C/SiC複合材料的制備及加工(gōng)技術研究進展焦浩文,陳冰,左彬湖南(nán)科技大(dà)學智能制造研究院難加工(gōng)材料高效精密加工(gōng)湖南(nán)省重點實驗室摘要：碳纖維增強碳化矽陶瓷基（C/SiC）複合材料由于其強度高、硬度大(dà)、耐磨損，被廣泛應用于工(gōng)業、航空航天等領域，然而 C/SiC 複合材料難以被穩定地去(qù)除加工(gōng)。本文綜述 C/SiC 複合材料的常見制備方式及其材料的性能特點。概述 C/SiC 複合材料的傳統
C/SiC 複合材料的制備及加工(gōng)技術研究進展
焦浩文, 陳 冰, 左 彬
湖南(nán)科技大(dà)學 智能制造研究院難加工(gōng)材料高效精密加工(gōng)湖南(nán)省重點實驗室
摘要：碳纖維增強碳化矽陶瓷基（C/SiC）複合材料由于其強度高、硬度大(dà)、耐磨損，被廣泛應用于工(gōng)業、航空航天等領域，然而 C/SiC 複合材料難以被穩定地去(qù)除加工(gōng)。本文綜述 C/SiC 複合材料的常見制備方式及其材料的性能特點。概述 C/SiC 複合材料的傳統機械加工(gōng)、超聲輔助加工(gōng)、激光加工(gōng)等加工(gōng)方法，分(fēn)析了各種加工(gōng)方法的材料去(qù)除機理、加工(gōng)精度、常見缺陷及加工(gōng)過程中(zhōng)存在的問題。傳統的機械加工(gōng)需進一(yī)步優選切削刀具材料；超聲輔助加工(gōng)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(xià)的材料去(qù)除機理；激光加工(gōng)要進一(yī)步研究 2.5 維及 3 維 C/SiC 複合材料的激光加工(gōng)去(qù)除機理。在這些研究的基礎上進一(yī)步采用複合加工(gōng)的方法，探尋 C/SiC 複合材料高效、精密、穩定和無損加工(gōng)的可能性。
關鍵詞：C/SiC 複合材料；制備方式；傳統機械加工(gōng)；超聲輔助加工(gōng)；激光加工(gōng)
碳纖維增強碳化矽陶瓷基（C/SiC）複合材料是一(yī)種新型材料，其主要成分(fēn)是碳纖維和碳化矽陶瓷材料。SiC 具有優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(dà)。通過纖維強化制成 C/SiC 複合材料，其韌性降低、脆性減小(xiǎo)，力學性能得到改善。與傳統的結構陶瓷或碳纖維增強樹(shù)脂基複合材料相比，C/SiC 複合材料的各項性能都有所提升，既具備碳纖維材料強度大(dà)、模量高、耐腐蝕、質量輕、各向異性、線膨脹系數小(xiǎo)等特點，又(yòu)兼具碳化矽陶瓷材料高抗彎性、高抗氧化性、耐腐蝕、抗磨損、摩擦系數低及高溫力學性能優良等特點，還獲得高抗沖擊性、高抗疲勞性等優點。
由于其優良的力學性能和穩定的化學性能，C/SiC 複合材料被廣泛應用于能源、汽車(chē)制造、航空航天等領域，如法國生(shēng)産的 2D-NicalonC/SiC已用于陣風戰鬥機的噴氣發動機及赫爾墨斯航天飛機的隔熱瓦和内燃機部件。美國和法國應用C/SiC 複合材料制備的航空發動機噴管構件已經成功應用。此外(wài)，由于 C/SiC 複合材料的力學性能優于樹(shù)脂基複合材料和高溫合金材料，C/SiC 複合材料成爲高性能航空發動機的主要候選材料，并将被應用于核能 、高速 刹車(chē) 、燃氣輪機熱端部件、高溫氣體(tǐ)過濾和熱交換器等設備的關鍵元器件上。
然而C/SiC複合材料難以穩定地被去(qù)除加工(gōng)，因此限制了C/SiC 複合材料的推廣和應用。目前常用的加工(gōng)方法有：傳統的機械加工(gōng)、超聲振動輔助加工(gōng)、激光加工(gōng)、電(diàn)火(huǒ)花加工(gōng)、磨料水射流加工(gōng)，然而這些加工(gōng)方法仍不能解 決C/SiC 複合材料高效、穩定去(qù)除的問題，如傳統機械加工(gōng)中(zhōng)易出現分(fēn)層，毛刺，纖維斷裂等加工(gōng)缺陷；超聲輔助加工(gōng)成本高，未能廣泛應用；激光加工(gōng)中(zhōng)熱影響區的缺陷不可避免等。
