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纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、輕質(zhì)等特點(diǎn)，更易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能一體化設(shè)計(jì)，從而在大型復(fù)雜部件的整體制造中減少連 接。目前，纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料已成為航空航天領(lǐng)域的首選材料，廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。然而，要保證組件的精度和裝配要求，通常需要對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行切割及制孔等二次加工。由于基體相與增強(qiáng)相的力、熱、電等性質(zhì)迥異，纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有各向異性、非均質(zhì)等特點(diǎn)，加工較困難。

 

目前，纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的常用加工技術(shù)主要有機(jī)械加工、高壓磨料水射流加工、納秒激光加工等。機(jī)械加工利用機(jī)床及刀具等設(shè)備對(duì) 復(fù)合材料件進(jìn)行精加工，具有成本低、適用性強(qiáng)、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但機(jī)械加工易造成毛刺、纖維拔出、分層等缺陷，且刀具磨損嚴(yán)重。高壓磨料水射流加工以水為主要工作介質(zhì)，通過(guò)液體增壓實(shí)現(xiàn)加工區(qū)域材料的高效去除，具有加工能力強(qiáng)、無(wú)熱影響區(qū)、環(huán)保、切口質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，但其作為一種涉水加工方式，有引發(fā)材料吸濕變性的可能。納秒激光加工以高能量激光束照射材料表面，產(chǎn)生極高的溫度使材料迅速熔化、蒸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)精密加工，具有適應(yīng)性廣、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于材料中纖維與樹(shù)脂基體熱性能的巨大差異，納秒激光加工后材料存在熱影響區(qū)及分層等熱損傷問(wèn)題。不同加工方式特點(diǎn)各異，選擇合適的加工方式對(duì)復(fù)合材料加工件性能尤其重要。

 

作者以玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料以及玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料板為研究對(duì)象，采用刀具機(jī)械加工、磨料水射流加工和納秒激光加工在板材上制備中心帶直徑6mm圓孔、尺寸為200mm×25mm×2mm的矩形試樣，對(duì)比了不同切割方法的加工精度、表面粗糙度以及加工面形貌特征，研究了切割方法對(duì)不同復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，以期為聚合物基復(fù)合材料加工以及力學(xué)性能測(cè)試提供參考。

 

1.    試樣制備與試驗(yàn)方法

 

試驗(yàn)材料包括玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料以及玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料正交層合板，由山東卓利歐碳纖維制品有限公司提供，鋪層方式為對(duì)稱鋪置，鋪層方向?yàn)?°與90°交替，板厚2mm。在復(fù)合板上分別采用納秒激光、磨料水射流和刀具機(jī)械加工制取中心帶直徑6mm圓孔、尺寸為200mm×25mm×2mm的矩形試樣，采用TESA-CAL型游標(biāo)卡尺測(cè)量孔的尺寸。納秒激光加工采用Cypress-532-30型納秒激光器，激光波長(zhǎng)為532nm，激光器功率為35 W，切割速度為10mm·min−1。磨料水射流加工采用WJP2020B FLOW型高壓水射流切割機(jī)床，切割水壓為380 MPa，磨料為石英砂，切割速度為1.5mm·min−1。刀具機(jī)械加工采用RL13065型復(fù)合材料CNC數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行，刀片材料為鎢鋼，切割速度為0.5mm·min−1。

 

采用CL-1A型粗糙度儀測(cè)試帶孔試樣切割面（板材外表面）的表面粗糙度。采用FEI Quant400 FEG型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM）觀察微觀形貌，采用配套的EDAX型能譜儀（EDS）分析孔內(nèi)壁微區(qū)成分。根據(jù)ASTM D5766/D5766M-23《聚合物基復(fù)合材料層壓板開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，采用Zwick Z100TEW型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行開(kāi)孔拉伸，拉伸速度為2mm·min−1，直至帶孔試樣被拉斷結(jié)束。拉伸試驗(yàn)前在試樣表面噴涂啞光漆，形成彌散分布的散斑圖案，散斑直徑為0.8mm，使用低速數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試應(yīng)變。拉伸過(guò)程中散斑圖片采樣時(shí)間間隔為50ms，視野范圍為200mm×150mm，設(shè)定subset值為41，采用ZNSSD相關(guān)函數(shù)進(jìn)行變形量計(jì)算。

