C/SiC復(fù)合材料的制備及加工技術(shù)研究進(jìn)展焦浩文,陳冰,左彬湖南科技大學(xué)智能制造研究院難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實驗室摘要：碳纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基（C/SiC）復(fù)合材料由于其強(qiáng)度高、硬度大、耐磨損，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，然而?C/SiC?復(fù)合材料難以被穩(wěn)定地去除加工。本文綜述?C/SiC?復(fù)合材料的常見制備方式及其材料的性能特點(diǎn)。概述?C/SiC?復(fù)合材料的傳統(tǒng)
C/SiC 復(fù)合材料的制備及加工技術(shù)研究進(jìn)展
焦浩文, 陳 冰, 左 彬
湖南科技大學(xué) 智能制造研究院難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實驗室
摘要：碳纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基（C/SiC）復(fù)合材料由于其強(qiáng)度高、硬度大、耐磨損，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，然而 C/SiC 復(fù)合材料難以被穩(wěn)定地去除加工。本文綜述 C/SiC 復(fù)合材料的常見制備方式及其材料的性能特點(diǎn)。概述 C/SiC 復(fù)合材料的傳統(tǒng)機(jī)械加工、超聲輔助加工、激光加工等加工方法，分析了各種加工方法的材料去除機(jī)理、加工精度、常見缺陷及加工過程中存在的問題。傳統(tǒng)的機(jī)械加工需進(jìn)一步優(yōu)選切削刀具材料；超聲輔助加工需探究超聲振動的刀具與材料之間的耦合作用機(jī)制、振動作用下的材料去除機(jī)理；激光加工要進(jìn)一步研究 2.5 維及 3 維 C/SiC 復(fù)合材料的激光加工去除機(jī)理。在這些研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用復(fù)合加工的方法，探尋 C/SiC 復(fù)合材料高效、精密、穩(wěn)定和無損加工的可能性。
關(guān)鍵詞：C/SiC 復(fù)合材料；制備方式；傳統(tǒng)機(jī)械加工；超聲輔助加工；激光加工
碳纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基（C/SiC）復(fù)合材料是一種新型材料，其主要成分是碳纖維和碳化硅陶瓷材料。SiC 具有優(yōu)良的力學(xué)性能及抗氧化耐腐蝕的化學(xué)性能，但 SiC 斷裂韌性低，脆性大。通過纖維強(qiáng)化制成 C/SiC 復(fù)合材料，其韌性降低、脆性減小，力學(xué)性能得到改善。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)陶瓷或碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料相比，C/SiC 復(fù)合材料的各項性能都有所提升，既具備碳纖維材料強(qiáng)度大、模量高、耐腐蝕、質(zhì)量輕、各向異性、線膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，又兼具碳化硅陶瓷材料高抗彎性、高抗氧化性、耐腐蝕、抗磨損、摩擦系數(shù)低及高溫力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，還獲得高抗沖擊性、高抗疲勞性等優(yōu)點(diǎn)。
由于其優(yōu)良的力學(xué)性能和穩(wěn)定的化學(xué)性能，C/SiC 復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于能源、汽車制造、航空航天等領(lǐng)域，如法國生產(chǎn)的 2D-NicalonC/SiC已用于陣風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)的噴氣發(fā)動機(jī)及赫爾墨斯航天飛機(jī)的隔熱瓦和內(nèi)燃機(jī)部件。美國和法國應(yīng)用C/SiC 復(fù)合材料制備的航空發(fā)動機(jī)噴管構(gòu)件已經(jīng)成功應(yīng)用。此外，由于 C/SiC 復(fù)合材料的力學(xué)性能優(yōu)于樹脂基復(fù)合材料和高溫合金材料，C/SiC 復(fù)合材料成為高性能航空發(fā)動機(jī)的主要候選材料，并將被應(yīng)用于核能 、高速 剎車 、燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件、高溫氣體過濾和熱交換器等設(shè)備的關(guān)鍵元器件上。
