复合材料加工研究进展

复合材料加工技术的最新研究进展

摘要：本主要综述了陶瓷基、树脂基这两种主要的非金属基复合材料的加工技术。通过对传统加工和新型加工技术的比较，认为今后研究非金属基复合材料加工工艺参数的优化，工艺过程中关键步骤的改进，新技术的研究，生产设备自动化、智能化程度的提高，生产线的规模化、专业化、可控制化，是其加工技术发展的关键。

关键词：陶瓷基、树脂基、复合材料加工

复合材料是由两种或两种以上不同化学性能或不同组织结构的材料，通过不同的工艺方法组成的多相材料，主要包括两相：基体相和增强相。20世纪40年代，因航空工业需要而发展了玻璃纤维增强塑料，是最早出现的复合材料，从此以后，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，构成了格局特色的复合材料。复合材料由于其具有各方面独特的性质，广泛应用与军事工业，汽车工业、医疗卫生、航空、航海以及日常生活的各个方面。对于复合材料的加工技术的研究，将是扩大其适用范围的关键之一[1]。

1 陶瓷基复合材料的加工

由于陶瓷材料同时具有高硬度、高脆性和低断裂韧性等特点，使得其加工、特别是成形加工，至今仍非常困难。在陶瓷材料加工中，使用金刚石工具的磨削加工仍然是目前最常用的加工方法，占所有加工工艺的80％。而陶瓷材料磨削加工不仅效率低，而且在加工中很容易产生变形层、表面/亚表面微裂纹、材料粉末化、模糊表面、相变区域、残余应力等缺陷，这对于航空、航天、电子等高可靠性、高质量要求的产品是决不允许的。陶瓷精密元件的加工费用一般占总成本的30％～60％，有的甚至高达90％。因此，通过新的陶瓷加工制造技术的探索，能够很好的提高产品制造精度和降低生产成本[2]。

1.1新型加工技术

1.1.1 放电加工

放电加工(EDM)是一种无接触式精细热加工技术，当单相或陶瓷／陶瓷、陶瓷／金属复合材料的电阻小于100Ω.m时，陶瓷材料可以进行放电加工。首先将形模(刻丝)和加工元件分别作为电路的阴、阳极，液态绝缘电介质将两极分开，通过悬浮于电介质中的高能等离子体的刻蚀作用，表层材料发生熔化、蒸发或热剥离而达到加工

材料的目的。由于加工过程模具未与工件直接接触，故无机械应力作用于材料表面，因此放电加工是理想的加工高脆、超硬陶瓷材料的方法[3]。

1.1.2 ELID精密磨削加工技术

ELID精密磨削技术一金属基超硬磨料砂轮在线电解修整(简称ELID)磨削技术是国外近年发展起来的一种适应于工程陶瓷等硬脆材料的精密和超精密加工新技术。在对硬脆陶瓷进行磨削时，砂轮将因磨损和堵塞而很快钝化，这将增加脆性断裂比例。为了使砂轮在磨削全过程保持锋利，必须对砂轮进行在线修整。应用ELID磨削技术，可对工程陶瓷等硬脆材料实现高效率磨削和精密镜面磨削。国内外研究结果表明，ELID磨削过程中磨削力明显小于普通磨削，因为砂轮保持在良好的修整状态。由于磨轮表面绝缘层处于形成、破裂循环之中，导致磨削力周期变化，提高脉冲电源占空比可以提高磨削力的稳定性和降低表面粗糙度，但是增加了砂轮磨损率。ELID磨削应使用弱电解质水溶液，既具有电解性能又可做为磨削液，且对机床无腐蚀性。金属结合荆也会影响ELID磨削过程中的适应性、磨削效率和表面质量，铸铁基砂轮磨削效果及稳定性好，且砂轮寿命高[4]。