 

2.    常用PVD技術(shù)

 

2.1    表面粗糙度和孔直徑

 

由表1可知：不同纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料磨料水射流加工表面粗糙度最小，刀具機(jī)械加工次之，兩種切割方法下表面粗糙度均在1.6μm以下，納秒激光加工表面粗糙度最大；刀具機(jī)械加工和磨料水射流加工精度較高，孔直徑在5.94~5.97mm，誤差僅為±0.06mm，納秒激光加工孔直徑在6.14~6.16mm，誤差超過(guò)0.1mm。但是，納秒激光切割速度最快（10 mm·min−1），加工效率最高，磨料水射流加工次之（1.5mm·min−1），刀具機(jī)械加工最慢（0.5 mm·min−1）。

 

表1    不同切割方法下不同復(fù)合材料的表面粗糙度和孔直徑

 

2.2    加工表面形貌

 

由圖1可見(jiàn)；對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料，刀具機(jī)械加工和磨料水射流加工孔側(cè)面（孔邊緣厚度方向面）均出現(xiàn)少量毛刺及分層等缺陷，切割面無(wú)開(kāi)裂及熱影響區(qū)；納秒激光加工切割面基體樹(shù)脂發(fā)生氧化和燒蝕，同時(shí)出現(xiàn)大量開(kāi)裂，且覆有一層氧化層，看不到纖維層。結(jié)合EDS分析可知：刀具機(jī)械加工和磨料水射流加工切割面元素組成相似，但納秒激光加工切割面基體碳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）從其他兩種方法的40%左右降至2.22%，氧含量則從10%左右增至15.26%。

 

表1　不同基底偏壓下磁控濺射涂層的耐磨性能

 

由圖2可見(jiàn)：對(duì)于碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料，刀具機(jī)械加工孔側(cè)面有毛刺及分層等缺陷，切割面較平整，無(wú)開(kāi)裂及熱影響區(qū)；磨料水射流加工孔側(cè)面有少量毛刺及分層等缺陷，切割面亦無(wú)開(kāi)裂和熱影響區(qū)；納秒激光加工孔側(cè)面基體樹(shù)脂發(fā)生嚴(yán)重?zé)g，但無(wú)裂紋，切割面有大量焦黑物質(zhì)。結(jié)合EDS分析可知：相比刀具機(jī)械加工，磨料水射流加工切割面的碳和氧含量較高，推測(cè)是磨料水射流切割導(dǎo)致部分水進(jìn)入了復(fù)合材料內(nèi)部；納秒激光加工切割面發(fā)生嚴(yán)重?zé)g。

 

圖 2    不同切割方法下碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的孔 SEM 形貌和孔內(nèi)壁 EDS 分析結(jié)果

 

由圖3可見(jiàn)：對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料，刀具機(jī)械加工和磨料水射流加工孔側(cè)面均出現(xiàn)少量毛刺及分層等缺陷，切割面無(wú)開(kāi)裂及熱影響區(qū)；納秒激光加工孔側(cè)面基體樹(shù)脂發(fā)生嚴(yán)重?zé)g，大量玻璃纖維暴露，切割面產(chǎn)生縮孔，且覆有氧化層。結(jié)合EDS分析可知：相比刀具機(jī)械加工和磨料水射流加工，納秒激光加工切割面碳含量大大降低，而氧含量有所上升，這進(jìn)一步證明了納秒激光加工使復(fù)合材料切割面發(fā)生了燒蝕和氧化。

 

圖 3    不同切割方法下玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的孔 SEM 形貌和孔內(nèi)壁 EDS 分析結(jié)果

 

2.3    力學(xué)性能

 

