2D-C/SiC复合材料磨削加工表面形成机制

刘 琼, 黄国钦， 徐西鹏

(1. 华侨大学制造工程研究院， 福建 厦门 361021； 2. 福建工程学院材料科学与工程学院， 福建 福州 350118)

0 引言

C/SiC是一种以碳化硅为基体碳纤维为增强材料的陶瓷基复合材料， 其碳纤维有效改善了陶瓷基体(SiC)的脆性断裂形态， 抑制了裂纹在陶瓷基体中的传播与扩展， 从而大幅度提高材料整体韧性. 该材料综合了碳纤维优异的高温性能[1-3](在惰性气氛中2 000 ℃时仍能保持强度基本不下降)和碳化硅基体高抗氧化性能[4-6](具有低密度、 耐高温、 抗腐蚀、 强度和硬度高等优异性能)， 广泛应用于航空航天中光机械结构系统、 交通工具中的制动器材等领域[7-10].

磨削一直是C/SiC复合材料成形加工的主要手段. 受该材料高硬度、 各向异性、 非均质等特性的影响， 如何提高其加工质量一直都是业界研究难题. 尽管已有很多学者对单向C/SiC复合材料进行了深入的研究[11]， 但是对二维编织C/SiC复合材料的加工研究目前主要集中于铣削、 钻孔和力学性能测试方面， 磨削加工几乎很少涉及. 本研究主要采用树脂结合剂金刚石砂轮对2D-C/SiC复合材料进行磨削加工实验， 分析磨削参数对表面质量及表面微观形貌的影响， 并对磨削过程中表面形成机制及影响机理进行了探讨.

1 试验材料及实验条件

主要材料为二维正交编织结构C/SiC复合材料， 该材料的结构如图1所示， 碳纤维按照0°和90°方向交错编织并叠加而成. 该材料主要成分为碳纤维、 碳化硅基体以及裂解碳 (PhC) 界面. 受制备工艺影响， 会有一些孔隙存在于纤维与纤维或纤维与基体之间. 磨削方向示意图如图2所示， 磨削方向平行于0°纤维而垂直于90°纤维， 前者定义为0°纤维磨削区， 后者定义为90°纤维磨削区. 磨削样品尺寸为26 mm×10 mm×5 mm， 其中磨削面尺寸为26 mm×10 mm.

图1 2D-C/SiC复合材料SEM形貌图 Fig.1 SEM micrographs of the 2D-C/SiC composites

图2 磨削方向示意图Fig.2 Schematic diagram of grinding direction

磨削试验在德国BLOHM公司的HP-408高速数控成型平面磨床上进行. 砂轮为树脂结合剂金刚石砂轮， 磨粒粒度为61 μm， 砂轮直径和宽度分别为400和12 mm. 磨削方式采用干式顺磨. 具体磨削参数分别设置为： 砂轮线速度vs分别为30, 60, 90, 120 m·s-1； 切削深度ap分别为20, 30, 40, 50 μm； 工作台进给速度vw分别为1 000, 1 500, 2 000, 2 500, 3 000 mm·min-1.

磨削表面形貌采用Hitachi S-3400N 扫描电镜( SEM)进行观察， 观察前需要对样品进行喷金处理. 采用ZYGO 3D 轮廓仪 (NEWVIEW 7300) 观察磨削表面三维形貌并测量其三维表面粗糙度值Sa. 由于材料内部的孔隙尺寸可达到毫米级， 若测量时将其涵盖在内， 测量值很难反映出该材料的加工特征. 故尽量避开孔隙区域， 只选取编织方向相互垂直的纤维区域[12]. 对于每一试样， 在相互垂直的0°和90°纤维区域内各选取6个采样区域(尺寸为280 μm×210 μm)， 测量出12组Sa值后取平均值作为最终表面粗糙度值.

2 试验结果与分析

2.1 2D-C/SiC复合材料磨削加工表面粗糙度

综上所述， 磨削后纤维区域的表面粗糙度受磨削参数影响明显. 随着磨削深度及工件进给速度的增大而增大， 但砂轮线速度的提高表面粗糙度值反而降低了. 在相同参数下， 0°纤维区域Sa值要大于90°纤维区域Sa值.