本文介紹了 C/SiC 複合材料的制備方法，闡述了各種制備方法的優缺點及應用狀況。綜述了C/SiC 複合材料的加工(gōng)方法，分(fēn)析總結了各個方法的優勢及缺點，并展望了 C/SiC 複合材料的精密加工(gōng)技術的發展方向和趨勢。
碳纖維增強陶瓷基複合材料的制備
C/SiC 複合材料是一(yī)種典型的碳纖維複合材料，它是由基體(tǐ)（碳化矽）與增強層（碳纖維）複合而成，通常編織成具有一(yī)定結構的多孔預制成型，如2 維、2.5 維、3 維針刺結構。不同的預制結構導緻 C/SiC 複合材料的各項性能不同。如圖 1 所示，2 維 C/SiC 複合材料是最常見的預制成型，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 複合材料而言，2 維C/SiC 複合材料在 Z 軸方向連結不緊密，會導緻C/SiC 複合材料在加工(gōng)或者使用過程中(zhōng)，在各種應力的作用下(xià)更易出現分(fēn)層、毛刺等缺陷情況。He 等通過實驗和數值仿真相結合的方法研究2 維 C/SiC 複合材料在彎曲載荷下(xià)的失效行爲，結果表明：橫向纖維束中(zhōng)出現分(fēn)層裂縫，縱向纖維束中(zhōng)出現纖維褶皺。Zhang 等測試了 2 維 C/SiC複合材料的靜态和疲勞機械性能，結果表明：在加載過程中(zhōng) C/SiC 複合材料纖維與 SiC 基體(tǐ)之間出現 裂 縫 和 剝 離(lí) ，使得C/SiC複合材料在纖維與SiC 基體(tǐ)交界處易出現破碎、斷裂等缺陷。
圖 1 二維 C/SiC 複合材料的微觀結構（a）總體(tǐ)結構；（b）每層編織結構
新型的 2.5 維或者 3 維 C/SiC 複合材料如圖 2所示，C/SiC 複合材料除 X、Y 方向上層層垂直疊加的排布及短小(xiǎo)纖維層外(wài)，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結性能，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(yī)定的提升，對材料在加工(gōng)或者使用過程中(zhōng)的分(fēn)層缺陷起到一(yī)定的抑制作用。2.5 維和 3 維 C/SiC 複合材料相較于 2 維 C/SiC 複合材料，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(qù)除加工(gōng)難度也高于 2 維 C/SiC 複合材料。
Renato 等基于聲發射檢測技術研究 2.5 維C/SiC 複合材料疲勞和準靜态載荷下(xià)的損傷狀況，結果表明：在疲勞實驗的前 200 個循環期間，聲發射信号可以準确量化損傷程度。Chen 等通過數值仿真的方法對 2.5 維 C/SiC 複合材料的彈性常數進行預測，分(fēn)析 2.5 維 C/SiC 複合材料的力學性能，結果表明：相較于2 維C/SiC 複合材料，2.5 維 C/SiC複合材料具有較強的各向異性。Wan 等測試3 維 C/SiC 複合材料的力學性能，如圖 3 所示，結果表明：3 維針刺 C/SiC 複合材料的原始結構對基體(tǐ)、束間孔隙和初始裂紋的空間分(fēn)布有很大(dà)影響；在橫向壓縮下(xià)，有高的抗壓強度和彈性模量，通過剪切斷裂發生(shēng)破壞；在縱向壓縮時，C/SiC 複合材料的彈性模量較低，材料在複合剪切下(xià)發生(shēng)斷裂破壞。Xie 等通過實驗和仿真相結合的方式測試3 維針刺 C/SiC 複合材料的性能，結果表明：3 維針刺 C/SiC 複合材料在實驗測試中(zhōng)顯示出分(fēn)散的力學性能，複合材料中(zhōng)随機分(fēn)布着針刺區域和針刺微觀結構的變異性區域。
圖 2 2.5 維和 3 維 C/SiC 複合材料的微觀形貌（a）2.5 維 C/SiC 複合材料；（b）3 維 C/SiC 複合材料
圖 3 3 維 C/SiC 複合材料的抗氧化性能測試 SEM （a），（b），（c），（d）爲不同位置的抗氧化性測試結果
由于 C/SiC 複合材料被廣泛的應用于多個領域，因此研究高效的制備方法來制備 C/SiC 複合材料也變得越來越有意義。目前，制備 C/SiC 複合材料的方法有先驅體(tǐ)浸漬裂解法，化學氣相滲透法 ，反應熔體(tǐ)浸滲法 ，熱壓燒結法 ，綜合方法等，不同制備方式所得的 C/SiC 複合材料的力學性能有一(yī)定差異。