然而C/SiC復(fù)合材料難以穩(wěn)定地被去除加工，因此限制了C/SiC 復(fù)合材料的推廣和應(yīng)用。目前常用的加工方法有：傳統(tǒng)的機(jī)械加工、超聲振動輔助加工、激光加工、電火花加工、磨料水射流加工，然而這些加工方法仍不能解 決C/SiC 復(fù)合材料高效、穩(wěn)定去除的問題，如傳統(tǒng)機(jī)械加工中易出現(xiàn)分層，毛刺，纖維斷裂等加工缺陷；超聲輔助加工成本高，未能廣泛應(yīng)用；激光加工中熱影響區(qū)的缺陷不可避免等。
本文介紹了 C/SiC 復(fù)合材料的制備方法，闡述了各種制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用狀況。綜述了C/SiC 復(fù)合材料的加工方法，分析總結(jié)了各個方法的優(yōu)勢及缺點(diǎn)，并展望了 C/SiC 復(fù)合材料的精密加工技術(shù)的發(fā)展方向和趨勢。
碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制備
C/SiC 復(fù)合材料是一種典型的碳纖維復(fù)合材料，它是由基體（碳化硅）與增強(qiáng)層（碳纖維）復(fù)合而成，通常編織成具有一定結(jié)構(gòu)的多孔預(yù)制成型，如2 維、2.5 維、3 維針刺結(jié)構(gòu)。不同的預(yù)制結(jié)構(gòu)導(dǎo)致 C/SiC 復(fù)合材料的各項性能不同。如圖 1 所示，2 維 C/SiC 復(fù)合材料是最常見的預(yù)制成型，層與層之間編織排布，但沒有沿 Z 軸方向排布的纖維材料，相較于 2.5 維和 3 維 C/SiC 復(fù)合材料而言，2 維C/SiC 復(fù)合材料在 Z 軸方向連結(jié)不緊密，會導(dǎo)致C/SiC 復(fù)合材料在加工或者使用過程中，在各種應(yīng)力的作用下更易出現(xiàn)分層、毛刺等缺陷情況。He 等通過實驗和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法研究2 維 C/SiC 復(fù)合材料在彎曲載荷下的失效行為，結(jié)果表明：橫向纖維束中出現(xiàn)分層裂縫，縱向纖維束中出現(xiàn)纖維褶皺。Zhang 等測試了 2 維 C/SiC復(fù)合材料的靜態(tài)和疲勞機(jī)械性能，結(jié)果表明：在加載過程中 C/SiC 復(fù)合材料纖維與 SiC 基體之間出現(xiàn) 裂 縫 和 剝 離 ，使得C/SiC復(fù)合材料在纖維與SiC 基體交界處易出現(xiàn)破碎、斷裂等缺陷。
圖 1 二維 C/SiC 復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)（a）總體結(jié)構(gòu)；（b）每層編織結(jié)構(gòu)
新型的 2.5 維或者 3 維 C/SiC 復(fù)合材料如圖 2所示，C/SiC 復(fù)合材料除 X、Y 方向上層層垂直疊加的排布及短小纖維層外，層與層之間多出 Z 方向上 0.5 維或者 1 維的針刺碳纖維材料，增強(qiáng)了纖維材料層與層之間的聯(lián)結(jié)性能，并且多出的 0.5 維或1 維的針刺碳纖維材料使材料的各項性能都有了一定的提升，對材料在加工或者使用過程中的分層缺陷起到一定的抑制作用。2.5 維和 3 維 C/SiC 復(fù)合材料相較于 2 維 C/SiC 復(fù)合材料，具有更高的層間剪切強(qiáng)度、更好的撓性等，但其制備難度和去除加工難度也高于 2 維 C/SiC 復(fù)合材料。
Renato 等基于聲發(fā)射檢測技術(shù)研究 2.5 維C/SiC 復(fù)合材料疲勞和準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的損傷狀況，結(jié)果表明：在疲勞實驗的前 200 個循環(huán)期間，聲發(fā)射信號可以準(zhǔn)確量化損傷程度。Chen 等通過數(shù)值仿真的方法對 2.5 維 C/SiC 復(fù)合材料的彈性常數(shù)進(jìn)行預(yù)測，分析 2.5 維 C/SiC 復(fù)合材料的力學(xué)性能，結(jié)果表明：相較于2 維C/SiC 復(fù)合材料，2.5 維 C/SiC復(fù)合材料具有較強(qiáng)的各向異性。Wan 等測試3 維 C/SiC 復(fù)合材料的力學(xué)性能，如圖 3 所示，結(jié)果表明：3 維針刺 C/SiC 復(fù)合材料的原始結(jié)構(gòu)對基體、束間孔隙和初始裂紋的空間分布有很大影響；在橫向壓縮下，有高的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，通過剪切斷裂發(fā)生破壞；在縱向壓縮時，C/SiC 復(fù)合材料的彈性模量較低，材料在復(fù)合剪切下發(fā)生斷裂破壞。Xie 等通過實驗和仿真相結(jié)合的方式測試3 維針刺 C/SiC 復(fù)合材料的性能，結(jié)果表明：3 維針刺 C/SiC 復(fù)合材料在實驗測試中顯示出分散的力學(xué)性能，復(fù)合材料中隨機(jī)分布著針刺區(qū)域和針刺微觀結(jié)構(gòu)的變異性區(qū)域。
