碳纤维增强复合材料面下损伤的表面处理方法

摘要

本发明碳纤维增强复合材料面下损伤的表面处理方法属于复合材料领域，涉及一种碳纤维增强复合材料加工后的面下损伤观测的表面处理方法。处理方法采用微小量逐层去除材料的方式，方法包括取样、研磨、清洗、晾干、观测评价步骤。研磨是利用研磨机以砂纸为介质对样件表面进行研磨，分为粗磨、半精磨、精磨，使损伤表面裸露出来。清洗是利用超声波清洗机对研磨好的样件进行清洗，去除材料表面的杂质。该方法简单易操作，不受材料形状限制；所得的样件表面损伤干净完整，该方法解决了加工后碳纤维增强复合材料面下损伤观测样件，在制备过程中损伤易扩展而破坏原有形貌的问题。

权利要求

1.一种碳纤维增强复合材料面下损伤的表面处理方法，其特征在于，处理方法采用微小量逐层去除材料的方式，该方法包括取样、研磨、清洗、晾干、观测评价；方法具体步骤如下：第一步：取样，是利用锯床锯切加工后的碳纤维增强复合材料样件 (1)；然后将压重块(2)加热，加热温度设定80℃，利用熔化的黄蜡将样件(1)粘在压重块(2)上，以压重块中心为圆心，样件(1)在同一个圆上，冷却后样件(1)固定在压重块(2)上，每次固定的样件(1)的数量不得少于三个；

第二步：研磨，用平面研磨机研磨，以砂纸(3)为介质对样件(1)进行研磨，分别进行粗磨、半精磨、精磨三步操作；粗磨使用转速为20r/min，研磨时间为10min左右，砂纸粒度为P320或者P400，快速去除样件表面材料；半精磨使用转速为18r/min，研磨时间为30min左右，砂纸粒度为P600，目的是去除粗磨破坏的样件表面材料；精磨使用转速为13r/min，研磨时间为30min左右，砂纸粒度为P800，目的是去除半精磨破坏的材料表面，最终使面下损伤完整裸露出来；

第三步：清洗，先将压重块(2)放在加热盘上加热，将蜡熔化，把样件(1)从压重块(2)上取下来后，放入盛有清水的烧杯中，烧杯中的水要浸没样件；再将烧杯放入超声波清洗机里，对研磨好的样件(1)进行多次清洗，去除材料表面的杂质；

第四步：晾干，将清洗好的样件(1)晾干，使水分完全蒸发；

第五步：观测评价，利用扫描电子显微镜对经过表面处理过的样件(1)进行观测，观测到面下损伤原有的形貌，并进行准确的评价。

说明书

碳纤维增强复合材料面下损伤的表面处理方法

技术领域

[0001] 本发明属于复合材料领域，涉及一种碳纤维增强复合材料加工后的面下损伤观测的表面处理方法。

背景技术

[0002] 碳纤维增强复合材料制件大都为一次铺放固化后整体成型，为满足装配要求，需进一步对其进行制孔、切边等切削加工。然而，由于碳纤维复合材料细观上呈纤维、树脂及界面组成的多相态，宏观上呈多层、多向的非均质各向异性特性，且碳纤维增强相强度、硬度高，而包裹于纤维周围的树脂基体相、界面相强度低，切削加工中极易因加工工艺选择不当而产生严重的面下开裂、分层等机械损伤，降低碳纤维增强复合材料制件的力学性能。随着碳纤维增强复合材料在高端装备主承力构件中的推广应用，对其损伤容限控制格外严格。由于高端装备的主承力构件在服役过程中往往承受复杂多变的巨大载荷，过大的面下开裂损伤极易在承受复杂载荷的过程中扩展，导致构件失效，甚至机毁人亡。因此，在复材制件加工质量的评定中，通过显微观测对面下损伤进行定量描述，进而获得面下开裂损伤程度与制件力学性能、加工工艺间的对应关系，进而通过合理选取加工工艺，以主承力构件加工损伤为控制标准，选择合理的加工工艺以确保制件服役可靠性。然而，面下开裂损伤位于加工表面以下的材料内部，无法直接观测。因此，需通过一定手段将表层材料去除，使面下开裂损伤完整暴露于扫描电子显微镜视场中，进而完成准确测量。

