不同抛光参数对碳化硅-碳纤维复合材料抛光表面粗糙度影响分析

雷文，陈志刚，付谋楚，朱科军

摘要：为了研究在磁流变胶抛光中，抛光参数对碳化硅-碳纤维复合材料表面加工质量的影响规律，采用磁流变胶抛光方法，对材料表面进行抛光。研究磁极分布方式、加工间隙和磁极转速对材料表面形貌和表面粗糙度的影响规律。结果表明，磁极分布方式影响待加工表面的磁场分布强度，进而影响表面加工质量。随着加工间隙增大，表面粗糙度下降量先增大后减小，在加工间隙为2 mm处得到最优表面质量。随着磁极转速增大，表面粗糙度下降量先增大后减小，在磁极转速达到800 r/min时得到最优表面质量。

关键词：碳化硅-碳纤维复合材料；磁流变胶；抛光参数；表面粗糙度下降量

中图分类号：TB332               文献标志码：A

Analyses of the influence of different polishing parameters on the surface roughness of polished silicon carbide-carbon fiber composite materials

LEI Wen， CHEN Zhigang， FU Mouchu， ZHU Kejun

（School of Mechanical and Energy Engineering， Shaoyang University， Shaoyang 422000， China）

Abstract： In order to investigates the influence of polishing parameters on the surface quality of silicon carbide-carbon fiber composite materials during magnetorheological finishing， a magnetorheological elastomer method was employed for surface polishing. The effects of magnetic pole distribution， machining gap， and magnetic pole rotational speed on surface morphology and roughness were studied. The results show that the magnetic pole arrangement significantly influences the magnetic field distribution on the processed surface， thus affecting the surface quality. An increase in the machining gap leads to an initial rise and subsequent fall in surface roughness reduction， with optimal surface quality achieved at a 2 mm gap. Additionally， an increase in magnetic pole rotational speed initially heightens and then lessens the decrease in surface roughness， with the best surface quality obtained at a speed of 800 r/min.

Key words： silicon carbide carbon fiber composites; magnetorheological glue; polishing parameters; surface roughness reduction

碳化硅-碳纖维复合材料是一种由碳化硅陶瓷基质和碳纤维增强相组成的复合材料。这种复合材料结合了碳化硅的高温稳定性和耐磨性，以及碳纤维的高强度和轻质特性[1]。它具有高硬度、高强度、低密度和良好的耐高温性能，适用于高温结构材料、陶瓷刀具、机械密封件和热处理装置等领域[2]。该材料采用了一种具有剪切变稀特性的特制墨水，通过3D打印技术，先制作出粗胚，随后经过多次高温烧结和前驱体浸渍裂解等工艺处理，最终成型。鉴于所形成材料的表面质量较差，需对其表面进行抛光处理，以提高材料的表面质量，减少表面缺陷，从而提升材料的使用性能，延长其服役寿命。传统抛光方式在处理碳化硅-碳纤维复合材料时存在一些缺点，当进行抛光时由于高转速会产生抛光表面摩擦发热，其抛光颗粒容易嵌入材料表面，抛光表面抛光效果不均匀等问题。为了解决这些问题，提出使用磁流变胶抛光技术对碳化硅-碳纤维复合材料进行表面光整加工，以得到更加精确、高效和可控的抛光效果。

磁流变胶抛光是一种新型的表面抛光技术，其原理是使用流变特性随磁场变化而变化的磁流变胶进行抛光[3]。磁流变胶一般由基体、磨粒和磁性颗粒组成。在磁场控制下，磁性颗粒被磁化，磁性颗粒沿着磁场磁力线方向聚集，形成磁链将磨粒夹持住，随着磁流变胶和抛光表面进行相对位移，被夹持的磨粒压向抛光表面，形成微量切削，从而改善表面质量。磁流变胶在抛光时，基体能够带走一部分的热量，解决了传统抛光中产生的表面摩擦发热的问题。磁流变胶中的磨料颗粒可以较均匀地分布在基体中，并且在外加磁场的作用下磁性颗粒可以形成规则链状结构。这种结构能够更好地附着在抛光的表面上，使其抛光效果更均匀，改善表面的光洁度和平整度[4]。通过调节外加磁场的强度和方向，可以精确控制磁流变胶的黏度和磨料颗粒的作用力，从而可以实现对抛光过程的精确控制[5]。磁流变胶具有可塑性，使得在抛光过程中能够更好地保持碳化硅-碳纤维复合材料的形状和尺寸稳定性，避免因抛光引起的形状变化或变形[6]。

1明胶基磁流变胶的制备

1.1试剂的选择

实验所选择的羟基铁粉的性能决定明胶基磁流变胶对磁场做出响应的速度和磁化时的磁饱和强度，故选用江苏天一超细金属粉末有限公司生产的平均粒径在3～5 μm的羟基铁粉。经研究表明，碳化硅磨料的粒径一定程度上影响了抛光的效果，磨料粒径过小，导致磁性羰基铁粉颗粒在基体中夹持住碳化硅后，仍有连续不断的磨料进入磁性羰基铁颗粒链，此时链结构不断被破坏，导致去除能力弱，影响磁流变胶的抛光效果。粒径过大会导致羟基铁粉颗粒无法很好地夹持碳化硅磨料，导致与基体分离，影响磁流变胶的抛光效果[7]。因此，选择由广州金属冶金有限公司生产的磨粒粒径800目的碳化硅。基体材料包括去离子水、明胶、丙三醇、甲基硅油；分散剂为无水乙醇；表面活性剂为聚乙二醇、油酸。