圖 2 2.5 維和 3 維 C/SiC 復(fù)合材料的微觀形貌（a）2.5 維 C/SiC 復(fù)合材料；（b）3 維 C/SiC 復(fù)合材料
圖 3 3 維 C/SiC 復(fù)合材料的抗氧化性能測試 SEM （a），（b），（c），（d）為不同位置的抗氧化性測試結(jié)果
由于 C/SiC 復(fù)合材料被廣泛的應(yīng)用于多個領(lǐng)域，因此研究高效的制備方法來制備 C/SiC 復(fù)合材料也變得越來越有意義。目前，制備 C/SiC 復(fù)合材料的方法有先驅(qū)體浸漬裂解法，化學(xué)氣相滲透法 ，反應(yīng)熔體浸滲法 ，熱壓燒結(jié)法 ，綜合方法等，不同制備方式所得的 C/SiC 復(fù)合材料的力學(xué)性能有一定差異。
先驅(qū)體浸漬裂解法（ precursor impregnation pyrolysis，PIP）中 SiC 陶瓷來自于含 Si 的物質(zhì)，在一定的壓力和溫度下將液態(tài)的物質(zhì)注入 C/C 預(yù)制體中，然后反應(yīng)得到 SiC 陶瓷。PIP 法制備的C/SiC 復(fù)合材料的力學(xué)性能主要由先驅(qū)體的性質(zhì)、浸漬工藝、熱處理工藝三個方面決定。這一方法的優(yōu)點(diǎn)主要為：先驅(qū)體有可設(shè)計性，可實現(xiàn)復(fù)雜零件的制備，陶瓷填料均勻，制備過程中產(chǎn)生的缺陷少，主要缺點(diǎn)為：制備周期長，陶瓷微結(jié)構(gòu)不致密，成本較高。
Yang 等通過 PIP 法制備 C/SiC 復(fù)合材料，如圖 4 所示，并對材料進(jìn)行高溫氧化實驗，結(jié)果表明：C/SiC 復(fù)合材料經(jīng)氧化實驗后損傷嚴(yán)重，碳纖維與 SiC 基體交界處出現(xiàn)微裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致彎曲強(qiáng)度下降，如圖5所示。Kumar等采用M40J纖維和內(nèi)部合成的PC（polycarbosilane）利用 PIP 法制備高強(qiáng)度 C/SiC 復(fù)合材料，并對復(fù)合材料的抗彎性能和斷裂性能進(jìn)行了評價和表征，結(jié)果表明：該復(fù)合材料的抗彎性能和斷裂性能優(yōu)于其他方法制備的復(fù)合材料。蔣進(jìn)明等通過先驅(qū)體浸漬裂解法制備 C/ZrCSiC 復(fù)合材料，結(jié)果表明：PIP 法可以獲得理想孔隙率的 C/SiC 復(fù)合材料。
圖 4 PIP-C/SiC 復(fù)合材料的表面和截面：（a）C/SiC 復(fù)合材料的表面；（b）C/SiC 復(fù)合材料的截面
圖 5 PIP-C/SiC 復(fù)合材料經(jīng)過高溫氧化的截面：（a），（b）1700 ℃ 氧化；（c），（d）1800 ℃ 氧化
化學(xué)氣相滲透法（chemical vapor infiltrationmethod，CVI）是將具有特定形狀的預(yù)制體置于沉積爐中，通入的氣態(tài)前驅(qū)體通過擴(kuò)散、對流等方式進(jìn)入預(yù)制體內(nèi)部，在一定溫度下發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)的陶瓷類物質(zhì)并以涂層的形式沉積于增強(qiáng)相表面或孔隙中，隨著沉積的繼續(xù)，孔隙越來越小，最終成為連續(xù)相，即陶瓷基體。CVI法制備 C/SiC 復(fù)合材料的工藝流程主要有兩種：（1）首先在纖維預(yù)制體的碳纖維表面沉積一層熱解碳 ， 然后以三氯甲基硅烷作為SiC的氣源 ，以H2 或 N2 作為稀釋氣體和載氣，在一定溫度（1000～1100℃ ）和壓力（10～100 KPa）下沉積得到 SiC 基體；（2）以四氯化硅和氫氣的混合氣體作為氣源，共沉積得到熱解碳和 SiC 基體。CVI 的主要優(yōu)點(diǎn)為：纖維損傷小，力學(xué)性能好，陶瓷基體勻，可制備復(fù)雜的零部件，缺點(diǎn)為：氣體的利用率低，制備成本偏高，殘留孔隙率較大，材料密度不均勻等。