[0003] 然而，碳纤维复合材料中各组成相的尺寸为微米级，加工面下损伤范围在几微米-几百微米范围内。在去除表层材料的过程中，极易因去除力过大而导致损伤扩展，损伤形貌失真，测量结果不再具有参考价值。因此，必须采用微小量逐层去除材料的方式，尽可能地减小去除力，避免外力所致的面下损伤扩展，保持原有损伤形貌，确保损伤数据测量的准确性。目前，未见针对碳纤维增强树脂基复合材料加工损伤样件制备方法的报道；王海、樊亚军等发明的“大规格钛及钛合金金相试样制备方法”，专利申请号201310260852.X，它涉及均质金属材料金相样件的制备方法，但由于所观测晶粒尺度大都在30μm以上，若直接采用其制备方法及参数，极易因去除力过大而诱发面下损伤扩展，导致样件制备失败。

发明内容

[0004] 本发明的目的是克服现有技术的缺陷，发明一种碳纤维增强复合材料面下损伤的表面处理方法，采用研磨机以砂纸为介质对碳纤维增强复合材料进行不同层次的研磨，以实现表面材料的微量去除，使内部损伤原有形貌完整表露，进而利用扫描电子显微镜对内部面下损伤进行准确测量与评价，表面处理方法简单易操作、不受材料形状限制。表面所得的样件损伤表面干净完整。

[0005] 本发明采用的技术方案是一种碳纤维增强复合材料面下损伤的表面处理方法，其特征在于，处理方法采用微小量逐层去除材料的方式，该方法包括取样、研磨、清洗、晾干、观测评价；方法的具体步骤如下：

[0006] 第一步：取样，是利用锯床锯切加工后的碳纤维增强复合材料样样1；然后将压重块2加热，利用熔化的黄蜡将样件1粘在压重块2上，冷却后样件1固定在压重块2上，每次固定的样件1的数量不得少于三个；

[0007] 第二步：研磨，用平面研磨机研磨，以砂纸3为介质对样件1进行研磨，分别进行粗磨、半精磨、精磨三步操作；选取粗磨、半精磨、精磨所使用的砂纸3型号，以及研磨盘6在粗磨、半精磨、精磨所对应的转速；对于每一步的参数选取，砂纸3粒度越大，转速越大，研磨速度越快，研磨时间要相对缩短；砂纸3粒度越小，转速越低，研磨速度越慢，研磨时间要相对增加，使表面质量增高；

[0008] 第三步：清洗，先将压重块2放在加热盘上加热，将蜡熔化，把样件1从压重块2上取下来后，放入盛有清水的烧杯中，烧杯中的水要浸没样件1；再将烧杯放入超声波清洗机里，对研磨好的样件1进行多次清洗，去除材料表面的杂质；每次清洗结束后，将烧杯中的水换为清水；

[0009] 第四步：晾干，将清洗好的样件1晾干，使水分完全蒸发；

[0010] 第五步：观测评价，是将晾干后的样件1用样品袋收集起来，并做好标记，利用扫描电子显微镜对经过表面处理过的样件进行观测，观测到面下损伤原有的形貌，并进行准确的评价。

[0011] 本发明的有益效果是表面处理方法简单易操作，不受材料形状限制，表面所得的样件损伤表面干净完整，完整保留了加工损伤的原有形貌，包括纤维弯曲、纤维断裂、纤维基体界面开裂等。处理方法解决了加工后碳纤维增强复合材料面下损伤观测样件制备过程中损伤易扩展而破坏原有形貌的问题。

附图说明

[0012] 图1为本发明的研磨机构示意图，图中：1.样件，2.压重块，3.砂纸，4.螺栓，5.圆环，6.研磨盘，

[0013] 图2为采用本发明方法利用扫描电子显微镜观测到的面下损伤情况，图中：7-纤维断裂，8-纤维弯曲，9-纤维基体界面开裂

具体实施方式

[0014] 下面结合技术方案和附图详细说明本发明实施例的具体实施。

[0015] 附图1是本发明的研磨机构示意图，一种碳纤维增强复合材料面下损伤观测的表面处理方法，包括取样、研磨、清洗、晾干、观测步骤。以加工后的单向碳纤维增强复合材料层合板为例，具体步骤如下：

