碳纤维陶瓷基复合材料的磨削加工研究进展

碳纤维陶瓷基复合材料的磨削加工研究

进展

摘要：近年来我国综合国力的不断增强，工业的迅猛发展，涌现出大量的工

业企业。碳纤维树脂基复合材料具备了碳纤维材料的模量高、质量轻、韧性好等

特性，同时也兼具了树脂的质软、减震、消音效果，主要应用于大型飞机的机翼、筒段等关键构件及汽车的车身、底盘等零部件，以达到飞机、汽车等轻量化目的。陶瓷基复合材料是将纤维植入碳化硅陶瓷基体形成的一种复合材料，具有耐高温、比强度高、热膨胀系数低等优良材料性能。由于材料具有不易磨损和对微裂纹敏

感性低的优点，已经开始应用于航空航天和国防等领域。本文就碳纤维陶瓷基复

合材料的磨削加工研究进展展开探讨。

关键词：碳纤维陶瓷基复合材料；磨削参数；磨削力

引言

随着航空航天领域对热防护材料温度要求的逐渐提升，传统的材料已经无法

满足当前的需求。作为一种新型材料，碳纤维超高温陶瓷基复合材料兼具良好的

超高温力学性能、抗氧化性能以及结构韧性，已经受到了超高温材料界的广泛关注。

1碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料

20世纪80年代，碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(Cf/SiC)因在航空航天

热防护领域获得成功应用而备受瞩目。然而，SiC在高于1650℃时会发生主动氧化，限制了Cf/SiC在更高温度热防护领域的应用(如火箭燃烧室、喷嘴等)。借

助UHTCs优异的高温耐烧蚀特性，将UHTCs相引入碳纤维预制体制成Cf/UHTCs

有望填补这一应用空白。从高温氧化的角度看，碳纤维似乎不适合用作UHTCs增

强体，然而碳纤维具有3个非常显著的优势:首先，高温力学性能突出，几乎是

目前在高于2000℃的高温下仍保持优异力学性能的唯一纤维;其次，质地柔软，

可编织成任意形状，一定程度上缓解了UHTCs广受诟病的成型难题;最后，就技

术条件来说，碳纤维是商业化最早也是技术最成熟的高性能纤维，且相比于其它

纤维，其价格更便宜。因此，无论从技术条件还是经济层面上来讲，碳纤维无疑

是最合适的UHTCs的增强材料。

2磨削参数对磨削力的影响

磨削加工是通过砂轮与工件间的接触运动而去除工件材料的一种加工方法，

砂轮与工件的接触运动受磨削加工参数影响，因此，磨削参数影响着磨削加工过

程中磨削力的大小和变化情况。通过对C/SiC复合材料进行了单颗磨粒刻划实验，发现切向和法向磨削力均与磨削深度呈正相关，与主轴转速呈负相关。磨削了石

英纤维增强二氧化硅复合材料，结果表明当磨削深度从40μm增加到300μm，法

向磨削力从16N增加至56N，切向磨削力从12N增加至30N，其原因是磨削深度

的增加导致磨粒切削厚度、未变形切屑厚度、接触弧长和有效磨粒总数增加，从

而出现上述规律。在磨削2.5维Cf/SiC复合材料的过程中发现同样的规律，并

表明其原因在磨削深度和进给速度增加时，未变形的切削厚度增大，同时参与磨

削的磨粒数也增多，导致磨削力增大；当砂轮转速提高时，磨粒切入工件的深度

减小，使磨削力降低。采用单颗磨粒和砂轮分别对SiO2/SiO2复合材料进行了磨

削实验，发现单颗磨粒磨削SiO2/SiO2复合材料过程中的磨削力的大小与磨削深

度呈正相关，磨粒速度对磨削力的影响规律与磨削深度对其影响规律相反，但在

砂轮磨削时，磨削深度和砂轮转速对磨削力的影响呈现出波动变化，这是由于磨

粒和砂轮与加工表面之间的相互作用方式不同导致磨削力不呈现出线性相关性。

综上，与匀质材料相比，碳纤维陶瓷基复合材料在单颗磨粒磨削时，磨削参数对

磨削力的影响规律与匀质材料相似，磨削力与磨削深度和进给速度均呈正相关性，与砂轮转速呈负相关性；与单颗磨粒磨削不同的是，在砂轮磨削时，在一定范围

内磨削力随着砂轮转速和磨削深度的增加而波动，没有呈现出线性相关性。

3碳纤维超高温陶瓷基复合材料的制备发展与应用前景分析

对于制备而言，目前相关工艺还不够精细化，对其中的超高温陶瓷基体的致

密化、结构的精密控制等方面的机理研究还不够透彻，诸多问题仍有待深入探索，未来与制备相关的研究和应用将主要集中在以下几个方向：（1）开发全新的制

备工艺和方法，实现材料的低能耗、低污染制备。（2）对已经成熟的工艺和技

术进行改进和结合。目前已有的工艺成熟度较高，且操作流程简单，易于进行针

对性的改造，可通过不断的试错对工艺本身进行优化。（3）深入开展制备工艺-

材料结构-力学性能之间的关联性研究，深入探讨三者之间的影响机理，为超高

温陶瓷基复合材料性能提升提供理论基础，从而提高新材料的研发效率。而在碳

纤维超高温陶瓷基复合材料应用前景方面，超高温陶瓷复合材料具有优异的高温

力学性能，能够有效解决陶瓷本身抗氧化性能差的缺陷，但材料较低的损伤容限

和抗热冲击性能严重影响了其实际应用，需进行韧性增强来消除这一限制[4]。

在超高温陶瓷复合材料的强韧化方法中，使用碳纤维增强体来增加陶瓷基的韧性，将是未来超高温陶瓷复合材料增韧的重要研究方向，尤其是在火箭推进、飞行器

高超音速飞行、再入大气层、高速刹车等极端应用场景下，碳纤维增强超高温陶

瓷复合材料将会是极具前景的候选材料之一。

结语

目前，关于碳纤维陶瓷基复合材料的磨削加工主要集中在磨削力、表面质量

以及磨削机理方面，主要得到以下结论：（1）与磨削匀质材料相比，磨削加工

参数对碳纤维陶瓷基复合材料磨削加工的磨削力、表面质量的影响大致相似；（2）磨削方向与纤维方向的夹角是碳纤维陶瓷基复合材料磨削加工的磨削力、

表面质量等变化的重要因素，磨削加工时需重点考虑磨削方向对磨削效果的影响；（3）超声振动辅助磨削是碳纤维陶瓷基复合材料磨削加工的一种重要手段，它

可以有效降低磨削力、表面粗糙度和纤维破碎等情况。

参考文献

[1]严春雷，刘荣军，曹英斌，等.超高温陶瓷基复合材料制备工艺研究进展[J].宇航材料工艺，2019，42(4)：7-11.

[2]陈小武，董绍明，倪德伟，等.碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料研究进

展[J].中国材料进展，2019，38(9)：843-854，886.

[3]叶荣隆.碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料的制备及微观组织结构研究

[D].南京：东南大学，2020.