聶景江等通過 CVI 法制備三維針刺型 C/SiC復(fù)合材料，并進(jìn)行燒蝕實驗，如圖 6 所示，結(jié)果表明：C/SiC 復(fù)合材料的燒蝕性能均勻，線燒蝕率和質(zhì)量燒蝕率的平均值分別為 0.03 mm/s 和 0.0047 g/s。西北工業(yè)大學(xué)王毅強(qiáng)等采用 CVI 法制備 2 維和2.5 維 C/SiC 復(fù)合材料料，并進(jìn)行拉伸實驗，結(jié)果表明：2 維 C/SiC 復(fù)合材料的力學(xué)性能表現(xiàn)為各向同性，而 2.5 維 C/SiC 復(fù)合材料的力學(xué)性能則表現(xiàn)出各向異性。王躍明等采用化學(xué)氣相滲透法制備C/SiC 復(fù)合材料，并測試了所得材料的平均宏觀硬度，結(jié)果表明：隨著基體 SiC 含量的降低，C/C-SiC復(fù)合材料的平均宏觀硬度由 98.2HRA 降至 65.1HRA，硬度分布的均勻性也明顯下降。Wang 等采用化學(xué)氣相滲透法制備 C/SiC 復(fù)合材料，研究滲透通道尺寸對 C/SiC 復(fù)合材料顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：增大通道尺寸可以擴(kuò)大入滲通道和致密化帶，這與理論計算是一致的。
圖 6 CVI-C/SiC 復(fù)合材料經(jīng)過燒蝕后的表面形貌?。╝）燒蝕表面微觀形貌；（b）燒蝕亞表面微觀形貌
反應(yīng)熔體浸滲法（ reaction melt infiltration，RMI）又稱作熔融滲硅法。RMI 法的制備過程分為三個階段：第一階段，在高溫及真空的條件下，液態(tài)的硅在分子力的作用下進(jìn)入碳-碳預(yù)制體中；第二階段，熔融的 Si 與碳-碳預(yù)制體中的熱解碳發(fā)生反應(yīng)生成 SiC 基體；第三階段，熔融的 Si 繼續(xù)借助生成的 SiC 基體擴(kuò)散，繼續(xù)與熱解碳反應(yīng)生成 SiC。整個制備過程中反應(yīng)的速率主要由第三階段中Si 的擴(kuò)散速率決定。制備過程中，未完全反應(yīng)的Si 會與碳纖維反應(yīng)，造成纖維損失，使制備所得的C/SiC 復(fù)合材料力學(xué)性能降低。
Tong 等通過反應(yīng)熔體浸透法制備 C/SiC 復(fù)合材料，采用固相液滴技術(shù)，研究多孔 C/SiC 復(fù)合預(yù)成型材料在液態(tài)硅作用下的潤濕性和浸潤性。結(jié)果表明：接觸角隨時間的增加而減小，而滴底直徑隨時間的增加而增大。Chang 等采用反應(yīng)熔體滲透法制備密度為 3.09 g/cm3、孔隙率為 4.8%的 C/ZrC-SiC 復(fù)合材料，如圖 7 所示。彎曲強(qiáng)度和模 量 分 別 為 235 MPa 和 18.3 GPa， 斷 裂 韌 度 為7.0 MPa?m1/2。復(fù)合材料的質(zhì)量損失率為 0.0071 g/s，線性衰退率為 0.0047 mm/s。萬玉慧等通過反應(yīng)熔體浸滲法制備二維 C/SiC 陶瓷基復(fù)合材料，并對材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行研究。研究表明：復(fù)合材料致密度很高 ，密度 為 2.31 g/cm3，氣孔率 為1.39%；垂直和平行碳布方向的壓縮強(qiáng)度高且差別很小，分別為 418 MPa 和 409 MPa。
圖 7 RMI-C/SiC 復(fù)合材料表面形貌 （a）C/SiC 復(fù)合材料表面形貌；（b）C/SiC 復(fù)合材料局部形貌
熱壓燒結(jié)法（hot press sintering，HPS）更多的應(yīng)用于制備粉體陶瓷，但也能應(yīng)用于 C/SiC 復(fù)合材料的制備中。在制備過程中，第一步先將纖維進(jìn)行浸滲處理，第二步將浸滲后的纖維纏繞在輪轂上，烘干后制成無緯布，第三步根據(jù)實際要求所得尺寸切割疊壓后進(jìn)行熱壓燒結(jié)得到最終的 C/SiC 復(fù)合材料。HPS 法優(yōu)點(diǎn)為工藝簡單，周期短，成本低；終產(chǎn)品所需的機(jī)械加工比較少，可完成近尺寸成形；產(chǎn)品的孔隙率低，致密度高。該方法的缺點(diǎn)是高溫高壓下纖維容易受到損傷，在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件時有較大的困難。
