设计的3D增强结构在减轻碳纤维增强塑料（CFRP）板材加工损伤中的作用

《Polymer Composites》：Effect of Designed 3D Reinforcement in Mitigating Machining Damage on CFRP Plates

碳纤维环氧树脂（CFRP）复合材料因高强质比广泛应用于航空航天，但加工易引发分层和基体裂纹。本文创新采用3D簇线增强技术，通过对比簇线与非簇线样本在不同加工条件下的压缩强度和表面质量，发现簇线样本压缩强度提升14%，表面粗糙度降低36%，且厚度增加不显著，证实簇线技术可有效缓解加工损伤，优化机械性能。

　　复合材料在航空航天领域广泛应用，主要得益于其高比强度（即单位质量的强度）特性。然而，这类材料在加工过程中容易出现层间分离（delamination）和基体开裂（matrix cracking）等加工损伤，这些损伤会显著影响其整体机械性能。本文的创新点在于引入一种三维增强结构（3D reinforcement），以减轻加工过程中造成的损伤，特别是评估压缩强度和表面质量的变化。通过对比有绒毛处理和无绒毛处理的试样在不同加工条件下的表现，研究发现，采用绒毛处理的试样在压缩强度上提升了14%，表面粗糙度降低了36%。这些机械性能的提升并未显著增加材料厚度，表明绒毛处理是一种切实可行且有效的三维增强技术，为在高性能复合材料制造过程中整合先进的增强策略提供了有价值的参考框架。

在航空工业中，复合材料的使用趋势日益增长，主要因为其轻质和优异的机械性能，使得它们成为替代传统金属材料的理想选择。例如，碳纤维增强塑料（CFRP）因其出色的强度、轻量和抗腐蚀特性，已被广泛用于飞机的多个部件。CFRP的不同基体类型（如热固性和热塑性树脂）在区域飞机机身的后段已被评估其适用性。复合材料的使用在航空领域的重要性在于能够在不牺牲结构强度的前提下降低成本和燃油消耗。此外，CFRP的压缩强度在某些方面甚至超过了航空用铝，这也进一步提升了其在航空结构中的应用价值。

加工复合材料是一个二次制造过程，目的是对零件进行加工或形成轮廓以便于装配。在航空应用中，常见的加工工艺包括钻孔、铣削、车削和研磨，这些工艺涉及不同的切削现象，以满足复合材料的结构和设计需求。与金属材料不同，加工复合材料面临独特的挑战，包括工具磨损加剧、冷却效果受限（由于切屑形状的特殊性）、切削液使用有限，以及加工过程中容易造成严重的表面损伤。这些因素使得整个加工过程成为一个复杂的研究领域，需要深入探讨。

加工过程中表面损伤的形成受到多种因素的影响，如材料特性、工具参数和加工输入条件等。因此，如何优化加工参数以减少表面损伤并保持材料的完整性成为关键问题。研究表明，通过控制加工温度，如调整切削速度和进给率，可以有效防止基体的退化，同时提高切削效率。此外，加工参数中的工具几何形状对材料性能有重要影响，不当的参数可能导致承载能力、强度和刚度的下降，尤其是在玻璃纤维增强塑料（GFRP）中，这种损伤会严重影响疲劳寿命和装配性能。

为了进一步提升复合材料的性能，研究人员探索了通过厚度方向的增强结构来增强材料对层间载荷和冲击载荷的抵抗能力。这种增强策略在不同技术中有所体现，其中3D绒毛处理（tufting）因其结构设计和加工可行性，成为一种有前景的方法。3D绒毛处理起源于纺织行业，通过将额外的线材垂直插入复合材料层中，提供局部增强效果，同时对材料结构造成最小的干扰。这种技术的关键在于其对材料性能的提升，尤其是在提升层间结合力和防止加工损伤方面的作用。

本研究特别关注了3D绒毛处理对加工参数影响的机理，旨在通过特定设计的增强结构，减轻加工引起的损伤，并有意改变材料的机械性能和断裂模式。研究采用不同加工条件下的试样，分析了绒毛处理对压缩强度和表面质量的影响。实验结果显示，与未进行绒毛处理的对照样品相比，进行绒毛处理的样品在压缩强度和表面质量方面均有显著提升。此外，研究还探讨了不同加工参数对材料性能的具体影响，为未来优化加工工艺提供了理论依据。

