復合材料及其切削加工
摘要：復合材料是由兩種或兩種以上的不同性能、不同狀態的組分材料，通過復合工藝組合而成的一種多相材料。它既保留
原組分材料主要特色，又通過復合效應獲得原組分所不具備的性能。本文主要介紹了復合材料及其切削加工。
復合材料由基體相（環氧樹脂、不飽和聚酯、呋喃樹脂、聚酰亞胺、有機硅樹脂及高性能熱塑性樹脂等）、增強相（玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、晶須及芳綸等）和界面相（聚合物基復合材料界面、金屬基復合材料界面及陶瓷基復合材料界面等）組成。
1.復合材料的分類
（1）按增強體的幾何形態分。①連續纖維增強復合材料，包括單向纖維、無緯布、二維織物、多向編織和混雜復合材料。②短纖維復合材料，如晶須和無規則短纖維混合復合材料。③顆粒增強復合材料，可分為彌散增強復合材料（粒徑0.01～0.1μm）和粒子增強復合材料（粒徑0.01～0.1μm）。④薄片增強復合材料，其增強體為長與寬相近似的薄片。
?。?）按增強纖維種類分。①玻璃纖維增強復合材料。②有機纖維增強復合材料（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維和高強度聚烯烴纖維等）。③碳纖維復合材料。④金屬纖維復合材料（鎢纖維、不銹鋼絲等）。⑤陶瓷纖維（氧化鋁、碳化硅及碳化硼等纖維）。
?。?）按基體材料分。①聚合物基復合材料PMC，有機聚合物（熱固性和熱塑性樹脂及橡膠）。②金屬基復合材料MMG，如鋁基、鈦基和銅基復合材料。③無機非金屬復合材料CMC、陶瓷材料（玻璃、水泥和碳等）。
（4）按材料使用功能分。①結構復合材料，主要用作支撐結構使用。②功能復合材料，它具有某種物理化學特性，如聲、光、電、熱、磁、耐腐蝕、阻尼、摩擦或換能等。
2.聚合物基復合材料的性能特點
?。?）比強度、比模量高（見附表）。
?。?）耐疲勞性好，破損安全性高。大多金屬材料的疲勞強度極限是拉伸強度的30%～50%，而碳纖維/環氧復合材料是70%～80%。而破損斷裂不會像金屬那樣突然發生，在短期內不會失去承載能力。
?。?）阻尼減振性好。吸收振動能量使振動阻尼很高。
?。?）具有多功能性。瞬時耐高溫、耐燒蝕好、電絕緣性、高頻介電性好及良好的摩擦性能等。
?。?）工藝性好。
3.金屬基復合材料的性能特點
?。?）高比強度和比模量，如碳纖維、硼纖維和碳化硅纖維等增強物，具有很高的強度和彈性模量。其強度可達3000～91000MPa，E=350000～450000，而密度只有1.85～3.4g/cm3。
?。?）導熱、導電性好。有的比純金屬高，如石墨、金剛石纖維。
?。?）熱膨脹系數小。當石墨纖維含量達48%時，它的線膨脹系數為零。
（4）優良的高溫性能。耐熱175～900℃。
?。?）耐磨性能好。如汽車發動機、剎車盤及活塞等。
?。?）良好的疲勞性能和斷裂韌性。
?。?）不吸潮、不老化且氣密性好。
4.陶瓷基復合材料的性能特點
它具有熔點高、密度低、抗氧化、抗腐蝕、耐高溫及耐磨損等特點。它的使用溫度可達1000～2000℃。
5.復合材料在航天航空工業中的應用
主要用于固體火箭發動機燃燒室絕熱殼體結構，導彈運載火箭的間段結構、液氫儲箱結構、儀表艙結構、導彈和衛星整流罩結構，導彈防熱材料以及衛星各種結構（碳纖維復合材料為代表的ACM先進復合材料）。
在其他方面，如交通、建筑、造船、防腐、電子、軍械、體育和農業及機械制造等領域。
6.復合材料的切削加工
由于復合材料的比強度、比彈性模量比金屬高許多倍，它的導熱系數為金屬的幾十、幾百分之一，它含有SiO2、碳化硅、碳化硼及陶瓷等高硬度的纖維或顆粒，加劇了刀具的磨損，加上樹脂較軟耐熱性差一些，切削速度高了易產生糊狀。所以要求刀具材料和刀具幾何參數相對合理，既要耐磨、鋒利，又要散熱條件好，才能有效地切斷纖維，達到合理的刀具壽命。
（1）刀具材料。①硬質合金：YG類添加TaC或NbC超細顆粒硬質合金。②PCD和CVD刀具：它的硬度是硬質合金的4～6倍，有很高的耐磨性（是硬質合金的幾百倍），由于它耐磨，可以保持鋒利的刃口，有效地切斷纖維，所以加工質量好。③PCBN刀具：它的硬度可達9000HV，耐磨也極高。
?。?）刀具幾何參數。γ0=0°～5°，α0=10°～15°，κr=30°～60°，rε=0.4～1.2mm；螺紋刀具γp=15°～20°；鉆頭2φ=60°～80°。
?。?）切削用量。高速鋼刀具Vc=10～15m/min，硬質合金刀具Vc=40～80m/min，PCD、CVD、PCBN刀具Vc=150～200m/min，f、ap無特殊要求。
?。?）切削液。好不使用切削液。