Tang 等以短碳纖維為增強(qiáng)材料，與 SiC 陶瓷相結(jié)合，采用壓縮成型和熱燒結(jié)相結(jié)合的方法制備纖維含量不同的 C/C-SiC 復(fù)合材料，如圖 8 所示，并對其力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：纖維含量 30% 的復(fù)合材料具有最高的抗彎強(qiáng)度（201.42 MPa）和抗剪強(qiáng)度（116.68 MPa）。其增強(qiáng)機(jī)理可歸納為纖維拉拔、纖維脫粘、纖維橋接以及裂紋撓度。Li 等制備的一種短碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料獲得相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，該復(fù)合材料顯示出極高的斷裂韌度和彎曲強(qiáng)度。研究表明：纖維含量增加，孔隙率降低。
圖 8 HPS-C/SiC 復(fù)合材料不同纖維含量斷裂表面形貌：（a）纖維含量 10% 的 C/SiC 復(fù)合材料；（b）纖維含量 20% 的C/SiC 復(fù)合材料；（c）纖維含量 30% 的 C/SiC 復(fù)合材料；（d）纖維含量40% 的 C/SiC 復(fù)合材料
現(xiàn)階段常用的制備 C/SiC 復(fù)合材料的單一方法都有一定的適用范圍，有時可能不能滿足特殊用途的 C/SiC 復(fù)合材料的制備要求，綜合應(yīng)用上述介紹的兩種或多種制備方法，可以使得它們的優(yōu)點(diǎn)均能表現(xiàn)出來，并且一定程度上相互彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)，制備出滿足特殊用途的優(yōu)良性能的 C/SiC 復(fù)合材料。閆連生等將 CVI 法與 PIP 法相結(jié)合，這一制備方法的周期適中，且所得 C/SiC 復(fù)合材料的力學(xué)性能優(yōu)良，成本相對較低，適合批量制備C/SiC 復(fù)合材料。此外，肖鵬、徐永東等團(tuán)隊均 采 用 CVI 法 與 RMI 法 相 結(jié) 合 的 方 法 制 得C/SiC 復(fù)合材料，制得的復(fù)合材料各項力學(xué)性能優(yōu)良，化學(xué)穩(wěn)定性好，所耗成本少。
碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的加工方法
由于 C/SiC 復(fù)合材料被廣泛地應(yīng)用于多個領(lǐng)域，穩(wěn)定、高效地加工 C/SiC 復(fù)合材料逐漸變?yōu)橐粋€研究熱點(diǎn)。但是由于材料本身優(yōu)良的各項性能使得復(fù)合材料難以被有效的去除加工，目前常用的加工方法有：傳統(tǒng)的機(jī)械加工（磨削、銑削、車削、鉆削），超聲振動輔助（磨削、銑削）加工，激光加工，電火花加工，磨料水射流加工等。
目前 C/SiC 復(fù)合材料的主要加工方式仍為傳統(tǒng)機(jī)械加工。傳統(tǒng)的機(jī)械加工主要包括磨削、銑削、鉆削，對于傳統(tǒng)的機(jī)械加工，研究主要集中于刀具的選擇，加工參數(shù)的優(yōu)化，以及加工工藝優(yōu)化等方面。
畢銘智通過鉆、銑復(fù)合的加工工藝對 C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行加工，表明復(fù)合工藝下加工表面質(zhì)量得到了改善。王平等指出車削加工 C/SiC 復(fù)合材料噴管存在形狀精度、尺寸精度及表面粗糙度不理想的情況。張國棟利用釬焊金剛石鉆頭與電鍍金剛石鉆頭對 C/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行鉆削實驗，結(jié)果表明：釬焊金剛石鉆頭鉆削產(chǎn)生的孔質(zhì)量更好，且纖維角度、進(jìn)給量對軸向力和法向力均有影響。劉瓊等 用硬質(zhì)合金麻花鉆對二維編織排布的C/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行鉆削實驗，發(fā)現(xiàn)采用大的轉(zhuǎn)速和小的進(jìn)給速率可以獲得好的加工質(zhì)量的孔。Hu等對二維 C/SiC 復(fù)合材料的銑削加工性能進(jìn)行研究，如圖 9 所示，實驗結(jié)果表明：在銑削過程中，由于突點(diǎn)的存在，銑削力變化較大；隨著切削速率的增加進(jìn)給量的減小，切削力和表面粗糙度減小。劉杰等 采用金剛石砂輪對 C/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行高速深磨，研究表明：材料的去除機(jī)理與纖維排布方向及 SiC 填料的均勻程度有關(guān)。Li 等通過單顆磨粒實驗探究 C/SiC 復(fù)合材料的磨削去除機(jī)理，如圖10 所示，結(jié)果表明：磨削參數(shù)對磨削表面質(zhì)量的影響較大，且磨削去除中以脆性去除為主。
圖 9 2 維 C/SiC 復(fù)合材料的銑削加工形貌圖：（a）切削速率 vc = 40 m/min；進(jìn)給速率 f = 0.01 mm/min；（b）壓縮纖維斷