先驅體(tǐ)浸漬裂解法（ precursor impregnation pyrolysis，PIP）中(zhōng) SiC 陶瓷來自于含 Si 的物(wù)質，在一(yī)定的壓力和溫度下(xià)将液态的物(wù)質注入 C/C 預制體(tǐ)中(zhōng)，然後反應得到 SiC 陶瓷。PIP 法制備的C/SiC 複合材料的力學性能主要由先驅體(tǐ)的性質、浸漬工(gōng)藝、熱處理工(gōng)藝三個方面決定。這一(yī)方法的優點主要爲：先驅體(tǐ)有可設計性，可實現複雜(zá)零件的制備，陶瓷填料均勻，制備過程中(zhōng)産生(shēng)的缺陷少，主要缺點爲：制備周期長，陶瓷微結構不緻密，成本較高。
Yang 等通過 PIP 法制備 C/SiC 複合材料，如圖 4 所示，并對材料進行高溫氧化實驗，結果表明：C/SiC 複合材料經氧化實驗後損傷嚴重，碳纖維與 SiC 基體(tǐ)交界處出現微裂紋的擴展，導緻彎曲強度下(xià)降，如圖5所示。Kumar等采用M40J纖維和内部合成的PC（polycarbosilane）利用 PIP 法制備高強度 C/SiC 複合材料，并對複合材料的抗彎性能和斷裂性能進行了評價和表征，結果表明：該複合材料的抗彎性能和斷裂性能優于其他方法制備的複合材料。蔣進明等通過先驅體(tǐ)浸漬裂解法制備 C/ZrCSiC 複合材料，結果表明：PIP 法可以獲得理想孔隙率的 C/SiC 複合材料。
圖 4 PIP-C/SiC 複合材料的表面和截面：（a）C/SiC 複合材料的表面；（b）C/SiC 複合材料的截面
圖 5 PIP-C/SiC 複合材料經過高溫氧化的截面：（a），（b）1700 ℃ 氧化；（c），（d）1800 ℃ 氧化
化學氣相滲透法（chemical vapor infiltrationmethod，CVI）是将具有特定形狀的預制體(tǐ)置于沉積爐中(zhōng)，通入的氣态前驅體(tǐ)通過擴散、對流等方式進入預制體(tǐ)内部，在一(yī)定溫度下(xià)發生(shēng)複雜(zá)的化學反應，生(shēng)成固态的陶瓷類物(wù)質并以塗層的形式沉積于增強相表面或孔隙中(zhōng)，随着沉積的繼續，孔隙越來越小(xiǎo)，最終成爲連續相，即陶瓷基體(tǐ)。CVI法制備 C/SiC 複合材料的工(gōng)藝流程主要有兩種：（1）首先在纖維預制體(tǐ)的碳纖維表面沉積一(yī)層熱解碳 ， 然後以三氯甲基矽烷作爲SiC的氣源 ，以H2 或 N2 作爲稀釋氣體(tǐ)和載氣，在一(yī)定溫度（1000～1100℃ ）和壓力（10～100 KPa）下(xià)沉積得到 SiC 基體(tǐ)；（2）以四氯化矽和氫氣的混合氣體(tǐ)作爲氣源，共沉積得到熱解碳和 SiC 基體(tǐ)。CVI 的主要優點爲：纖維損傷小(xiǎo)，力學性能好，陶瓷基體(tǐ)勻，可制備複雜(zá)的零部件，缺點爲：氣體(tǐ)的利用率低，制備成本偏高，殘留孔隙率較大(dà)，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複合材料，并進行燒蝕實驗，如圖 6 所示，結果表明：C/SiC 複合材料的燒蝕性能均勻，線燒蝕率和質量燒蝕率的平均值分(fēn)别爲 0.03 mm/s 和 0.0047 g/s。西北(běi)工(gōng)業大(dà)學王毅強等采用 CVI 法制備 2 維和2.5 維 C/SiC 複合材料料，并進行拉伸實驗，結果表明：2 維 C/SiC 複合材料的力學性能表現爲各向同性，而 2.5 維 C/SiC 複合材料的力學性能則表現出各向異性。王躍明等采用化學氣相滲透法制備C/SiC 複合材料，并測試了所得材料的平均宏觀硬度，結果表明：随着基體(tǐ) SiC 含量的降低，C/C-SiC複合材料的平均宏觀硬度由 98.2HRA 降至 65.1HRA，硬度分(fēn)布的均勻性也明顯下(xià)降。Wang 等采用化學氣相滲透法制備 C/SiC 複合材料，研究滲透通道尺寸對 C/SiC 複合材料顯微組織和力學性能的影響。結果表明：增大(dà)通道尺寸可以擴大(dà)入滲通道和緻密化帶，這與理論計算是一(yī)緻的。
圖 6 CVI-C/SiC 複合材料經過燒蝕後的表面形貌 （a）燒蝕表面微觀形貌；（b）燒蝕亞表面微觀形貌