1.2羟基铁粉的表面改性

明胶基磁流变胶配置流程见图1。先向羟基铁粉加入适量的表面活性剂与无水乙醇，放入JJ-1型增力搅拌机进行机械搅拌15 min，通过变速器控制搅拌转速在300～400 r/min。再放入球磨机进行球磨分散，设定球磨时间60 min，且控制转速为300 r/min，使羟基铁粉与表面活性剂充分混合，使羟基铁粉能够更好地分散在载体中。将球磨后的混合液置于真空干燥箱进行烘干，保证温度恒温在80 ℃、真空度为-0.09 MPa的环境中干燥8 h，确保无水乙醇挥发干净，并在真空中冷却，直到得到冷却、干燥的经过表面改性的羟基铁粉。

1.3明胶基磁流变胶的配置

使用电子天平称取适量的甘油、去离子水与无水乙醇，放入同一烧杯，使用JJ-1型增力搅拌机以500 r/min的速度进行机械搅拌20 min，形成甘油水溶液。将甘油水溶液用油浴锅进行加热到70 ℃之后，边搅拌边放入称量好的明胶，直到明胶完全溶解，最终形成淡黄色胶状液体，再倒入适量的甲基硅油搅拌均匀。再将得到的混合液放入真空干燥箱中，恒温在80 ℃、真空度达到-0.09 MPa，持续60 min，得到胶状混合物。分批将得到的基体材料与经过表面改性后的羟基铁粉、碳化硅磨料与触变剂纳米级二氧化硅进行机械初步混合搅拌20 min，转速控制在400 r/min左右，再将得到的材料放入球磨机中进行球磨，设定球磨时间为90 min，球磨速度控制在200 r/min。将得到的明胶基磁流变胶样品放入试剂瓶中，再放入冷藏柜中冷冻12 h，温度控制在0 ℃附近，即可得到明胶基磁流变胶样品。

2抛光参数对表面粗糙度的影响

在磁流变抛光过程中，抛光装置的磁极分布、抛光装置转速和加工间隙等因素对抛光效果具有不同的影响。为了获得磁流变胶对碳化硅-碳纤维复合材料表面抛光质量的最佳加工参数，寻求优化的工艺参数组合，采用单因素实验法对这几组参数展开分析，实验设计见表1，磨料组分为质量分数50%羟基铁粉、碳化硅1.5 g的磁流变胶，简写成MRGs-50%-1.5。

2.1磁极分布对表面粗糙度的影响

磁流变胶是一种受磁场影响的智能材料，磁极分布影响着磁流变胶形成的“磁链”分布，进而影响对材料的去除能力。初步设计两种磁场分布方式，见图2，分别为单磁极与上下双磁极方式，因为制得的碳化硅-碳纤维材料表面质量不相同，抛光后的效果不够直观，故选用抛光铝合金平板去探究两种不同磁极分布对抛光质量的影响。

通过观察图3可得，可以发现相同条件下，单磁极的只有外圈部分被轻微抛光到，其他部分的抛光效果不明显。这是由于磁极在高速旋转的过程中，附着在磁极上的磁流变胶在离心力和磁性作用力的双重作用下朝着磁极外圈偏移，使磁流变胶形成了凹状，因此单磁极分布抛光只抛光到了外圈部分。但如果使用上下双磁极分布方式进行抛光，工件下面的磁极可以将上方在高速旋转过程中向外圈聚集的磁流变胶重新聚拢在整个抛光区域，在高速旋转产生的离心力与上下双磁极形成的磁性作用力下，形成趋于平整的磁流变胶团，更能贴合平面，当两者存在相对运动时，明胶基磁流变胶里面的碳化硅磨粒就可以对抛光区域产生微量切削作用，从而实现对抛光区域的抛光。对比单磁极与上下双磁极不同磁极分布的抛光质量效果，可知，上下双磁极的抛光质量优于单磁极。因此，后续实验都选用上下双磁极的方式进行抛光。

2.2加工间隙对表面粗糙度的影响

碳化硅-碳纤维复合材料是通过3D打印出形状之后，经过一系列的高温烧结、前驱体浸渍裂解工艺才得到的具有高硬度、高强度和耐高温性能的材料，其电镜下的形貌特征如图4所示。在放大800倍后，存在多条沟壑，这是由于在高温烧结与前驱体浸渍裂解时，会失去小分子，产生气体排出使材料内部会形成许多小间隙裂缝，因此需要磁流变胶抛光去改善其表面质量。