图3 不同磨削参数对表面质量的影响Fig.3 Effect of different grinding parameters on surface quality

2.2 2D-C/SiC 复合材料磨削加工表面形貌分析

2.2.1 磨削表面形貌

2D-C/SiC复合材料磨削表面扫描电镜图如图4所示. 图4(a)为磨削表面整体形貌， 从图中可以看出， 这种复合材料磨削后的表面形貌主要为相互垂直的碳纤维和孔隙组成. 由于C/SiC复合材料在制备过程中， 碳纤维预制体采用二维正交编织结构， 材料的面内结构成十字形波浪起伏状[13]. 因而磨削表面也呈这种纤维交错结构， 为不连续的平面. 在磨削时， 磨削表面形貌随纤维编织结构的变化而变化， 被磨削纤维束呈层状脆裂分布. 图4(b)和(c)分别为0°纤维区域和90°纤维区域局部放大图， 不难看出磨削时碳纤维发生了明显的断裂和脱落， 且断裂的碳纤维断口并不整齐， 这可能与碳纤维有多个解理面[14]有关. 图4(d)是0°和90°纤维交叉处的局部放大图， 从图中可以看出， 在交叉处， SiC基体并没有完全被去除， 0°纤维和90°纤维在交叉处断裂严重. 由此可见， 在磨削过程中， 砂轮磨粒最先接触到表层SiC基体， 基体首先发生开裂， 随着磨削的继续， 表层基体材料在磨粒的作用下被逐步去除. 表层基体材料遭到破坏后， 纤维被暴露出来， 纤维受到砂轮磨粒的剪切和摩擦作用， 以及基体对其进行的局部挤压， 造成纤维大量断裂.

从图4还可以看出， 磨削加工时2D-C/SiC材料的去除方式主要以碳纤维的脆性断裂和碳化硅基体的破碎为主. 0°和90°的碳纤维均发生层状脆性断裂. 而交叉部分表层碳化硅基体虽发生破碎但并没有完全被去除. 由此可见， 分析磨削参数对表面微观形貌的影响时， 只需对磨削后碳纤维区域磨削表面特征进行分析， 即0°和90°的碳纤维区域进行分析. 其中0°纤维方向为砂轮磨削方向.

图4 2D-C/SiC复合材料磨削表面Fig.4 SEM micrographs of ground surface of the 2D-C/SiC

2.2.2 磨削参数对磨削表面微观形貌的影响

图5 纤维断裂尺度定义Fig.5 Definition scale of fiber fracture

为了量化加工参数对加工质量的影响， 定义相邻两层断裂轮廓线之间的距离为断裂尺寸(ΔL)[12]， 如图5所示.

图6～图8主要探讨不同磨削参数下， 2D-C/SiC复合材料磨削加工表面形貌的变化. 不难看出， 0°和90°两种编织方向的碳纤维在磨削加工中均为阶梯状脆性断裂. 在图6～图8中， 将对各组参数任意选取10个断裂尺度取其平均断裂尺度进行柱状图比较. 不同磨削深度下断裂尺度的变化如图6所示. 从图中可以看出， 当vs=60 m·s-1,vw=2 000 mm·min-1， 磨削深度在ap=20 μm 时， 0° 和90° 纤维区域层状断裂尺度较大. 当ap=50 μm时， 0°和90°纤维区域， 纤维断裂非常明显， 层状断裂较密集， 纤维层状断裂尺度明显降低. 这是因为在低的磨削深度时， 最初纤维表面的基体因磨削作用发生开裂， 同时纤维也受到剪切作用， 而此时剪切力还不能使纤维断裂， 因此断裂尺度较大. 但随着磨削深度的增大， 基体材料完全去除， 纤维被暴露出来， 纤维受到剪切及砂轮的滑擦， 发生大量层状断裂.

在系统数学模型的建立中，采用拉格朗日动力学方程以及牛顿力学定律.由于两轮自平衡底盘本质是不稳定的非线性系统，因此建模必须考虑线性化问题.