反應熔體(tǐ)浸滲法（ reaction melt infiltration，RMI）又(yòu)稱作熔融滲矽法。RMI 法的制備過程分(fēn)爲三個階段：第一(yī)階段，在高溫及真空的條件下(xià)，液态的矽在分(fēn)子力的作用下(xià)進入碳-碳預制體(tǐ)中(zhōng)；第二階段，熔融的 Si 與碳-碳預制體(tǐ)中(zhōng)的熱解碳發生(shēng)反應生(shēng)成 SiC 基體(tǐ)；第三階段，熔融的 Si 繼續借助生(shēng)成的 SiC 基體(tǐ)擴散，繼續與熱解碳反應生(shēng)成 SiC。整個制備過程中(zhōng)反應的速率主要由第三階段中(zhōng)Si 的擴散速率決定。制備過程中(zhōng)，未完全反應的Si 會與碳纖維反應，造成纖維損失，使制備所得的C/SiC 複合材料力學性能降低。
Tong 等通過反應熔體(tǐ)浸透法制備 C/SiC 複合材料，采用固相液滴技術，研究多孔 C/SiC 複合預成型材料在液态矽作用下(xià)的潤濕性和浸潤性。結果表明：接觸角随時間的增加而減小(xiǎo)，而滴底直徑随時間的增加而增大(dà)。Chang 等采用反應熔體(tǐ)滲透法制備密度爲 3.09 g/cm3、孔隙率爲 4.8%的 C/ZrC-SiC 複合材料，如圖 7 所示。彎曲強度和模 量 分(fēn) 别 爲 235 MPa 和 18.3 GPa， 斷 裂 韌 度 爲7.0 MPa•m1/2。複合材料的質量損失率爲 0.0071 g/s，線性衰退率爲 0.0047 mm/s。萬玉慧等通過反應熔體(tǐ)浸滲法制備二維 C/SiC 陶瓷基複合材料，并對材料的結構和力學性能進行研究。研究表明：複合材料緻密度很高 ，密度 爲 2.31 g/cm3，氣孔率 爲1.39%；垂直和平行碳布方向的壓縮強度高且差别很小(xiǎo)，分(fēn)别爲 418 MPa 和 409 MPa。
圖 7 RMI-C/SiC 複合材料表面形貌 （a）C/SiC 複合材料表面形貌；（b）C/SiC 複合材料局部形貌
熱壓燒結法（hot press sintering，HPS）更多的應用于制備粉體(tǐ)陶瓷，但也能應用于 C/SiC 複合材料的制備中(zhōng)。在制備過程中(zhōng)，第一(yī)步先将纖維進行浸滲處理，第二步将浸滲後的纖維纏繞在輪毂上，烘幹後制成無緯布，第三步根據實際要求所得尺寸切割疊壓後進行熱壓燒結得到最終的 C/SiC 複合材料。HPS 法優點爲工(gōng)藝簡單，周期短，成本低；終産品所需的機械加工(gōng)比較少，可完成近尺寸成形；産品的孔隙率低，緻密度高。該方法的缺點是高溫高壓下(xià)纖維容易受到損傷，在制造複雜(zá)結構部件時有較大(dà)的困難。
Tang 等以短碳纖維爲增強材料，與 SiC 陶瓷相結合，采用壓縮成型和熱燒結相結合的方法制備纖維含量不同的 C/C-SiC 複合材料，如圖 8 所示，并對其力學性能和摩擦學性能進行研究。結果表明：纖維含量 30% 的複合材料具有最高的抗彎強度（201.42 MPa）和抗剪強度（116.68 MPa）。其增強機理可歸納爲纖維拉拔、纖維脫粘、纖維橋接以及裂紋撓度。Li 等制備的一(yī)種短碳纖維增強複合材料獲得相當廣泛的應用，該複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 複合材料不同纖維含量斷裂表面形貌：（a）纖維含量 10% 的 C/SiC 複合材料；（b）纖維含量 20% 的C/SiC 複合材料；（c）纖維含量 30% 的 C/SiC 複合材料；（d）纖維含量40% 的 C/SiC 複合材料
現階段常用的制備 C/SiC 複合材料的單一(yī)方法都有一(yī)定的适用範圍，有時可能不能滿足特殊用途的 C/SiC 複合材料的制備要求，綜合應用上述介紹的兩種或多種制備方法，可以使得它們的優點均能表現出來，并且一(yī)定程度上相互彌補各自的缺點，制備出滿足特殊用途的優良性能的 C/SiC 複合材料。闫連生(shēng)等将 CVI 法與 PIP 法相結合，這一(yī)制備方法的周期适中(zhōng)，且所得 C/SiC 複合材料的力學性能優良，成本相對較低，适合批量制備C/SiC 複合材料。此外(wài)，肖鵬、徐永東等團隊均 采 用 CVI 法 與 RMI 法 相 結 合 的 方 法 制 得C/SiC 複合材料，制得的複合材料各項力學性能優良，化學穩定性好，所耗成本少。