加工间隙可以影响待加工表面的磁场强度的分布，加工间隙过大或过小都能影响材料去除能力，最终影响碳化硅-碳纤维复合材料的表面粗糙度[8]。根据单因素实验法，选用的磁极转速为800 r/min，抛光时间为60 min，磨料为MRGs-50%-1.5，間隙分别为1、2、3和4 mm。通过图5与表2发现，随着加工间隙增大，其表面粗糙度下降量呈先增大后减小的趋势，在加工间隙2 mm处达到最大值45.143 μm，其表面粗糙度下降最多，表面加工质量最好。

通过图6可以发现，在经过60 min的磁流变抛光后，其表面形貌都有了改善。但间隙3 mm和4 mm的粗糙度下降量明显较1 mm和2 mm的加工间隙少。当加工间隙为3 mm和4 mm时，其表面加工质量较差，存在很多未加工到的凸峰与凹坑，这是由于加工间隙过大，其待加工表面磁场分布强度过小，羟基铁粉磁链对碳化硅磨粒的约束变小，不能很好地夹持住磨粒，导致对碳化硅-碳纤维复合材料的去除能力变弱，加工形成的表面质量不佳。

当加工间隙为1 mm和2 mm时，由图6可知，相较于3 mm或4 mm的加工间隙其加工表面的凸峰与凹坑大幅度减少，加工质量明显改善。但当加工间隙为1 mm时，其表面质量不如加工间隙为2 mm。这是由于间隙过小，其待加工表面的磁场分布强度变大，羟基铁粉磁链的夹持力增大，磨粒压入材料表面的深度变大，会造成加工表面出现凹坑，从而影响加工表面的粗糙度，导致加工表面质量降低。

2.3磁极转速对表面粗糙度的影响

根据单因素实验法，选用的抛光间隙为2 mm，抛光时间为60 min，磨料为MRGs-50%-1.5， 磁极转速分别为400、600、800和1 000 r/min。由图7和表3可得，随着磁极转速的增大，表面粗糙度下降量呈先增大后减小的趋势，在磁极转速达到800 r/min时表面粗糙度下降量达到最大47.525 μm。

基于Preston方程可知，磨削去除量与磨粒在近壁端的相对运动速度有关[9]。加工碳化硅-碳纤维复合材料表面时，磁极转速就成为影响磨粒相对速度的唯一因素。通过观察图8可得，当磁极转速为400 r/min时，表面粗糙度下降量最少，其表面存在许多凸峰与凹坑，这是由于磁极转速不够，在相同时间内，磁流变胶中碳化硅磨粒与材料表面接触率低，去除能力较弱。当磁极转速达到800 r/min时，表面加工质量最佳，表面平整，只存在少许点坑。但当继续增加磁极转速，表面粗糙度下降量不升反降，表面加工质量相较于之前有所下降。经过分析，可能是由于随着磁极转速增大到一定程度之后，再继续增大，磁流变胶中的羟基铁粉形成的磁链无法完全“夹持”碳化硅磨粒，随着磁极转速增大，磁极边缘的有效磨粒逐渐远离抛光区域，导致明胶基磁流变胶的去除能力减弱，导致加工表面质量变差。

3结论

采用磁流变胶抛光方法对碳化硅-碳纤维复合材料表面进行抛光，探讨了磁极分布方式、加工间隙和磁极转速等抛光参数对碳化硅-碳纤维复合材料表面形貌和表面质量的影响规律，通过比较表面粗糙度下降量与其对应的三维微观形貌图验证其规律。

1）上下双磁极分布相对于单磁极分布，能使磁场更均匀分布在待加工表面，使羟基铁粉形成的磁链与磨粒的结合更充分，增大了有效抛光面积，提高了对碳化硅-碳纤维复合材料抛光效率与抛光性能。

2）在不同的加工间隙条件下，随着加工间隙增大，表面粗糙度下降量呈先增大后减少的趋势，在加工间隙为2 mm时，对抛光前后碳化硅-碳纖维复合材料表面粗糙度进行对比，发现表面粗糙度降低了45.143 μm，为最大表面粗糙度下降量。

3）在不同的磁极转速条件下，随着磁极转速增大，表面粗糙度下降量呈先增大后减少的趋势，在磁极转速800 r/min时，对抛光前后碳化硅-碳纤维复合材料表面粗糙度进行对比，发现表面粗糙度降低了47.525 μm，为最大表面粗糙度下降量。

参考文献：

[1]陈志刚， 王烨， 罗斌， 等. 碳化硅/碳纤维复合材料烧结工艺优化研究[J]. 现代制造技术与装备， 2023， 59（3）： 152-154.

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[3]SONG W， PENG Z， LI P， et al. Annular surface micromachining of titanium tubes using a magnetorheological polishing technique[J]. Micromachines， 2020， 11（3）： 314.

[4]BARMAN A， DAS M. Nano-finishing of bio-titanium alloy to generate different surface morphologies by changing magnetorheological polishing fluid compositions[J]. Precision Engineering， 2018， 51： 145-152.

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[7]于丙金. 钴铬钼合金磁流变抛光关键技术研究[D]. 长春： 长春工业大学， 2023.

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[9]时鸣， 李琛， 谭大鹏， 等. 基于Preston方程的软性磨粒流加工特性[J]. 机械工程学报， 2011， 47（17）： 156-163.