1.1.3 激光加工

激光加工是利用高能量密度(108～1010w/m2)的均匀激光束作为热源，在加工陶瓷材料表面局部点产生瞬时高温，局部点熔融或汽化而去除材料。激光加工是一种无接触、无摩擦式加工技术，加工过程中不需模具，通过控制激光束在陶瓷材料表面的聚焦位置，实现三维复杂形状材料的加工。一般激光钻孔和切割所需激光功率为150w～15kW。但同放电加工一样，由于陶瓷材料热导率低，高能束可能会在材料表面产生热应力集中，形成微裂纹、大的碎屑、甚至材料断裂。

1.1.4 超声波加工

1927年，美国物理学家伍德和卢米斯最早做了超声加工试验，利用强烈的超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔，但当时并未应用在工业上。l951年，美国的科恩制成了第一台实用的超声打孔机，并引起广泛关注，为超声加工技术的发展奠定了基础。上世纪五六十年代，利用超声波钻孔已经开始应用，八十年代末，前苏联已经生产系列超声振动钻削装置。九十年代以后，旋转超声加工开始应用于这类材料加工上，同时加工设备已经开始向自动化、智能化、集成化、附件化方向发展。如德国DMG 公司生产出旋转超声加工机床，开发出旋转超声专用磨头附件，机床采用智能控制算法ADC/自适应控制和ACC/Acoustic控制以及APC/压力自动控制，可以在无人值守的条件下完成加工[5]。

2 树脂基复合材料的加工

树脂基复合材料于1932年在美国出现，1940年以手糊成型的方法制成了玻璃纤维增强聚酯的军用飞机雷达罩。其后不久，美国莱特空军发展中心设计制造了一架以玻璃纤维增强树脂为机身和机翼的飞机，并于1944年3月在莱特一帕特空军基地试飞成功。从此纤维增强复合材料开始受到军界和工程界的关注。第二次世界大战以后这种材料迅速扩展到民用领域，风靡一时，发展很快[1]。

2.1 传统加工方法

树脂基复合材料的加工已经有多年的研究历史了。传统的加工方式时主要有接触挤压加工成型、拉挤成型、模压成型、缠绕成型这几种。以下将做简单介绍。

2.1.1 接触低压成型加工

接触低压成型工艺的过程是，先将材料在阴模、阳模或对模上制成设计形状，通过加热或常温固化，脱模后再经过辅助加工获得制品。1963年前后在美、法、日等国先后开发了高产量、大幅宽、连续生产的玻璃纤维复合材料板材生产线，使复合材料制品形成了规模化生产。这一举措使复合材料成型工艺走向了自动化、高效化、专业化的方向，对复合材料工业的发展起到了决定性的作用。接触成型工艺的最大优点是设备简单，适应性广，投资少，见效快。但其同时存在着生产效率低、劳动强度大、产品重复性差等显著缺点。于是改进这种工艺成为先进复合材料的成型工艺下一步发展的关键[6]。

2.1.2 拉挤成型加工

树脂基复合材料拉挤成型工艺的研究始于20世纪50年代。到60年代中期，拉挤成型工艺已投入到连续化生产中。70年代，拉挤技术又有了重大的突破。该工艺将已润湿的树脂胶液的连续纤维束或带在牵引结构拉力的作用下，通过成型模成型，并在模中或固化炉中固化，连续生产出长度不受限制的复合型材。由于在成型过程中需经过成型模的挤压和外牵引拉拔，而且生产过程和制品长度是连续的，故又称为拉挤连续成型工艺。该工艺具有生产效率高，易于控制，产品质量稳定和制造成本较低等优点；而且纤维按纵向排列，使制品具有高的拉伸强度和弯曲强度。现在，拉挤工艺主要用于生产各种玻璃钢型材，如玻璃钢棒，工字型、角型、槽型、方型、空腹型及异形断面型材等。目前最大的拉挤成型机，可以生产断面为800×800(mm)的空腹玻璃钢型材[6]。