碳纖維增強陶瓷基複合材料的加工(gōng)方法
由于 C/SiC 複合材料被廣泛地應用于多個領域，穩定、高效地加工(gōng) C/SiC 複合材料逐漸變爲一(yī)個研究熱點。但是由于材料本身優良的各項性能使得複合材料難以被有效的去(qù)除加工(gōng)，目前常用的加工(gōng)方法有：傳統的機械加工(gōng)（磨削、銑削、車(chē)削、鑽削），超聲振動輔助（磨削、銑削）加工(gōng)，激光加工(gōng)，電(diàn)火(huǒ)花加工(gōng)，磨料水射流加工(gōng)等。
目前 C/SiC 複合材料的主要加工(gōng)方式仍爲傳統機械加工(gōng)。傳統的機械加工(gōng)主要包括磨削、銑削、鑽削，對于傳統的機械加工(gōng)，研究主要集中(zhōng)于刀具的選擇，加工(gōng)參數的優化，以及加工(gōng)工(gōng)藝優化等方面。
畢銘智通過鑽、銑複合的加工(gōng)工(gōng)藝對 C/SiC複合材料進行加工(gōng)，表明複合工(gōng)藝下(xià)加工(gōng)表面質量得到了改善。王平等指出車(chē)削加工(gōng) C/SiC 複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。張國棟利用釺焊金剛石鑽頭與電(diàn)鍍金剛石鑽頭對 C/SiC 複合材料進行鑽削實驗，結果表明：釺焊金剛石鑽頭鑽削産生(shēng)的孔質量更好，且纖維角度、進給量對軸向力和法向力均有影響。劉瓊等 用硬質合金麻花鑽對二維編織排布的C/SiC 複合材料進行鑽削實驗，發現采用大(dà)的轉速和小(xiǎo)的進給速率可以獲得好的加工(gōng)質量的孔。Hu等對二維 C/SiC 複合材料的銑削加工(gōng)性能進行研究，如圖 9 所示，實驗結果表明：在銑削過程中(zhōng)，由于突點的存在，銑削力變化較大(dà)；随着切削速率的增加進給量的減小(xiǎo)，切削力和表面粗糙度減小(xiǎo)。劉傑等 采用金剛石砂輪對 C/SiC 複合材料進行高速深磨，研究表明：材料的去(qù)除機理與纖維排布方向及 SiC 填料的均勻程度有關。Li 等通過單顆磨粒實驗探究 C/SiC 複合材料的磨削去(qù)除機理，如圖10 所示，結果表明：磨削參數對磨削表面質量的影響較大(dà)，且磨削去(qù)除中(zhōng)以脆性去(qù)除爲主。
圖 9 2 維 C/SiC 複合材料的銑削加工(gōng)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 複合材料的磨削去(qù)除機理示意圖
劉瓊等通過磨削實驗發現磨削參數對表面磨削質量有一(yī)定的影響，不同纖維排布方向易出現的加工(gōng)缺陷不同。Liu 等通過金剛石砂輪磨削2 維 C/SiC 複合材料，研究纖維角度對磨削加工(gōng)表面質量的影響，纖維角度在一(yī)定範圍内，表面粗糙度随着纖維角度的減小(xiǎo)而降低。Qu 等用磨削加工(gōng)的方法對 C/SiC 複合材料進行加工(gōng)，如圖 11 所示，研究表明：纖維角度對磨削加工(gōng)表面質量有顯著 的 影 響 。Du 等通過電(diàn)鍍金剛石砂輪磨削2 維 C/SiC 複合材料，對纖維定向磨削工(gōng)藝進行研究，在實驗條件一(yī)定的情況下(xià)，磨削切向力與法向力相比要大(dà)一(yī)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，數值模拟單顆粒金剛石平面磨削的過程，發現随着鑽速的提高磨削力變小(xiǎo)，加工(gōng)質量提高。
與其他加工(gōng)方法相比，傳統的機械加工(gōng)成本較低，但是加工(gōng)過程中(zhōng)會出現分(fēn)層，毛刺，纖維斷裂，纖維拔出等加工(gōng)缺陷。加工(gōng)過程中(zhōng)刀具磨具的磨損也比較嚴重，這些因素制約了傳統機械加工(gōng)加工(gōng)C/SiC 複合材料的應用 ，但在一(yī)些特殊的情況下(xià)由于成本、加工(gōng)條件的局限隻能采用傳統的機械加工(gōng)。