裂；（c）剪切纖維斷裂
圖 10 C/SiC 復(fù)合材料的磨削去除機(jī)理示意圖
劉瓊等通過磨削實驗發(fā)現(xiàn)磨削參數(shù)對表面磨削質(zhì)量有一定的影響，不同纖維排布方向易出現(xiàn)的加工缺陷不同。Liu 等通過金剛石砂輪磨削2 維 C/SiC 復(fù)合材料，研究纖維角度對磨削加工表面質(zhì)量的影響，纖維角度在一定范圍內(nèi)，表面粗糙度隨著纖維角度的減小而降低。Qu 等用磨削加工的方法對 C/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行加工，如圖 11 所示，研究表明：纖維角度對磨削加工表面質(zhì)量有顯著 的 影 響 。Du 等通過電鍍金剛石砂輪磨削2 維 C/SiC 復(fù)合材料，對纖維定向磨削工藝進(jìn)行研究，在實驗條件一定的情況下，磨削切向力與法向力相比要大一些，這與研磨普通材料不同。李巾錠等采用 Abaqus 軟件建立有限元模型，數(shù)值模擬單顆粒金剛石平面磨削的過程，發(fā)現(xiàn)隨著鉆速的提高磨削力變小，加工質(zhì)量提高。
與其他加工方法相比，傳統(tǒng)的機(jī)械加工成本較低，但是加工過程中會出現(xiàn)分層，毛刺，纖維斷裂，纖維拔出等加工缺陷。加工過程中刀具磨具的磨損也比較嚴(yán)重，這些因素制約了傳統(tǒng)機(jī)械加工加工C/SiC 復(fù)合材料的應(yīng)用 ，但在一些特殊的情況下由于成本、加工條件的局限只能采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工。
圖 11 磨削 C/SiC 復(fù)合材料的磨削方向及基準(zhǔn)面示意圖
2.3
超聲振動輔助加工應(yīng)用超聲波振子使刀具出現(xiàn)頻率較高的直線振動，使得材料與粒子發(fā)生撞擊，最終實現(xiàn)材料的微量去除。超聲振動加工過程中作用力小，對工件表面損傷小，加工質(zhì)量好，適用于打孔和型腔成型加工等。超聲振動輔助加工包括超聲振動輔助銑削以及超聲振動輔助鉆削等。
劉艷等通過超聲振動輔助切削加工 C/SiC復(fù)合材料探究單因素變量（轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率、切削深度等）對加工過程中切削力的影響，結(jié)果表明：隨著進(jìn)給速率和切削深度的增加，主軸轉(zhuǎn)速的減小，加工過程中的切削力逐漸增加。Wang 等通過超聲振動切削二維 C/SiC 復(fù)合材料，探究刀具振動對表面加工質(zhì)量的影響，如圖12 所示，研究表明：刀具振幅對加工表面的粗糙度有比較重要的影響，振 幅 越 大 ，表面粗糙度越小 。姜慶杰針對C/SiC 復(fù)合材料加工困難的問題，提出超聲扭轉(zhuǎn)振動銑削的加工方法，研究表明：相較于傳統(tǒng)銑削，超聲銑削過程中的各向銑削力明顯降低。
圖 12 C/SiC 復(fù)合材料的普通銑磨與超聲振動輔助銑磨對比
鄭景珍采用旋轉(zhuǎn)超聲振動銑磨加工 C/SiC復(fù)合材料，并與普通銑磨加工實驗進(jìn)行了對比，結(jié)果表明在相同工藝條件下，超聲振動加工切削力遠(yuǎn)小于普通加工，切削質(zhì)量更好。湛青坡采用超聲輔助銑磨 C/SiC 復(fù)合材料，如圖 13 所示，結(jié)果表明：超聲輔助加工可提高復(fù)合材料表面加工質(zhì)量，降低磨削力。王明海等對 C/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行超聲振動扭轉(zhuǎn)與傳統(tǒng)銑槽加工對比，結(jié)果表明：超聲振動輔助加工過程更加穩(wěn)定，抑制加工損傷的出現(xiàn)。唐軍等對 C/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行超聲振動輔助銑削，研究工藝參數(shù)對表面質(zhì)量、微觀形貌的影響。
超聲振動輔助加工相較于傳統(tǒng)的機(jī)械加工而言是一種新型的加工方法，超聲振動輔助加工獲得的加工表面質(zhì)量要高于傳統(tǒng)的機(jī)械加工。但是由于 C/SiC 復(fù)合材料優(yōu)良力學(xué)性能及各項異性，加工中一些常見的缺陷如崩邊、毛刺仍無法完全避免。并且，由于目前這一種加工方法還不成熟，成套的加工設(shè)備成本較高，許多這方面的研究還僅處于實驗室探索階段，應(yīng)用于生產(chǎn)中還要一段時間。
圖 13 C/SiC 復(fù)合材料的超聲振動輔助加工 SEM 圖?。╝）普通銑磨；（b）超聲振動銑磨