[0016] 第一步：取样，是利用锯床锯切大约为20mm×20mm加工后的碳纤维增强复合材料样件1，在锯切时注意不要破坏已加工表面。同时用砂纸将样件1边缘的毛刺打磨干净，如果样件1边缘存在加工时造成的突起，同样也要用砂纸将突起的材料打磨掉，保证样件1表面的平面度。

[0017] 第二步：研磨，是将锯切的样件1固定在圆形压重块2上，每次固定的样件1数量不得少于三个。固定样件1的方法为：将压重块2放在加热台上加热，加热到80℃左右时，在压重块2上表面涂抹黄蜡时，黄蜡熔化，将样件1粘在黄蜡上，操作时将样件1加工面面相圆心，将样件1从圆心向压重块2边缘推，为使蜡不能浸润在加工面边缘，影响加工面的观测。样件1尽量在圆形压重块2上表面的同一圆心上，以便研磨时样件研磨速度一致使表面平整。将摆放好样件的压重块2放在水里，为使压重块2快速降温，同时注意水不能没过固定样件1的表面。当压重块2温度降低后，黄蜡凝固后样件1固定在压重块2表面上。

[0018] 然后，使用研磨机对样件进行研磨，研磨示意图如图1所示，分别进行粗磨、半精磨、精磨三步操作。选取粗磨、半精磨、精磨所使用的砂纸3的型号，以及研磨盘6在粗磨、半精磨、精磨所对应的转速。

[0019] 1)粗磨，首先在带有螺纹孔的研磨盘6上固定一张P320或P400的砂纸3，保证砂纸3在研磨盘6上平整铺放，然后通过拧紧螺栓4压紧位于砂纸3之上的圆环5，从而利用圆环5的压紧力将砂纸3固定。再将固定好样件1的压重2块放于研磨盘6上，使样件1表面与砂纸3接触，研磨盘6逆时针转动，调整好修正轮的角度，以使修正轮能够带动样件自转，样件1与研磨盘6作相对运转摩擦，从而达到研磨的目的。在研磨时加入适量的清水，研磨盘6转速为20r/min，粗磨时间为10min左右。目的是快速去除样件表面材料。

[0020] 2)半精磨，粗磨完成后，用清水将样件1冲洗干净，然后按上述操作将砂纸3换为P600的砂纸，此步研磨盘6转速为18r/min，半精磨时间为30min左右。目的是去除粗磨破坏的样件表面材料。

[0021] 3)精磨，半精磨完成后，用清水将样件1冲洗干净，依然按上述操作将砂纸3换为P800的砂纸，此步研磨盘6的转速为13r/min，精磨时间为30min左右。目的是去除半精磨破坏的材料表面，使加工时造成的面下损伤不受破坏，真实的显示出来。精磨完成后，用清水将样件1冲洗干净，会观察到研磨过的样件1表面粗糙度很小，摩擦面反光性很好。

[0022] 对于每一步的参数选取，砂纸粒度越大，转速越大，研磨速度越快，研磨时间要相对缩短；砂纸粒度越小，转速越低，研磨速度越慢，研磨时间要相对增加，但表面质量比前者高。

[0023] 第三步：清洗，是将压重块2放在加热盘上加热，目的是将蜡熔化，然后样件1才可以从压重块2上取下来。将取下来的样件1放入盛有清水的烧杯中，烧杯中的水要浸没样件。下一步，将烧杯放入超声波清洗机里，对样件1进行清洗。共进行3次清洗，每次清洗结束后，将烧杯中的水换为清水。

[0024] 第四步：晾干，是将清洗后的样件1用镊子从烧杯中取出，放在除尘布上晾干。注意用镊子夹样件时不要夹研磨过的样件表面，以免破坏原有损伤。

[0025] 第五步：观测与评价，是将晾干后的样件1用样品袋收集起来，并做好标记，随时可用扫描电子显微镜进行损伤观测，观测到样件1面下损伤原有的形貌，并进行准确的评价。在附图2中可以清楚的看到样件1面下损伤情况：纤维断裂7、纤维弯曲8和纤维基体界面开裂9。