圖 11 磨削 C/SiC 複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(gōng)應用超聲波振子使刀具出現頻(pín)率較高的直線振動，使得材料與粒子發生(shēng)撞擊，最終實現材料的微量去(qù)除。超聲振動加工(gōng)過程中(zhōng)作用力小(xiǎo)，對工(gōng)件表面損傷小(xiǎo)，加工(gōng)質量好，适用于打孔和型腔成型加工(gōng)等。超聲振動輔助加工(gōng)包括超聲振動輔助銑削以及超聲振動輔助鑽削等。
劉豔等通過超聲振動輔助切削加工(gōng) C/SiC複合材料探究單因素變量（轉速、進給速率、切削深度等）對加工(gōng)過程中(zhōng)切削力的影響，結果表明：随着進給速率和切削深度的增加，主軸轉速的減小(xiǎo)，加工(gōng)過程中(zhōng)的切削力逐漸增加。Wang 等通過超聲振動切削二維 C/SiC 複合材料，探究刀具振動對表面加工(gōng)質量的影響，如圖12 所示，研究表明：刀具振幅對加工(gōng)表面的粗糙度有比較重要的影響，振 幅 越 大(dà) ，表面粗糙度越小(xiǎo) 。姜慶傑針對C/SiC 複合材料加工(gōng)困難的問題，提出超聲扭轉振動銑削的加工(gōng)方法，研究表明：相較于傳統銑削，超聲銑削過程中(zhōng)的各向銑削力明顯降低。
圖 12 C/SiC 複合材料的普通銑磨與超聲振動輔助銑磨對比
鄭景珍采用旋轉超聲振動銑磨加工(gōng) C/SiC複合材料，并與普通銑磨加工(gōng)實驗進行了對比，結果表明在相同工(gōng)藝條件下(xià)，超聲振動加工(gōng)切削力遠小(xiǎo)于普通加工(gōng)，切削質量更好。湛青坡采用超聲輔助銑磨 C/SiC 複合材料，如圖 13 所示，結果表明：超聲輔助加工(gōng)可提高複合材料表面加工(gōng)質量，降低磨削力。王明海等對 C/SiC 複合材料進行超聲振動扭轉與傳統銑槽加工(gōng)對比，結果表明：超聲振動輔助加工(gōng)過程更加穩定，抑制加工(gōng)損傷的出現。唐軍等對 C/SiC 複合材料進行超聲振動輔助銑削，研究工(gōng)藝參數對表面質量、微觀形貌的影響。
超聲振動輔助加工(gōng)相較于傳統的機械加工(gōng)而言是一(yī)種新型的加工(gōng)方法，超聲振動輔助加工(gōng)獲得的加工(gōng)表面質量要高于傳統的機械加工(gōng)。但是由于 C/SiC 複合材料優良力學性能及各項異性，加工(gōng)中(zhōng)一(yī)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(yī)種加工(gōng)方法還不成熟，成套的加工(gōng)設備成本較高，許多這方面的研究還僅處于實驗室探索階段，應用于生(shēng)産中(zhōng)還要一(yī)段時間。
圖 13 C/SiC 複合材料的超聲振動輔助加工(gōng) SEM 圖 （a）普通銑磨；（b）超聲振動銑磨
相較于其他的加工(gōng)方法，激光加工(gōng)具有功率密度大(dà)，加工(gōng)效率高，無接觸加工(gōng)，加工(gōng)缺陷少，不存在刀具磨損等 優點 ，這些優點使其成爲加工(gōng)C/SiC 複合材料的重要方式。目前激光加工(gōng)的研究主要集中(zhōng)在：去(qù)除機理、參數優化、加工(gōng)工(gōng)藝（有無保護氣體(tǐ)）等方面。
Sciti 等采用飛秒激光燒蝕 C/SiC 複合材料，研究材料的去(qù)除機理，如圖14所示，結果表明：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 複合材料微加工(gōng)技術和機理進行研究，研究表明：在皮秒激光的高功率下(xià)，會産生(shēng)大(dà)量的氣相物(wù)質和強烈的沖擊波，産生(shēng)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複合材料，研究加工(gōng)參數對加工(gōng)質量的影響，結果表明：随着掃描速度和螺旋線間距的增加加工(gōng)質量得到改善，說明激光加工(gōng)過程中(zhōng)參數的優選比較重要。Zhai 等采用飛秒激光對 2 維碳纖維增強碳化矽（C/SiC）複合材料進行加工(gōng)，如圖 15 所示，獲得飛秒激光加 工(gōng) C/SiC 複合材料的燒蝕阈值 爲1.63 J/cm2，證明 C/SiC 複合材料表面加工(gōng)前的粗糙度對燒蝕效果影響較大(dà)，C/SiC 複合材料表面上的材料去(qù)除的一(yī)緻性差，飛秒激光加工(gōng) C/SiC 複合材料的微槽質量相對較高。
