C/SiC復(fù)合材料的制備及加工技術(shù)研究進展焦浩文,陳冰,左彬湖南科技大學智能制造研究院難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室摘要：碳纖維增強碳化硅陶瓷基（C/SiC）復(fù)合材料由于其強度高、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。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)研究進展
焦浩文, 陳 冰, 左 彬
湖南科技大學 智能制造研究院難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室
摘要：碳纖維增強碳化硅陶瓷基（C/SiC）復(fù)合材料由于其強度高、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。概述 C/SiC 復(fù)合材料的傳統(tǒng)機械加工、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)的機械加工需進一步優(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制、振動作用下的材料去除機理；激光加工要進一步研究 2.5 維及 3 維 C/SiC 復(fù)合材料的激光加工去除機理。在這些研究的基礎(chǔ)上進一步采用復(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)機械加工；超聲輔助加工；激光加工
碳纖維增強碳化硅陶瓷基（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)良的力學性能及抗氧化耐腐蝕的化學性能，但 SiC 斷裂韌性低，脆性大。通過纖維強化制成 C/SiC 復(fù)合材料，其韌性降低、脆性減小，力學性能得到改善。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)陶瓷或碳纖維增強樹脂基復(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，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)低及高溫力學性能優(yōu)良等特點，還獲得高抗沖擊性、高抗疲勞性等優(yōu)點。
由于其優(yōu)良的力學性能和穩(wěn)定的化學性能，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已用于陣風戰(zhàn)斗機的噴氣發(fā)動機及赫爾墨斯航天飛機的隔熱瓦和內(nèi)燃機部件。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)動機的主要候選材料，并將被應(yīng)用于核能 、高速 剎車 、燃氣輪機熱端部件、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，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)進行預(yù)測，分析 2.5 維 C/SiC 復(fù)合材料的力學性能，結(jié)果表明：相較于2 維C/SiC 復(fù)合材料，2.5 維 C/SiC復(fù)合材料具有較強的各向異性。Wan 等測試3 維 C/SiC 復(fù)合材料的力學性能，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性能，復(fù)合材料中隨機分布著針刺區(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)氧化實驗后損傷嚴重，碳纖維與 SiC 基體交界處出現(xiàn)微裂紋的擴展，導(dǎo)致彎曲強度下降，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)體通過擴散、對流等方式進入預(yù)制體內(nèi)部，在一定溫度下發(fā)生復(fù)雜的化學反應(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)點為：纖維損傷小，力學性能好，陶瓷基體勻，可制備復(fù)雜的零部件，缺點為：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)大學王毅強等采用 CVI 法制備 2 維和2.5 維 C/SiC 復(fù)合材料料，并進行拉伸實驗，結(jié)果表明：2 維 C/SiC 復(fù)合材料的力學性能表現(xiàn)為各向同性，而 2.5 維 C/SiC 復(fù)合材料的力學性能則表現(xiàn)出各向異性。王躍明等采用化學氣相滲透法制備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性能的影響。結(jié)果表明：增大通道尺寸可以擴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)和力學性能進行研究。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行熱壓燒結(jié)得到最終的 C/SiC 復(fù)合材料。HPS 法優(yōu)點為工藝簡單，周期短，成本低；終產(chǎn)品所需的機械加工比較少，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，并對其力學性能和摩擦學性能進行研究。結(jié)果表明：纖維含量 30% 的復(fù)合材料具有最高的抗彎強度（201.42 MPa）和抗剪強度（116.68 MPa）。其增強機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復(fù)合材料獲得相當廣泛的應(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)點均能表現(xiàn)出來，并且一定程度上相互彌補各自的缺點，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)合材料各項力學性能優(yōu)良，化學穩(wěn)定性好，所耗成本少。
碳纖維增強陶瓷基復(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。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)機械加工。傳統(tǒng)的機械加工主要包括磨削、銑削、鉆削，對于傳統(tǒng)的機械加工，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)合材料進行鉆削實驗，發(fā)現(xiàn)采用大的轉(zhuǎn)速和小的進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，由于突點的存在，銑削力變化較大；隨著切削速率的增加進給量的減小，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)合材料進行高速深磨，研究表明：材料的去除機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重，這些因素制約了傳統(tǒng)機械加工加工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)的機械加工。
圖 11 磨削 C/SiC 復(fù)合材料的磨削方向及基準面示意圖
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)的機械加工。但是由于 C/SiC 復(fù)合材料優(yōu)良力學性能及各項異性，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 （a）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 ，這些優(yōu)點使其成為加工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：去除機理、參數(shù)優(yōu)化、加工工藝（有無保護氣體）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、庫侖爆炸和光子機械破損等材料變化機理。Wang 等利用皮秒激光對 C/SiC 復(fù)合材料微加工技術(shù)和機理進行研究，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 維碳纖維增強碳化硅（C/SiC）復(fù)合材料進行加工，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氣體的氛圍下激光燒蝕 C/SiC 復(fù)合材料，與正常實驗進行對比，探究保護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氣體，結(jié)果表明：在通入保護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氣體后進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)的機械加工加工難度大、需要設(shè)計特殊的夾具及刀具，進一步提高加工成本，降低經(jīng)濟效益，此時激光加工成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械加工的最優(yōu)選擇。但激光加工相較于傳統(tǒng)機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氣體后燒蝕形貌對比圖?。╝）普通激光加工；（b）加入保護氣體后加工
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重）的可能脈沖電流（低于 0.2 A），材料去除的主要機制為熔化和蒸發(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。張運祺對磨料水射流的加工原理進行闡述，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)大學超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點實驗室發(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。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氣相滲透法進行制備。制備零件力學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，進而可降低生產(chǎn)成本。
在傳統(tǒng)機械加工中，存在刀具磨損嚴重、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)合材料的去除機制。相比于傳統(tǒng)機械加工，超聲振動輔助機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)外很多學者對 C/SiC 復(fù)合材料的加工技術(shù)的基礎(chǔ)理論（去除機理、參數(shù)優(yōu)化等）進行了研究，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、物理和化學性能提高且穩(wěn)定的方向發(fā)展。傳統(tǒng)機械加工 C/SiC 復(fù)合材料的技術(shù)，需進一步優(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)，需進一步研究超聲振動的刀具與材料之間的耦合作用機制、振動作用下的材料去除機理、開發(fā)新型超聲振動設(shè)備和優(yōu)化工藝方法等，進而提高 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