相較于其他的加工方法，激光加工具有功率密度大，加工效率高，無接觸加工，加工缺陷少，不存在刀具磨損等 優(yōu)點(diǎn) ，這些優(yōu)點(diǎn)使其成為加工C/SiC 復(fù)合材料的重要方式。目前激光加工的研究主要集中在：去除機(jī)理、參數(shù)優(yōu)化、加工工藝（有無保護(hù)氣體）等方面。
Sciti 等采用飛秒激光燒蝕 C/SiC 復(fù)合材料，研究材料的去除機(jī)理，如圖14所示，結(jié)果表明：激光燒蝕材料時激光與碳纖維材料相互作用，存在熔化、熱汽化、超快熔化、相爆炸、庫侖爆炸和光子機(jī)械破損等材料變化機(jī)理。Wang 等利用皮秒激光對 C/SiC 復(fù)合材料微加工技術(shù)和機(jī)理進(jìn)行研究，研究表明：在皮秒激光的高功率下，會產(chǎn)生大量的氣相物質(zhì)和強(qiáng)烈的沖擊波，產(chǎn)生高的反沖壓力，碎片會以高速噴射出來。
Liu 等采用高能量皮秒激光燒蝕 C/SiC復(fù)合材料，研究加工參數(shù)對加工質(zhì)量的影響，結(jié)果表明：隨著掃描速度和螺旋線間距的增加加工質(zhì)量得到改善，說明激光加工過程中參數(shù)的優(yōu)選比較重要。Zhai 等采用飛秒激光對 2 維碳纖維增強(qiáng)碳化硅（C/SiC）復(fù)合材料進(jìn)行加工，如圖 15 所示，獲得飛秒激光加 工 C/SiC 復(fù)合材料的燒蝕閾值 為1.63 J/cm2，證明 C/SiC 復(fù)合材料表面加工前的粗糙度對燒蝕效果影響較大，C/SiC 復(fù)合材料表面上的材料去除的一致性差，飛秒激光加工 C/SiC 復(fù)合材料的微槽質(zhì)量相對較高。
圖 14 C/SiC 復(fù)合材料的飛秒激光加工 SEM 圖?。╝）孔入口；（b）孔截面；（c）類硅酸鹽枝晶；（d）孔內(nèi)壁
圖 15 不同功率及掃描速下飛秒激光燒蝕 C/SiC 復(fù)合材料的 SEM 圖 （a），（c）0.5 W；（b），（d）1 W（速率從左到右為：1.5 mm/s、1.2 mm/s、0.9 mm/s、0.6 mm/s、0.3 mm/s）
除了在正常的工藝條件下研究 C/SiC 復(fù)合材料的激光加工外，一些研究人員還研究在保護(hù)氣體的氛圍下激光燒蝕 C/SiC 復(fù)合材料，與正常實驗進(jìn)行對比，探究保護(hù)氣體對激光加工的表面質(zhì)量的影響 。Wang 等在超音速氣流下采用激光燒 蝕C/SiC 復(fù)合材料并與沒有氣流的普通激光燒蝕做對照，如圖 16 所示，結(jié)果表明：超音速氣流下的燒蝕形貌不同于普通燒蝕的形貌，且在超音速氣流下的氧 化 現(xiàn) 象 不 明 顯 。Zhai 等在飛秒激光加 工C/SiC 復(fù)合材料時加入氬氣作為保護(hù)氣體，結(jié)果表明：在通入保護(hù)氣體時加工所得表面熱影響區(qū)小，所得加工質(zhì)量較好。因此相較于普通激光加工，通入保護(hù)氣體后所得的加工表面熱影響區(qū)小，可以抑制加工過程中的氧化，得到加工質(zhì)量更好的表面質(zhì)量。但是加工過程中加入保護(hù)氣體后進(jìn)一步增加了加工成本，目前在實際生產(chǎn)中并不能得到廣泛的應(yīng)用。
相較于傳統(tǒng)機(jī)械加工，激光加工是一種精確、高效的加工 C/SiC 復(fù)合材料的方法?？梢员苊鈧鹘y(tǒng)的機(jī)械加工中分層、毛刺、崩邊等常見加工缺陷，在航天航空應(yīng)用中，/SiC 復(fù)合材料的微孔加工不可避免，傳統(tǒng)的機(jī)械加工加工難度大、需要設(shè)計特殊的夾具及刀具，進(jìn)一步提高加工成本，降低經(jīng)濟(jì)效益，此時激光加工成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械加工的最優(yōu)選擇。但激光加工相較于傳統(tǒng)機(jī)械加工仍存在以下問題：激光加工過程中材料的去除量難以控制、加工過程中熱影響區(qū)及燒蝕氧化層難以避免。
圖 16 C/SiC 復(fù)合材料的普通激光加工與加入保護(hù)氣體后燒蝕形貌對比圖 （a）普通激光加工；（b）加入保護(hù)氣體后加工
除了傳統(tǒng)的加工方法之外，一些特種加工方法（ 如 電 火花加工 、水射流加工等 ）也用于加工C/SiC 復(fù)合材料。電火花加工 C/SiC 復(fù)合材料的研究主要集中在過程中力的預(yù)測上。Pachurary等對 C/SiC 復(fù)合材料的電火花制孔操作進(jìn)行實驗研究，確定脈沖電流，間隙電壓是在孔洞圓度和過切中最重要的影響參數(shù)。Guu 等 研究在低溫下防止纖維斷裂和脫落（入口表面比在出口處總是更嚴(yán)重）的可能脈沖電流（低于 0.2 A），材料去除的主要機(jī)制為熔化和蒸發(fā)。Wei 等通過電火花加工 C/SiC 復(fù)合材料，探究間隙電壓和占空比對加工表面損傷和效率的影響，如圖17所示，結(jié)果表明：高間隙電壓或低占空比改善了碎屑疏散，減少了加工缺陷，提高了加工效率。