圖 14 C/SiC 複合材料的飛秒激光加工(gōng) SEM 圖 （a）孔入口；（b）孔截面；（c）類矽酸鹽枝晶；（d）孔内壁
圖 15 不同功率及掃描速下(xià)飛秒激光燒蝕 C/SiC 複合材料的 SEM 圖 （a），（c）0.5 W；（b），（d）1 W（速率從左到右爲：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(gōng)藝條件下(xià)研究 C/SiC 複合材料的激光加工(gōng)外(wài)，一(yī)些研究人員(yuán)還研究在保護氣體(tǐ)的氛圍下(xià)激光燒蝕 C/SiC 複合材料，與正常實驗進行對比，探究保護氣體(tǐ)對激光加工(gōng)的表面質量的影響 。Wang 等在超音速氣流下(xià)采用激光燒 蝕C/SiC 複合材料并與沒有氣流的普通激光燒蝕做對照，如圖 16 所示，結果表明：超音速氣流下(xià)的燒蝕形貌不同于普通燒蝕的形貌，且在超音速氣流下(xià)的氧 化 現 象 不 明 顯 。Zhai 等在飛秒激光加 工(gōng)C/SiC 複合材料時加入氩氣作爲保護氣體(tǐ)，結果表明：在通入保護氣體(tǐ)時加工(gōng)所得表面熱影響區小(xiǎo)，所得加工(gōng)質量較好。因此相較于普通激光加工(gōng)，通入保護氣體(tǐ)後所得的加工(gōng)表面熱影響區小(xiǎo)，可以抑制加工(gōng)過程中(zhōng)的氧化，得到加工(gōng)質量更好的表面質量。但是加工(gōng)過程中(zhōng)加入保護氣體(tǐ)後進一(yī)步增加了加工(gōng)成本，目前在實際生(shēng)産中(zhōng)并不能得到廣泛的應用。
相較于傳統機械加工(gōng)，激光加工(gōng)是一(yī)種精确、高效的加工(gōng) C/SiC 複合材料的方法。可以避免傳統的機械加工(gōng)中(zhōng)分(fēn)層、毛刺、崩邊等常見加工(gōng)缺陷，在航天航空應用中(zhōng)，/SiC 複合材料的微孔加工(gōng)不可避免，傳統的機械加工(gōng)加工(gōng)難度大(dà)、需要設計特殊的夾具及刀具，進一(yī)步提高加工(gōng)成本，降低經濟效益，此時激光加工(gōng)成爲代替傳統機械加工(gōng)的最優選擇。但激光加工(gōng)相較于傳統機械加工(gōng)仍存在以下(xià)問題：激光加工(gōng)過程中(zhōng)材料的去(qù)除量難以控制、加工(gōng)過程中(zhōng)熱影響區及燒蝕氧化層難以避免。
圖 16 C/SiC 複合材料的普通激光加工(gōng)與加入保護氣體(tǐ)後燒蝕形貌對比圖 （a）普通激光加工(gōng)；（b）加入保護氣體(tǐ)後加工(gōng)
除了傳統的加工(gōng)方法之外(wài)，一(yī)些特種加工(gōng)方法（ 如 電(diàn) 火(huǒ)花加工(gōng) 、水射流加工(gōng)等 ）也用于加工(gōng)C/SiC 複合材料。電(diàn)火(huǒ)花加工(gōng) C/SiC 複合材料的研究主要集中(zhōng)在過程中(zhōng)力的預測上。Pachurary等對 C/SiC 複合材料的電(diàn)火(huǒ)花制孔操作進行實驗研究，确定脈沖電(diàn)流，間隙電(diàn)壓是在孔洞圓度和過切中(zhōng)最重要的影響參數。Guu 等 研究在低溫下(xià)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(diàn)流（低于 0.2 A），材料去(qù)除的主要機制爲熔化和蒸發。Wei 等通過電(diàn)火(huǒ)花加工(gōng) C/SiC 複合材料，探究間隙電(diàn)壓和占空比對加工(gōng)表面損傷和效率的影響，如圖17所示，結果表明：高間隙電(diàn)壓或低占空比改善了碎屑疏散，減少了加工(gōng)缺陷，提高了加工(gōng)效率。