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原組分材料主要特色，又通過復合效應獲得原組分所不具備的性能。本文主要介紹了復合材料及其切削加工。
復合材料由基體相（環氧樹脂、不飽和聚酯、呋喃樹脂、聚酰亞胺、有機硅樹脂及高性能熱塑性樹脂等）、增強相（玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、晶須及芳綸等）和界面相（聚合物基復合材料界面、金屬基復合材料界面及陶瓷基復合材料界面等）組成。
1.復合材料的分類
（1）按增強體的幾何形態分。①連續纖維增強復合材料，包括單向纖維、無緯布、二維織物、多向編織和混雜復合材料。②短纖維復合材料，如晶須和無規則短纖維混合復合材料。③顆粒增強復合材料，可分為彌散增強復合材料（粒徑0.01～0.1μm）和粒子增強復合材料（粒徑0.01～0.1μm）。④薄片增強復合材料，其增強體為長與寬相近似的薄片。
?。?）按增強纖維種類分。①玻璃纖維增強復合材料。②有機纖維增強復合材料（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維和高強度聚烯烴纖維等）。③碳纖維復合材料。④金屬纖維復合材料（鎢纖維、不銹鋼絲等）。⑤陶瓷纖維（氧化鋁、碳化硅及碳化硼等纖維）。
?。?）按基體材料分。①聚合物基復合材料PMC，有機聚合物（熱固性和熱塑性樹脂及橡膠）。②金屬基復合材料MMG，如鋁基、鈦基和銅基復合材料。③無機非金屬復合材料CMC、陶瓷材料（玻璃、水泥和碳等）。
（4）按材料使用功能分。①結構復合材料，主要用作支撐結構使用。②功能復合材料，它具有某種物理化學特性，如聲、光、電、熱、磁、耐腐蝕、阻尼、摩擦或換能等。
2.聚合物基復合材料的性能特點
?。?）比強度、比模量高（見附表）。
?。?）耐疲勞性好，破損安全性高。大多金屬材料的疲勞強度極限是拉伸強度的30%～50%，而碳纖維/環氧復合材料是70%～80%。而破損斷裂不會像金屬那樣突然發生，在短期內不會失去承載能力。
?。?）阻尼減振性好。吸收振動能量使振動阻尼很高。
?。?）具有多功能性。瞬時耐高溫、耐燒蝕好、電絕緣性、高頻介電性好及良好的摩擦性能等。
?。?）工藝性好。
3.金屬基復合材料的性能特點
?。?）高比強度和比模量，如碳纖維、硼纖維和碳化硅纖維等增強物，具有很高的強度和彈性模量。其強度可達3000～91000MPa，E=350000～450000，而密度只有1.85～3.4g/cm3。
?。?）導熱、導電性好。有的比純金屬高，如石墨、金剛石纖維。
?。?）熱膨脹系數小。當石墨纖維含量達48%時，它的線膨脹系數為零。
（4）優良的高溫性能。耐熱175～900℃。
?。?）耐磨性能好。如汽車發動機、剎車盤及活塞等。
?。?）良好的疲勞性能和斷裂韌性。
?。?）不吸潮、不老化且氣密性好。
4.陶瓷基復合材料的性能特點
它具有熔點高、密度低、抗氧化、抗腐蝕、耐高溫及耐磨損等特點。它的使用溫度可達1000～2000℃。
5.復合材料在航天航空工業中的應用
主要用于固體火箭發動機燃燒室絕熱殼體結構，導彈運載火箭的間段結構、液氫儲箱結構、儀表艙結構、導彈和衛星整流罩結構，導彈防熱材料以及衛星各種結構（碳纖維復合材料為代表的ACM先進復合材料）。
在其他方面，如交通、建筑、造船、防腐、電子、軍械、體育和農業及機械制造等領域。
6.復合材料的切削加工
由于復合材料的比強度、比彈性模量比金屬高許多倍，它的導熱系數為金屬的幾十、幾百分之一，它含有SiO2、碳化硅、碳化硼及陶瓷等高硬度的纖維或顆粒，加劇了刀具的磨損，加上樹脂較軟耐熱性差一些，切削速度高了易產生糊狀。所以要求刀具材料和刀具幾何參數相對合理，既要耐磨、鋒利，又要散熱條件好，才能有效地切斷纖維，達到合理的刀具壽命。
（1）刀具材料。①硬質合金：YG類添加TaC或NbC超細顆粒硬質合金。②PCD和CVD刀具：它的硬度是硬質合金的4～6倍，有很高的耐磨性（是硬質合金的幾百倍），由于它耐磨，可以保持鋒利的刃口，有效地切斷纖維，所以加工質量好。③PCBN刀具：它的硬度可達9000HV，耐磨也極高。
?。?）刀具幾何參數。γ0=0°～5°，α0=10°～15°，κr=30°～60°，rε=0.4～1.2mm；螺紋刀具γp=15°～20°；鉆頭2φ=60°～80°。
?。?）切削用量。高速鋼刀具Vc=10～15m/min，硬質合金刀具Vc=40～80m/min，PCD、CVD、PCBN刀具Vc=150～200m/min，f、ap無特殊要求。
?。?）切削液。好不使用切削液。
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