图6 磨削深度对表面微观形貌的影响Fig.6 Effect of depth of cut on surface micro topography

图7 工件进给速度对表面微观形貌的影响Fig.7 Effect of feed speed on surface micro topography

工件进给速度对2D-C/SiC复合材料磨削加工表面形貌的影响如图7所示. 从图中可以看出， 当vs=90 m·s-1,ap=20 μm， 砂轮进给速度在vw=1 500 mm·min-1时， 0°纤维及90°纤维区域纤维层状断裂明显， 0°纤维区域纤维层状断裂尺度要大于90°纤维区域层状断裂尺度. 当vw=3 000 mm·min-1时， 0°纤维区域纤维层状断裂尺度变小， 90°纤维区域纤维层状断裂不明显， 除阶梯状脆性断裂外， 90°纤维区域还出现了纤维拔出现象. 随着进给速度的增加， 0°纤维受到剪切增大， 纤维断裂更加明显. 而90°纤维在砂轮磨粒的挤压下， 会受到弯曲应力的作用， 从而发生“剥离”既纤维拔出， 在高的进给速度下， 纤维来不及发生断裂就受到砂轮对它的剥离作用了.

砂轮线速度对C/SiC 复合材料磨削加工表面形貌的影响如图8所示. 从图中可以看出， 当vw=2 000 mm·min-1,ap=50 μm， 在低速vs=30 m·s-1时， 0°纤维区域纤维层状断裂不明显， 断裂尺度较大， 而90°纤维区域纤维层状断裂比较密集， 断裂尺度较小. 但在高速vs=120 m·s-1时， 变化恰好相反， 0°纤维区域层状断裂明显， 断裂尺度较小. 而90°纤维区域纤维发生层状断裂不明显， 除发生层状断裂外， 纤维同样出现了拔出现象. 在低的磨削速度下， 0°纤维受到基体对其的剪切更大， 从而断裂更加严重. 在高速情况下， 剪切力变小， 因此断裂尺度增大. 90°纤维在低速下受到砂轮对其挤压更加严重， 纤维断裂也更加严重， 但在高速下， 纤维断裂尺度相对增大， 剥离现象更加明显， 因此出现纤维拔出.

图8 砂轮线速度对表面微观形貌的影响Fig.8 Effect of wheel speed on surface micro topography

2.3 表面形成机制及影响机理

C/SiC复合材料表层磨削去除过程模型示意图如图9所示， 其中图9(a)为磨削前的形貌. 在磨削过程中， 当砂轮磨粒接触工件时， 弹性变形首先在材料接触处产生. 材料的外表面SiC 基体会在剪应力与拉应力的双重作用下， 产生裂纹. 通常情况下， SiC基体的脆性要比碳纤维大， 但抗拉强度比碳纤维低， 因此SiC基体受到拉应力的作用首先出现裂纹， 并且裂纹会沿着纤维/基体界面的方向扩展. 只有当裂纹到达界面时， 裂纹才停止扩展， 如图9(b)所示. 由于材料内部存在一些孔隙等缺陷， 纤维和基体的结合界面较弱， 在基体剪切和纤维、 基体的非同步横向收缩作用下， 裂纹重新产生并进一步扩展， 在抗拉强度较低处部分纤维同样开始出现断裂[15]. 最终， 大面积的纤维出现层状断裂， 部分断裂的纤维束克服界面对其的摩擦阻力， 将从基体中拔出， 如图9(c)所示. 因此， 纤维层状断裂、 纤维拔出以及界面处的微裂纹决定了这种C/SiC 复合材料的磨削加工表面形状的结构特点[3].

图9 2D-C/SiC 复合材料表层磨削去除过程Fig.9 Material removal process of 2D-C/SiC composites

3 结语

1) 二维正交编织结构的C/SiC复合材料因其编织结构的特殊性， 在磨削过程中， 材料去除机理也有其自身的特殊性. 增强材料和基体材料均是以脆性断裂的方式被去除. 其中， 碳纤维以纤维的层状脆性断裂为主， SiC基体的去除方式为破碎和脱落.

2) 磨削参数对纤维区域的表面粗糙度值及磨削表面纤维断裂尺度影响较大. 表面粗糙度值随着磨削深度和工件进给速度的增加而增大， 但砂轮线速度的增加， 其值反而会降低. 0°纤维区域表面粗糙度值大于90°纤维区域表面粗糙度值. 0°纤维区域磨削表面纤维层状断裂明显， 断裂尺度较小， 90°纤维区域纤维除发生层状断裂外， 还出现了纤维拔出现象.

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