霍秀兵 徐強 王趙陽 王寧

摘? 要：近年來，經濟和技術的發(fā)展使得人們的生活水平得到了很大的提升，高強度、韌性好、耐低溫、輕質的碳纖維復合材料在交通、建筑、化工、電氣以及航空等很多領域顯現(xiàn)出了重要的地位，由于碳纖維復合材料各向異性的性能，其纖維方向是影響其加工工藝的重要因素，本文介紹了碳纖維復合材料及其具有的廣闊發(fā)展空間，以纖維方向為研究對象，通過從切削方向、角度、切面粗糙度等方面進行探究，以期為碳纖維復合材料的性能和質量的改善提供理論基礎。

關鍵詞：纖維方向? 碳纖維復合材料? 特點性能影響? 質量改善

中圖分類號：TB33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）11（c）-0044-03

Effect of Fiber Orientation on Processing Properties of Carbon Fiber Composites

HUO Xiubing? XU Qiang? WANG Zhaoyang? WANG Ning

（Beijing Satellite Manufacturing Co.， Ltd.， Beijing， 100089 China）

Abstract： In recent years， With the development of economy and technology， people's living standard has been greatly improved. High strength，Good toughness， low temperature， lightweight carbon fiber composites in traffic， build， chemical industry， electrical and aviation and many other fields have shown an important position. Due to the anisotropic properties of carbon fiber composites， The fiber direction is an important factor affecting its processing technology， this paper introduces the carbon fiber composite and its broad development space， taking the fiber direction as the research object， through the cutting direction， angle， section roughness and other aspects to explore， in order to provide a theoretical basis for improving the properties and quality of carbon fiber composites.

Key Words： Fiber orientation; Carbon fiber composites; Characteristic performance influence; Quality improvement

在實際的應用中，碳纖維復合材料的加工過程較其他材料更為復雜，其加工過程中易產生分層、撕裂、拉絲、崩塊等問題，對于碳纖維復合材料的尺寸控制相對困難，對于加工時耐高溫刀具也有很高的要求，溫度太高，極易產生發(fā)熱堵塞，基體表面產生碳化，切削是否合適直接影響著碳纖維復合材料的應用，而纖維方向對碳纖維復合材料的性能影響是其加工中最直接的影響因素，在此我們探求了纖維方向、切面粗糙度對碳纖維復合材料加工性能的影響規(guī)律，探究出最佳的實驗值，以指導實際的生產實踐。

1? 碳纖維復合材料概述

碳纖維是一種含碳量非常高、力學性質優(yōu)越的纖維材料，它是有機纖維經過熱處理后形成的，既具有碳材料的固有特性，又具有纖維材料的柔軟韌性，在復合材料的發(fā)展過程中，進行纖維材料的增強一直是一個熱點話題，從玻璃纖維和樹脂纖維，再到碳纖維、陶瓷纖維的誕生，復合材料領域的發(fā)展越來越煥發(fā)著勃勃的生機，尤其是碳纖維的問世，讓它迅速成為復合材料領域應用廣泛、性能優(yōu)越的新一代增強纖維材料。

從碳纖維復合材料的含碳量來看，它是一種具有普遍碳素材料特性的復合材料，一般含碳量都能達到90%以上，雖然具有高的含碳量，由于碳纖維與樹脂、金屬等的基體復合，它還具備很多一般碳素所沒有的性質，比如典型的各向異性和柔軟可加工性，從碳纖維復合材料的質量和結構來看，它是一種力學性質優(yōu)異的材料，其抗拉強度是鋼材料的很多倍，其抗拉彈性模量也比一般的鋼材料高，但是它的比重卻不到鋼材料的1/4，是一種強度與模量都得到改善的新型材料，對于金屬材料的抗氧化性差、易被腐蝕這一缺點起到了很好的彌補作用，在很多領域都起到了重要的作用。最后從碳纖維復合材料的形成過程來看，它是由片狀的石墨微晶沿著纖維方向堆砌而成，然后經過碳化處理形成的一種復合材料，由于經過了碳化處理，這種材料的變得輕質，抗腐蝕性能也得到了改善，兼具多種優(yōu)點，應用價值極高。

