低，室温热膨胀系数为(-0.5 ~-1.6)×10-6/k，200-400℃热膨胀系数为0，1000℃热膨胀系数为1.5×10-6/k，温差下的热膨胀系数为1.5×10-6/k较高的热容量具有较好的能量吸收功能，因此其抗热摩擦性能和高温性能也非常重要。(3)碳纤维复合材料的特性。①牵引弹性强。在大多数情况下，碳纤维复合材料的拉伸弹性很大，通常大于3500MPa，是钢材料拉伸强度的七倍。它可以达到2300 ~ 4300 MPa的抗拉弹性模量，大大高于钢。其中，2000 MPa / ( gcm2-3)是与材料模块相对应的碳纤维，但钢材料模块仅为59 MPa/(g cm-3)，也比钢材料模块大得多。②耐高温和耐腐蚀。与许多材料相比，碳纤维复合材料也具有很强的耐蚀性和高温性。理论上碳纤维的耐热性可达2600℃，碳纤维复合材料的耐热性约为200℃。由于其碳结构特点，其整体成型具有广泛的性质。此外，可塑性和稳定性也是实现汽车车身持续轻微增长目标的独特资产。③能量吸收性能较高。在新能源汽车的制造过程中，由于碳纤维复合材料在能源吸收方面的出色性能，它们也得到广泛应用。同时，就材料质量而言，碳纤维复合材料的优点是显而易见的:它们的重量不到类似钢材料重量的50%，约占类似铝材料重量的70%，更能承受冲击。

图1 碳纤维增强环氧树脂工件加工孔的观察

3旋转超声加工

碳纤维强化聚合物(CFRP)由于其高比模量、高强度、高阻尼能力和低热膨胀系数，广泛应用于飞机零部件、汽车零部件和运动用品。近年来，随着机械技术水平的提高和机械要求的提高，cfr材料开始逐步应用于某些机械材料的部件。由于机械材料的个别元件很多，复合零件必须在机械制造和加工过程中根据其相应的结构和功能装配并连接到其他结构。钻孔是最常用的碳纤维钻孔方法。报告的钻孔工具包括倒角孔、多面孔、蜡烛杆孔和几何形状改变的孔(不同的钻孔长度和斜度、间隙、刀尖、螺旋角等)。旋转超声波处理(rum)是一种更先进的处理方法，可在复合材料上以符合成本效益的方式钻洞。带有金属磨料的旋转金刚石芯在轴上进行超音速振动，并以恒定的进给率进入零件。制冷剂被泵入钻头中间的孔中，以强化碎片，避免钻头堵塞并保持冷却。朗姆酒被用来在不锈钢、钛合金、陶瓷和陶瓷复合材料中钻洞，但从未在这种CFRP上钻过。

4纳米颗粒对纤维增强复合材料机械性能的影响

对于纤维复合材料，环氧树脂是一种非常常见的粘合剂，可使纤维材料紧密牢固地结合在一起。纤维结合环氧树脂具有硬破坏特性。添加刚性纳米粒子(RNPs)可以很容易地改善此问题。当环氧树脂基受到外力破坏时，刚性纳米粒子(RNPs)可促进应力集中。它可以吸收大量破坏性能量，避免破坏性裂纹。SiO2纳米粒子广泛应用于复合材料的改性。由于纳米二氧化硅末的SiO2组在有机溶剂或水环境中具有亲水性、化学活性和长期稳定性。此外，纳米sio2表面的羟基自由基可以在颗粒表面混合多种物质，从而改善颗粒表面状况，从而允许化学变化。纳米sio2颗粒表面的羟基自由基可以将多种物质结合到颗粒表面，从而改善颗粒表面状态。进行化学改造。此外，它们还可以产生化学反应，并引入诸如COOH、NH2、NHS和Epoxy等有机功能组。该结构可与某些树脂基配合使用，大大提高了树脂的硬度和强度。同时，小型纳米sio2 SiO2必须正确使用。它可以达到聚合物空间中的分散状态，从而大大提高聚合物的强度、硬度和可扩展性。在基本树脂中制备了具有不同质量百分比的五种成分的样品。结果表明，0.5%混合的SiO2纳米粒子对弯曲强度和frc模量具有重要的积极影响。但是，与5%SiO2纳米粒子混合的样品在弯曲模量方面低于0.5%。高比例的纳米粒子增加了树脂的粘度，从而阻止了玻璃纤维的更好浸渍。因此，粘滞树脂可能导致纤维和树脂组合不当，导致机械强度低。

5结论

（１）碳纤维复合材料的专利申请目前仍然处于增长态势，碳纤维复合材料在航空航天、汽车、机电等领域具有广泛应用，对于提高我国工业生产、国防建设等能力具有重要的促进作用，因此需要真正掌握碳纤维复合材料制备过程中的核心和关键技术。通过加强对国内外相关专利的跟踪分析力度，研判技术发展方向，及时采取应对措施，增强对自身知识产权的保护力度，为未来的产业化应用争取最大利益。（２）从碳纤维复合材料预浸料制备到复合材料成型，日本在该领域有大量专利，并在基础技术研究领域设置了众多障碍，实际控制着碳纤维复合材料技术领域的核心技术。我国在近几年才有大量碳纤维复合材料相关的专利公开，但由于缺乏核心专利与技术，与国外相比还存在较大差距，因此可以考虑与相关科研院所开展合作，利用已有的研究能力与成果共同开发。

结束语

朗姆酒碳纤维增强环氧树脂所含碎片可分为三类:复合碎片(环氧树脂纤维碎片)、环氧粉末和纤维碎片。碎片大小小于300μm。加工表面粗糙度与推力有关。转速越高，进给速度越慢，推力越低，表面粗糙度越低。加工过程中复合材料的变形会导致推力波动，并在同一孔中产生更粗糙的曲面。

参考文献

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