CFRP加工表面粗糙度對力學性能的影響

范文濤，陳燕，陳逸佳，謝松峰

(南京航空航天大學 江蘇省精密與微細制造技術重點實驗室，江蘇 南京 210016)

0 引言

碳纖維增強樹脂基復合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)以其高比強度、高比模量、耐腐蝕、輕質和抗疲勞等優良特性在航空航天工業中得到廣泛應用[1]。復合材料的大量使用給飛機設計和航空制造工業都帶來了極具影響力的變革，各航空制造大國都在競相提升復合材料在新一代大型飛機上的應用。復合材料在飛機結構上的用量已經成為衡量其先進性的重要指標[2-3]。為滿足生產實際要求，經常需要通過銑削加工使復合材料達到尺寸及精度要求，不同的加工表面質量及表面損傷也可能會導致應力集中，使之提前發生斷裂失效[4]。

GHIDOSSI P等[5]研究了碳/環氧和玻璃/環氧復合材料的加工工藝對其力學性能的影響。通過表面粗糙度測量和顯微觀察對加工過程進行詳細的分析和評估。研究的主要結論是加工工藝在某些參數下對復合試樣強度有顯著影響。HADDAD M等[6]研究了由不同加工工藝(即傳統刀具切削、磨料水射流加工(AWJM)、金剛石磨削(ADS)產生的缺陷及其對CFRP準靜態(壓縮和層間剪切)力學性能的影響，選擇了不同的加工條件，以便獲得具有不同表面質量的試樣。結果表明：AWJM樣品具有更好的抗壓性能，而ADS樣品具有更高的層間剪切強度，用傳統刀具切削的試樣具有更高的疲勞極限。機械加工工藝導致的表面粗糙度不同以及加工缺陷對力學性能的影響沒有一致的規律，反而是加載方式的不同對材料力學性能的影響更為顯著。此外，Ra不適用于評價復合材料的表面質量。李皓[7]通過對不同表面質量試件靜載強度的試驗分析，發現復合材料銑削加工會在一定程度上導致其材料拉伸和壓縮強度性能降低，且壓縮強度對加工損傷更為敏感；影響層厚度Δh的增加會導致較為明顯的材料強度弱化。

上述研究表明，不同的機械加工條件下復合材料的力學性能會有差異。為研究加工表面粗糙度對復合材料力學性能的影響規律，避免線粗糙度Ra在表征復合材料時的不確定性，本文選用三維表面算術平均高度Sa來表征CFRP加工表面粗糙度，采用不同工藝制備的表面粗糙度大小不同的標準試樣，進行拉伸性能及壓縮性能測試，研究表面粗糙度的改變是否會對材料性能造成影響。

1 試驗與設備

1.1 試樣制備

試驗采用T800型CFRP層合板作為試驗材料，纖維體積含量65%。層合板的鋪層方向為[(-45°/90°/45°/0°)2]s，共16層，厚度為3mm。

采用磨削和銑削兩種工藝制備得到不同表面粗糙度大小的力學測試試樣，其中磨削試樣作為標準件。磨削試樣由砂輪片切割獲得，砂輪片外徑300mm，內徑125mm，線速度vs=1.6m/s，進給速度vw=100mm/min，徑向切深ae=3mm，軸向切深ap=2mm。

銑削刀具采用金剛石涂層菱齒銑刀，為比較不同表面粗糙度對力學性能的影響，采用銑削參數為主軸轉速n=6 000 r/min，進給速度分別為vf=200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800mm/min，切寬和切厚分別為刀寬與板厚，銑削的方式為逆銑，銑削加工工裝如圖1所示。一共可以得到9組具有不同表面粗糙度大小的試樣。

圖1 工裝示意圖

1.2 表面粗糙度檢測

選用Sa來表征表面粗糙度的大小，采用Sensofar 3D光學輪廓儀對加工后的表面進行非接觸式拍攝和測量，測量參數為：選用Nikon20倍鏡，單個視場范圍877μm×660μm，x、y軸采樣間距Dx=0.645μm、Dy=0.645μm，縱向分辨率Dz=8nm，橫向分辨率R1=0.31μm，數值孔徑NA=0.45，拍攝3×4共12個視場拼接后裁取2mm×2mm的采樣面積，就可以得到樣件表面三維形貌及各點坐標，通過計算得到表面方均根高度Sa的大小。

1.3 力學強度測試

力學強度測試內容包含常用的拉伸強度測試和壓縮強度測試。ASTM相關標準獲取的材料性能數據在各國復合材料界都被普遍接受，因此在本文中拉伸與壓縮測試標準按ASTM標準執行。分析不同表面粗糙度對CFRP力學性能退化的影響規律。力學性能測試采用ZwickRoell z100全自動電子拉力試驗機，如圖2所示。

圖2 ZwickRoell z100全自動電子拉力試驗機

拉伸性能測試標準參考ASTM D 3039-17聚合物基復合材料拉伸標準試驗方法，測試試樣的名義尺寸：長度l=200mm，寬度w=12mm，厚度b=3mm。依據標準CFRP多向層合板采用砂紙作為加強片，測試的試樣個數不少于5件。停止試驗后，需對樣件的斷裂形式進行觀察，斷裂模式符合ASTM標準的數據才有可信度。通過試驗測得最大拉伸載荷Ft，拉伸強度σt計算公式如下：

(1)