2? 碳纖維復合材料的特點

2.1 具有很高的強度與模量

強度是指對于載荷作用的最強承受能力，也被稱為斷裂強度。對于其描述，沒有固定的參數(shù)可以準確定義，由于存在晶界，其實際強度比理論強度低，模量是描述剛性的一個參數(shù)，通常也稱為彈性模量，碳纖維復合材料的強度和模量都相對其他材料是更高的，主要表現(xiàn)在其極小的密度上。這種特性決定了在實際應用中，在相同的條件下，會比其他材料承受更大的強度，在承受強度相同的條件下，其質量相對更小。

2.2 具有更高的抗破損性

抗破損性能主要用于描述其抵抗外界破損的能力，在傳統(tǒng)的材料領域，很多材料一旦受到破壞，會導致其迅速發(fā)生開裂、損壞，而碳纖維復合材料在這一點上卻得到了很好的改善，其被破壞作用并不是瞬時的過程，內部裂紋會逐步擴展，如果破損只是發(fā)生在材料的一些纖維上，那么整個基體對于荷載仍然能夠傳遞和承載，這樣其破損的時間要較其他材料延緩很多。

2.3 具有良好的減震性

減震性指材料在力的作用下，被破壞前能夠稱承受的最大塑形變化，是描述材料的一個特性值，它代表了材料承受壓力而沒有發(fā)生應變的特性。碳纖維復合材料具有很好的減震性，其自震頻率與本身的形狀、材料模量二次方等有著一定的聯(lián)系，其自震頻率不是很高，碳纖維復合材料的界面可以進行能量的吸收，因此，其具有良好的減震性能。

2.4 耐高溫和耐腐蝕的性能

碳纖維復合材料相對于金屬材料還具備耐酸堿腐蝕的特點，其具備的這個特點克服了金屬材料的主要缺點，使用期限更久，能夠滿足更加嚴苛的環(huán)境條件，化學性能穩(wěn)定性極好，除強酸等特殊物質外，在常溫常壓附近，幾乎為化學惰性，應用面更加廣泛，這種特性可以使碳纖維復合材料可以被廣泛地應用于各種生產中。

3? 碳纖維復合材料發(fā)展和現(xiàn)狀

碳纖維復合材料是20世紀50年代初應航空航天、汽車制造等技術的需要而產生的一種新型材料，后來在紡織、化工機械及醫(yī)學領域也得到了廣泛應用。

從20世紀70年代開始，在石油、冶金、航空航天、涂料化工等領域對材料提出了越來越高的要求，其中碳纖維復合材料由于其兼具金屬和非金屬的諸多優(yōu)點而在眾多材料中脫穎而出，受到人們的高度重視，科技工作者開始尋找新的突破和改進材料的性能。經過多年的發(fā)展，逐步取得了一定的發(fā)展成果，在國內市場，初步形成了一條相對完善的碳纖維復合材料產業(yè)鏈，碳纖維復合材料被廣泛地應用于航空航天、汽車制造等多個領域。在汽車制造業(yè)中，碳纖維復合材料的應用技術已趨于成熟，電動汽車車身就應用了該材料，使用的碳纖維復合材料，不僅實現(xiàn)了汽車生產成本的有效控制，還達到了生產效率提高的理想效果，有利于實現(xiàn)規(guī)?；a，在汽車生產中，使用的復合材料類型較多，但是，有些復合材料的應用范圍有限，并不能夠在汽車生產領域中大力推廣。

4? 探究纖維方向對碳纖維復合材料的影響

近年來，纖維增強復合材料已經取得了長足的發(fā)展，這種材料在材料理論的發(fā)展中受到廣大的科研工作者青睞，很多材料工業(yè)研究中，碳纖維復合材料成為改進工程塑料性能的必要技術之一。為了使得碳纖維復合材料得到更好的應用，進行了對于纖維形態(tài)結構與增強復合材料力學性能的研究，包括：纖維質量分數(shù)、纖維方向，纖維分散和取向等等，本文針對纖維方向對碳纖維復合材料的影響，做了如下幾個方面的研究。