磨料水射流加工是一種切削和成型硬質(zhì)陶瓷（如 SiC）的優(yōu)良工藝。在難以加工的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料中，由于復(fù)合材料的各向異性，加工過程變得更具挑戰(zhàn)性，特別是二維編織 C/SiC 復(fù)合材料易出現(xiàn)斷裂缺陷。Ramular 等用高壓磨料水射流來擊穿 C/SiC 復(fù)合材料，所得孔的質(zhì)量較好，未出現(xiàn)層間裂縫或纖維分層的缺陷。張運(yùn)祺對磨料水射流的加工原理進(jìn)行闡述，并系統(tǒng)介紹切割復(fù)合材料的水射流裝置，由于這一方法是冷加工，未出現(xiàn)熱影響區(qū)，因此所得加工的精度較高，質(zhì)量較好。西北工業(yè)大學(xué)超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點(diǎn)實驗室發(fā)展了 CMC-SiC 材料的高速磨料流加工技術(shù)，解決了CMC-SiC 材料切割、打孔的加工速率和效率問題。
圖 17 C/SiC 復(fù)合材料電火花加工的表面形貌（a）裂紋擴(kuò)展（b）纖維斷裂
總結(jié)與展望
由于航空航天、核工業(yè)和汽車工業(yè)對 C/SiC 復(fù)合材料的需求逐步增長，使得 C/SiC 復(fù)合材料的制備方法和加工工藝逐漸成為研究的熱點(diǎn)。C/SiC 復(fù)合材料的常用制備 方 法 有 ：先驅(qū)體浸漬裂解法（PIP），化學(xué)氣相滲透法（CVI），反應(yīng)熔體浸滲法（RMI），熱壓燒結(jié)法（HPS），綜合方法等，每種制備方法的優(yōu)勢和缺點(diǎn)不同，因此其應(yīng)用范圍略有不同。制備零件比較復(fù)雜的 C/SiC 復(fù)合材料時，要求力學(xué)性能優(yōu)良、材料均勻性好，一般采用先驅(qū)體浸漬裂解法或者化學(xué)氣相滲透法進(jìn)行制備。制備零件力學(xué)性能要求不高且形狀簡單的 C/SiC 復(fù)合材料時，一般采用反應(yīng)熔體浸滲法或熱壓燒結(jié)法制備，進(jìn)而可降低生產(chǎn)成本。
在傳統(tǒng)機(jī)械加工中，存在刀具磨損嚴(yán)重、加工缺陷無法避免等問題，研究集中于刀具選擇、參數(shù)優(yōu)化及 C/SiC 復(fù)合材料的去除機(jī)制。相比于傳統(tǒng)機(jī)械加工，超聲振動輔助機(jī)械加工的方法降低了刀具的磨損，一定程度上抑制分層和毛刺缺陷，提高了加工精度，但不能完全避免加工缺陷，且成套的超聲振動輔助加工設(shè)備成本較高，尚不能廣泛應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。激光加工雖然不存在機(jī)械加工過程中刀具磨損、分層和毛刺加工缺陷的問題，且加工效率高，但加工后的 C/SiC 復(fù)合材料表面存在熱影響區(qū)和燒蝕氧化層，利用超短脈沖（如飛秒激光）技術(shù)、優(yōu)化激光參數(shù)及加入保護(hù)氣體等方法可降低熱影響區(qū)的面積和燒蝕氧化層的厚度。
雖然，國內(nèi)外很多學(xué)者對 C/SiC 復(fù)合材料的加工技術(shù)的基礎(chǔ)理論（去除機(jī)理、參數(shù)優(yōu)化等）進(jìn)行了研究，但仍不能對 C/SiC 復(fù)合材料實現(xiàn)高效、精密、穩(wěn)定和無損加工。新型 C/SiC 復(fù)合材料制備將向勻質(zhì)、氣孔率低、物理和化學(xué)性能提高且穩(wěn)定的方向發(fā)展。傳統(tǒng)機(jī)械加工 C/SiC 復(fù)合材料的技術(shù)，需進(jìn)一步優(yōu)選切削刀具材料，開發(fā)新型刀具結(jié)構(gòu)，優(yōu)化工藝參數(shù)等，進(jìn)而減小加工缺陷。C/SiC 復(fù)合材料的超聲輔助加工技術(shù)，需進(jìn)一步研究超聲振動的刀具與材料之間的耦合作用機(jī)制、振動作用下的材料去除機(jī)理、開發(fā)新型超聲振動設(shè)備和優(yōu)化工藝方法等，進(jìn)而提高 C/SiC 復(fù)合材料的加工質(zhì)量。C/SiC復(fù)合材料激光加工技術(shù)，尚需基于數(shù)值仿真軟件，結(jié)合激光燒蝕實驗，深入探究 2.5 維或者 3 維 C/SiC復(fù)合材料的激光加工去除機(jī)理，提出降低熱影響區(qū)的面積和燒蝕氧化層的厚度的新工藝措施。最后，采用其他特種加工（離子束、電子束等）或者復(fù)合加工方法加工 C/SiC 復(fù)合材料，探尋 C/SiC 復(fù)合材料高效、精密、穩(wěn)定和無損加工的可能性。
文章內(nèi)容轉(zhuǎn)載：CTSA熱噴涂技術(shù)平臺