由表2可知：對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料，3種切割方法下開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度差別不大，說(shuō)明切割方法對(duì)其力學(xué)性能影響不大；對(duì)于碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料，刀具機(jī)械加工下開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度最大，磨料水射流加工次之，納秒激光加工最小，這是因?yàn)槟チ纤淞骷庸ひl(fā)水分子進(jìn)入基體，導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂基體和碳纖維界面結(jié)合減弱，而納秒激光加工對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂和碳纖維有所損傷；對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料，刀具機(jī)械加工和磨料水射流加工下開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度相似且較大，納秒激光加工下開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度較小。磨料水射流加工引入的水分子對(duì)該種玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料力學(xué)性能影響不大，但納秒激光加工導(dǎo)致的切割面燒蝕使材料力學(xué)性能下降。磨料水射流加工對(duì)兩種玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能幾乎無(wú)影響，但對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能影響較大。

 

表2    不同切割方法下不同復(fù)合材料開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度

 

由圖4可知：對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料，3種切割方法下開(kāi)孔拉伸試樣應(yīng)變場(chǎng)演變大致相同。拉伸10s后孔兩端開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)變；拉伸20s后應(yīng)力集中區(qū)域開(kāi)始頸縮，并從中心向左右兩側(cè)擴(kuò)展；拉伸30s后孔兩端開(kāi)始出現(xiàn)開(kāi)裂，直至試樣斷裂。

 

圖 4    不同切割方法下玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料開(kāi)孔試樣拉伸時(shí)表面應(yīng)變場(chǎng)分布

 

由圖5可知：對(duì)于碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料，3 種切割方法下開(kāi)孔拉伸試樣應(yīng)變場(chǎng)演變大致相同。拉伸10s后孔兩端開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)變；拉伸20s后出現(xiàn)4個(gè)應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中區(qū)開(kāi)始頸縮，并從中心向上下兩側(cè)擴(kuò)展；拉伸30s后孔兩端開(kāi)始出現(xiàn)開(kāi)裂，直至試樣斷裂。

 

圖 5　不同切割方法下碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料開(kāi)孔試樣拉伸時(shí)表面應(yīng)變場(chǎng)分布

 

由圖6可知：對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料，3種切割方法下開(kāi)孔拉伸試樣應(yīng)變場(chǎng)演變大致相同，且與玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料一致。綜上，兩種玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料開(kāi)孔試樣均垂直于拉伸方向開(kāi)裂，然后發(fā)生孔兩端斷裂；碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料開(kāi)孔試樣平行于拉伸方向開(kāi)裂，然后發(fā)生孔兩端斷裂。

 

圖 6　不同切割方法下玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料開(kāi)孔試樣拉伸時(shí)表面應(yīng)變場(chǎng)分布

 

3.結(jié) 束 語(yǔ)

 

（1）對(duì)于3種復(fù)合材料，磨料水射流加工表面粗糙度最小，刀具機(jī)械加工次之，兩者加工精度較高，納秒激光加工表面粗糙度最大，加工精度較低。

 

（2）對(duì)于3種復(fù)合材料，刀具機(jī)械加工和磨料水射流加工孔側(cè)面均出現(xiàn)少量毛刺及分層等缺陷，切割面無(wú)開(kāi)裂及熱影響區(qū)；納秒激光加工切割面發(fā)生 嚴(yán)重的燒蝕和氧化，玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料切割面出現(xiàn)大量開(kāi)裂，玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料切割面產(chǎn)生縮孔。

 

（3）對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料，3種切割方法下開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度相似；對(duì)于碳纖維增 強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料，刀具機(jī)械加工下開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度最大，磨料水射流加工次之，納秒激光加工最小；對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料，刀具機(jī)械加工和磨料水射流加工下開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度相似且較大，納秒激光加工下開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度較小。切割方法對(duì)開(kāi)孔拉伸試樣應(yīng)變場(chǎng)影響較小，兩種玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料開(kāi)孔試樣均垂直于拉伸方向開(kāi)裂并斷裂，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料開(kāi)孔試樣平行于拉伸方向開(kāi)裂并斷裂。