4.1 纖維方向對拉伸性能的影響

為了準確地研究纖維取向和碳纖維復合材料性能的關系，用模壓成型制備了碳纖維復合材料的試樣，在這個試樣的性質中，纖維的方向是可以控制的，可以通過擠出填充的方法去獲得高度取向的試樣，再通過模壓成型制成試樣板，在纖維方向是0°、22.5°、45°、67.5°90°和135°這幾個方向上分別進行取樣，再對拉伸性能的變化進行測定，發(fā)現(xiàn)碳纖維復合材料的纖維取向在90°時，拉伸強度會大大減小，不同纖維方向角下碳纖維復合材料最大切削力由大到小分別對應為 0°、22.5°、45°、67.5°、135°和 90°。分析認為，碳纖維復合材料的垂直軸向拉伸強度比平行軸向的小，當纖維方向角依次為 0°、22.5°、45°、67.5°、135°和 90°時，由于刀具的作用方式不同，垂直于軸向切削的幾率會更大一些，平行于軸向切削的幾率會進一步變小，這一試驗讓我們發(fā)現(xiàn)了纖維方向對碳纖維復合材料直觀的影響。

4.2 纖維方向對沖擊強度的影響

針對纖維方向的研究還設計了另外的試驗，同樣在纖維方向是0°、22.5°、45°、67.5°、90°和135°這幾個方向上分別進行取樣，施加沖擊力后，進行強度測定，發(fā)現(xiàn)纖維方向對于沖擊強度影響更大，當纖維取向角為0°時，切口處的沖擊強度大約為200J/m ，當纖維取向為90°時，切口處的沖擊強度大約為100J/m。為了更好地發(fā)揮纖維的增強作用，則要求纖維縱向方向必須要大于臨界值，增強效果才會更加明顯?？傮w而言，纖維縱向方向越長會更加有益于材料性能的提升，對碳纖維復合材料強度的貢獻可以理解為：由于切削的沖擊力，纖維與樹脂之間的界面積會增大，斷裂時，接受了更大的阻力，從而提高了承受載荷的能力。

4.3 切口質量分析

通過對切割后切口粗糙度數(shù)據(jù)進行分析，我們發(fā)現(xiàn)不同纖維方向角下碳纖維復合材料切口粗糙度情況不同，當纖維方向為135°時，加工后纖維的表面會很粗糙，切口的質量較差，在這一切削中，逆著纖維鋪成進行切割，故而粗糙度大大增加，當纖維方向等于45°時，其加工后粗糙程度最小，因為這一切削，是沿著纖維鋪成的方向，順時的切割，切口質量會更好。為了使這一結果得到更精細的證明，我們采用了掃描電鏡去對碳纖維復合材料的加工后形貌進行觀察，通過對切口形貌及粗糙度的分析發(fā)現(xiàn)黨纖維方向為當纖維方向為135°時，其表面十分粗糙，褶皺明顯，復合材料在切口處被刀具擠壓導致了層間的分離，刀具和碳纖維復合材料的彎曲達到一定的極限，導致了切口處材料的斷裂。當纖維方向角等于45°時，其加工表面較為光滑，沒有很嚴重的斷裂情況，由此可以推得，切削順著纖維鋪層方向時比逆著鋪成方向有更好的效果，逆著纖維方向不僅會使切口處變得粗糙，切口質量也會大打折扣。

5? 結語

從國內外碳纖維復合材料的研究來看，由于其兼具金屬和非金屬的諸多優(yōu)點而在眾多材料中脫穎而出，受到人們的高度重視，本文從纖維方向這一要點入手，通過對其切削后的拉伸強度、沖擊強度、切割工藝角度、刀具等分析，以期加強其加工工藝，研究發(fā)現(xiàn)纖維的取向對復合材料的沖擊強度影響極大，當纖維方向角大于 90°，其切削性能更加優(yōu)越，纖維方向角等于90°時，其切削性能最優(yōu);纖維方向角為0°時，其切削性能最差。提高工藝設備的水平，找到適合于碳纖維復合材料加工的刀具和切割技術，經過優(yōu)化處理后，相信在未來碳纖維復合材料會具有更加廣闊的應用。

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