王 奔，楊博文，張 凡，鄭耀輝，王明海，孔憲俊

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

0 引言

碳纖維增強型復合材料(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、工程等領域得到了廣泛應用。為滿足CFRP結構件連接及裝配需求，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、層間結合強度低等特性[1]，切削過程中極易產生分層、毛刺、撕裂等損傷。

復合材料具有良好的物理性能和穩(wěn)定的化學性能等優(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]通過對復合材料進行力學試驗，發(fā)現(xiàn)復合材料層合板隨溫度環(huán)境變化力學性能十分不穩(wěn)定。 劉準等[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)境對開孔復合材料層合板的損傷，結果表明高溫環(huán)境下開孔復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加工過程中產生的高切削溫度，不僅會對加工過程中產生加工損傷，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)轉變[9]，因此加工時的溫度與時間是研究的關鍵。針對切削過程中溫度及時間導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上，結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，探討復合材料使用性能破壞及關鍵影響因素。本文根據加工溫度的控制目標及加工時間的具體評估，對不同環(huán)境下加工質量的研究具有重要意義。

1 實驗設計

1.1 試驗材料

本試驗試件形式按照國際標準ASTM D7264/D7264M-07，試驗所使用的碳纖維復合材料是由碳纖維增強型環(huán)氧樹脂材料逐層對稱鋪設而成，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)氧樹脂復合材料，復合材料固化溫度為120℃，且固化程度為80%，下兩點跨距按照標準比例32:1設定，具體數(shù)據如表1所示。

表1 復合材料試件材料參數(shù)

1.2 不同溫度試驗

根據CFRP實際加工時切削溫度通常低于200℃，試驗設定加熱溫度分別為20℃(室溫)、60℃、90℃、120℃、150℃、180℃。加熱裝置溫度設定不同溫度，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CFRP實際加工時的切削時間通常小于2min，試驗設定加熱時間分別為15s、30s、45s、60s、90s、120s。加熱裝置的溫度設定為復合材料的固化溫度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，材料的力學性能較好。當加工溫度逐漸趨于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，復合材料固化溫度是影響材料性能的關鍵，通過本試驗的發(fā)現(xiàn)進一步研究，在加工溫度為復合材料固化溫度時，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性能較好。當加工溫度逐漸趨于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的力學性能最差，復合材料實際使用性能最低。因此發(fā)現(xiàn)，在復合材料固化溫度區(qū)域內加工溫度及時間是影響材料性能的關鍵。

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，復合材料的制孔溫度應當遠離復合材料固化溫度并嚴格控制加工時間。

然而，某些情況下如果復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，復合材料構件裝配及連接后，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，首先產生破壞，而非靠近孔壁處最先產生破壞。

3 結論

(1)通過不同加工溫度對復合材料進行彎曲試驗可以得出，當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，復合材料的使用性能最差。

(2)通過不同加工時間對復合材料進行彎曲試驗可以得出，當加工時間趨于45s時，彎曲強度和彈性模量大，幅度最低，復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。