在实验过程中，研究人员使用了多种设备来评估表面质量，包括数字显微镜和三维表面分析仪。Keyence 7000数字显微镜提供了高分辨率的图像，用于表面损伤的视觉检查，其放大倍数可达6000倍。而Alicona Infinite Focus设备则用于定量测量表面粗糙度，包括Sa（平均粗糙度）、Sq（均方根粗糙度）和Sz（最大粗糙度）等参数。通过这些设备，研究人员能够从多个角度分析表面质量的变化，并评估其对材料整体性能的影响。

机械测试则采用压缩测试来评估绒毛处理对CFRP试样性能的影响。测试按照ASTM D6641标准进行，使用Instron 8561伺服液压系统，以恒定的位移速率（1 mm/min）施加载荷直至试样失效。同时，通过3D数字图像相关（DIC）系统记录载荷-位移数据，确保对材料断裂行为的精确分析。为了保证实验的统计意义，每种加工条件下至少测试三个试样，并使用Minitab软件（版本1.110）进行数据标准化和异常值检测。分析方法包括分析均值（ANOM）和Levene检验，用于识别不同组之间的显著差异，并验证各组方差的均等性。最终，通过假设检验（显著性水平为p < 0.05）确定了绒毛处理与不同加工条件之间是否存在统计意义上的性能差异。

实验结果表明，不同加工条件对CFRP试样的断裂模式、应力-应变关系和表面质量有显著影响。在压缩测试中，未进行绒毛处理的试样表现出更严重的层间分离和纵向开裂，这表明其在压缩载荷下的断裂行为更倾向于脆性断裂。而进行绒毛处理的试样则表现出局部断裂和剪切主导的断裂模式，这说明绒毛处理能够有效限制裂纹的扩展，并保持周围区域的完整性。此外，加工条件的粗糙度对材料性能有直接影响，粗糙的加工条件（如MC3）导致更高的表面粗糙度，从而降低了材料的机械性能。然而，绒毛处理的样品在所有条件下均表现出更优的表面质量，这表明其在缓解加工损伤和保持表面完整性方面具有显著优势。

在讨论部分，研究进一步分析了不同加工条件对CFRP试样性能的影响。结果表明，加工条件的优化（如MC1）显著提高了材料的强度和应变能力，而更恶劣的加工条件（如MC2和MC3）则导致材料性能的下降。绒毛处理的样品在所有加工条件下均表现出更高的压缩强度，这说明其在减轻加工损伤方面具有明显效果。此外，统计分析表明，绒毛处理的样品在应变方面表现出更小的波动性，说明其在压缩载荷下的稳定性优于未进行处理的样品。表面粗糙度分析（Sa、Sq、Sz）进一步验证了加工条件与表面质量之间的关系，显示粗糙的加工条件导致更高的表面粗糙度，而绒毛处理的样品在所有条件下均表现出更平滑的表面质量。

综合来看，本研究通过引入3D绒毛处理技术，成功缓解了加工过程中造成的损伤，并提升了CFRP的机械性能和表面质量。研究结果表明，通过优化加工参数和设计合理的3D增强结构，可以在不增加材料厚度的情况下显著提高材料的强度和刚度，从而实现更高的强度-重量比。这种增强策略不仅适用于航空领域，也为其他对高机械性能和耐久性有要求的工业应用提供了新的思路。

本研究的意义在于为复合材料制造过程中如何整合3D增强策略提供了实际指导。通过合理设计和应用3D绒毛处理技术，可以在加工过程中有效控制损伤的扩展，提升材料的整体性能和结构完整性。这不仅有助于延长材料的使用寿命，还能够提升其在复杂工况下的可靠性。研究结果表明，3D增强技术在减轻加工损伤、提升表面质量和增强材料性能方面具有广泛的应用前景，特别是在航空领域，对高强高韧材料的需求日益增长。

此外，本研究还强调了加工参数对材料性能的直接影响。研究表明，通过优化切削速度和进给率，可以有效控制加工温度，从而防止基体退化和切削损伤。这种优化策略不仅提高了材料的机械性能，还能够减少加工过程中产生的表面缺陷，提升最终产品的质量。研究结果还表明，3D绒毛处理在提升材料的抗剪切能力方面具有重要作用，使得材料在受到压缩载荷时表现出更高的韧性，从而降低了脆性断裂的风险。

最后，本研究通过系统的实验设计和数据分析，验证了3D绒毛处理在减轻加工损伤和提升材料性能方面的有效性。研究不仅为航空工业中的复合材料制造提供了新的技术思路，也为其他工业领域的材料设计和加工优化提供了借鉴。通过将3D增强结构与加工工艺相结合，研究人员成功实现了在不增加材料厚度的前提下提升材料的强度和刚度，为高强高韧复合材料的开发提供了新的方向。