壓縮性能測試標準參考ADTM D6641-16，采用聯合加載方法評價樹脂基復合材料壓縮強度特性，測試試樣的名義尺寸為：長度l=140mm，寬度w=12mm，厚度b=3mm。由于采用聯合加載的試驗方法，試樣無需加強片。測試的試樣個數不少于5件。停止試驗后，對樣件的斷裂形式進行觀察，查看斷裂模式是否符合ASTM標準。通過試驗測得最大壓縮載荷Fc，壓縮強度σc計算公式如下：

(2)

為了對復合材料的力學性能進行正確的評估，需要統計每一組試驗的數據，計算出測試性能的平均值、標準差和離散系數，如式(3)-式(5)所示。

(3)

(4)

(5)

為了研究CFRP加工表面粗糙度對力學性能的影響規律，以磨削試樣為基準，根據材料力學性能測試結果，計算各種表面損傷下試樣的力學性能退化指標αs，αs的計算方法如下：

(6)

式中：S0為CFRP砂輪片切割樣件的拉伸強度、壓縮強度；SD為不同表面粗糙度銑削試樣的拉伸強度、壓縮強度，強度單位均為MPa。

2 結果與討論

2.1 銑削表面粗糙度結果

磨削試樣的Sa僅有1.2μm，如圖3所示，磨削試樣的表面質量好，無明顯缺陷。

圖3 銑削試樣表面三維形貌圖

如圖4所示，隨著進給速度的增大，Sa先發生了一個小幅的下降，隨后一直增大，當進給速度為1 800mm/min時，Sa達到了26.3μm。

圖4 進給速度對表面粗糙度Sa的影響規律

圖5顯示的是銑削表面的三維形貌圖。可以看出，當Sa較小時，表面整體高度起伏較小，也沒有極端的表面“峰”或“谷”出現；但是當Sa較大時，不僅不同鋪層之間的高度存在差異，且表面有連續且較深的“凹坑”和較高的“峰”。這些“凹坑”最深處可達67.5μm，“峰”最高96.9μm。這些缺陷在材料受載荷時會產生應力集中，但是復合材料基體的應變同時受到纖維以及結合界面的強度影響，需要研究因表面粗糙度改變而引起的表面缺陷是否足以影響到材料的力學強度。

圖5 銑削試樣表面三維形貌圖

2.2 表面粗糙度對拉伸強度的影響

經過測試，磨削CFRP試樣的拉伸強度為718.8MPa，拉伸模量為45.8GPa，拉伸試樣的斷口如圖6所示，均為符合標準的斷裂形式。

圖6 拉伸失效試樣斷口圖

根據測試結果，Sa為10.24μm時拉伸強度達到最大值，為708.74MPa；當Sa為12.73μm時拉伸強度最小，為656.26 MPa，比最大值下降了7.4%。本次試驗材料性能離散系數在0.49%～7.58%之間，試驗結果在一定范圍內波動，但在ASTM D3039-17標準提供的參考范圍內。因此可以認為試驗結果符合要求，并無異常。

圖7顯示的是表面粗糙度Sa對拉伸強度退化的影響結果。可以看到CFRP層合板試樣拉伸強度的離散性非常大，銑削試樣的拉伸強度相較于磨削試樣均發生了不同程度的退化。Sa未能對拉伸強度顯現出具體的影響趨勢，但是當Sa>15μm時，拉伸強度退化量總體增大。一方面，在本文中的加工條件下無論何種表面粗糙度的試樣，拉伸強度退化最多的有8.67%，說明在本文的工況下并不會對拉伸強度造成急劇的退化，另一方面，復材拉伸強度自身的離散系數就偏大，對表面質量帶來的小幅強度變化造成了干擾。

圖7 表面粗糙度對拉伸強度的影響

2.3 表面粗糙度對壓縮強度的影響

經過測試，磨削CFRP試樣的壓縮強度為576.7MPa，性能離散系數12.87%，斷裂形式均符合標準。

壓縮破壞的斷口主要有橫向剪切斷裂和開花型劈裂兩種模式，如圖8所示。復合材料的橫向斷裂一般由于材料成分的泊松比不同以及試樣上橫向應變存在的不均勻分布造成，不論是哪種破壞模式，可能都伴隨著一系列其他現象：纖維和基體的非彈性和非線性特性、層間應力、表面層分離、整體失穩。這些現象的不同組合可能會造成即使使用相同的材料和試驗程序，也很難得到統一的失效模式或者得到較為一致的測試結果。

圖8 壓縮失效試樣斷口圖

當Sa為4.23μm時壓縮強度達到最大值，為596.31MPa；當Sa為10.24μm時壓縮強度最小，為512.69 MPa，比最大值下降了14.02%。本次試驗材料性能離散系數在0.38%～12.88%之間，與ASTM D6641-16標準中的結果無明顯差異。因此可以認為試驗結果符合要求，并無異常。

圖9 表面粗糙度對壓縮強度的影響

3 結語

1)表面粗糙度Sa隨著進給速度在200～1 800mm/min范圍內逐漸增大時，先小幅下降后持續增大。Sa較大時CFRP銑削表面有較多“凹坑”與“峰”。

2)CFRP加工表面粗糙度Sa對拉伸強度和壓縮強度的影響不顯著，但是當Sa>15μm時，拉伸強度退化量增加。

3)CFRP基體的性能對壓縮強度影響更大，加工溫度過高會損傷樹脂基體，影響材料的壓縮強度。