磨料水射流加工(gōng)是一(yī)種切削和成型硬質陶瓷（如 SiC）的優良工(gōng)藝。在難以加工(gōng)的纖維增強陶瓷基複合材料中(zhōng)，由于複合材料的各向異性，加工(gōng)過程變得更具挑戰性，特别是二維編織 C/SiC 複合材料易出現斷裂缺陷。Ramular 等用高壓磨料水射流來擊穿 C/SiC 複合材料，所得孔的質量較好，未出現層間裂縫或纖維分(fēn)層的缺陷。張運祺對磨料水射流的加工(gōng)原理進行闡述，并系統介紹切割複合材料的水射流裝置，由于這一(yī)方法是冷加工(gōng)，未出現熱影響區，因此所得加工(gōng)的精度較高，質量較好。西北(běi)工(gōng)業大(dà)學超高溫結構複合材料重點實驗室發展了 CMC-SiC 材料的高速磨料流加工(gōng)技術，解決了CMC-SiC 材料切割、打孔的加工(gōng)速率和效率問題。
圖 17 C/SiC 複合材料電(diàn)火(huǒ)花加工(gōng)的表面形貌（a）裂紋擴展（b）纖維斷裂
總結與展望
由于航空航天、核工(gōng)業和汽車(chē)工(gōng)業對 C/SiC 複合材料的需求逐步增長，使得 C/SiC 複合材料的制備方法和加工(gōng)工(gōng)藝逐漸成爲研究的熱點。C/SiC 複合材料的常用制備 方 法 有 ：先驅體(tǐ)浸漬裂解法（PIP），化學氣相滲透法（CVI），反應熔體(tǐ)浸滲法（RMI），熱壓燒結法（HPS），綜合方法等，每種制備方法的優勢和缺點不同，因此其應用範圍略有不同。制備零件比較複雜(zá)的 C/SiC 複合材料時，要求力學性能優良、材料均勻性好，一(yī)般采用先驅體(tǐ)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 複合材料時，一(yī)般采用反應熔體(tǐ)浸滲法或熱壓燒結法制備，進而可降低生(shēng)産成本。
在傳統機械加工(gōng)中(zhōng)，存在刀具磨損嚴重、加工(gōng)缺陷無法避免等問題，研究集中(zhōng)于刀具選擇、參數優化及 C/SiC 複合材料的去(qù)除機制。相比于傳統機械加工(gōng)，超聲振動輔助機械加工(gōng)的方法降低了刀具的磨損，一(yī)定程度上抑制分(fēn)層和毛刺缺陷，提高了加工(gōng)精度，但不能完全避免加工(gōng)缺陷，且成套的超聲振動輔助加工(gōng)設備成本較高，尚不能廣泛應用于實際生(shēng)産中(zhōng)。激光加工(gōng)雖然不存在機械加工(gōng)過程中(zhōng)刀具磨損、分(fēn)層和毛刺加工(gōng)缺陷的問題，且加工(gōng)效率高，但加工(gōng)後的 C/SiC 複合材料表面存在熱影響區和燒蝕氧化層，利用超短脈沖（如飛秒激光）技術、優化激光參數及加入保護氣體(tǐ)等方法可降低熱影響區的面積和燒蝕氧化層的厚度。
雖然，國内外(wài)很多學者對 C/SiC 複合材料的加工(gōng)技術的基礎理論（去(qù)除機理、參數優化等）進行了研究，但仍不能對 C/SiC 複合材料實現高效、精密、穩定和無損加工(gōng)。新型 C/SiC 複合材料制備将向勻質、氣孔率低、物(wù)理和化學性能提高且穩定的方向發展。傳統機械加工(gōng) C/SiC 複合材料的技術，需進一(yī)步優選切削刀具材料，開(kāi)發新型刀具結構，優化工(gōng)藝參數等，進而減小(xiǎo)加工(gōng)缺陷。C/SiC 複合材料的超聲輔助加工(gōng)技術，需進一(yī)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(xià)的材料去(qù)除機理、開(kāi)發新型超聲振動設備和優化工(gōng)藝方法等，進而提高 C/SiC 複合材料的加工(gōng)質量。C/SiC複合材料激光加工(gōng)技術，尚需基于數值仿真軟件，結合激光燒蝕實驗，深入探究 2.5 維或者 3 維 C/SiC複合材料的激光加工(gōng)去(qù)除機理，提出降低熱影響區的面積和燒蝕氧化層的厚度的新工(gōng)藝措施。最後，采用其他特種加工(gōng)（離(lí)子束、電(diàn)子束等）或者複合加工(gōng)方法加工(gōng) C/SiC 複合材料，探尋 C/SiC 複合材料高效、精密、穩定和無損加工(gōng)的可能性。
文章内容轉載：CTSA熱噴塗技術平台
