纤维取向对使用电镀金刚石工具磨削3D SiC f/C-SiC复合材料及其表面特性的影响

《Materials Today Communications》：Effect of fiber orientation on grinding and surface characteristics of 3D SiC f/C-SiC composites using Electroplated diamond tools

表面粗糙度受纤维取向和测量位置影响显著，电镀金刚石工具在加工中表现优异。

　　在现代工业制造中，陶瓷基复合材料因其优异的性能而被广泛应用于航空航天、汽车制造和高端摩擦系统等领域。其中，SiC纤维增强碳化硅-碳（SiC_f/C-SiC）复合材料因其具备低密度、热冲击抗性以及在高温下的良好热力学和机械稳定性而备受关注。然而，这类材料在加工过程中表现出显著的各向异性与非均匀性，导致其在传统加工方法中面临诸多挑战，例如磨削力的不稳定性、表面质量难以控制以及加工效率较低。因此，深入研究SiC_f/C-SiC复合材料的加工特性，尤其是纤维取向对加工过程的影响，对于提升其加工性能具有重要意义。

本文通过使用带有十字形槽的电镀金刚石工具对SiC_f/C-SiC复合材料进行磨削实验，系统分析了纤维取向对磨削力、表面特征、切屑形态及表面质量的影响。研究中定义了三种典型的磨削表面类型：MA（横截面和纵向纤维）、MB（横截面和垂直纤维）以及MC（纵向和垂直纤维），并结合实验数据探讨了不同纤维取向对磨削力与表面粗糙度的综合影响。结果显示，纤维取向对磨削力特性具有显著影响，而测量位置、纤维取向和损伤机制则共同决定了表面质量。表面粗糙度在纤维交界处由于纤维断裂和纤维/基体脱粘而增加，而在纤维中心区域，由于微脆性断裂，表面更加平滑。磨削力呈现MA < MB < MC的趋势，而表面粗糙度则遵循MA > MB ≈ MC的变化规律。

此外，研究还发现，较低的磨削速度在提升MA表面质量方面效果显著，而较高的磨削速度则有助于改善MB和MC表面的表面光洁度。在这些复合材料的加工过程中，主要的材料去除机制是脆性断裂，同时伴随着多种典型的损伤模式，包括微脆性断裂、纤维直接断裂、基体碎片化以及基体裂纹。这表明，在加工过程中，材料的断裂行为不仅受到纤维取向的影响，还与磨削参数密切相关。

为了更全面地评估表面质量，研究采用三维表面粗糙度参数（如Sa和Sq）进行分析，并与传统的二维粗糙度参数（Ra）进行对比。结果显示，三维粗糙度参数在评估复合材料表面质量时，能够减少随机误差，提高测量的准确性。这为后续表面质量的评估提供了新的思路，即利用三维测量技术可以更有效地反映材料内部结构对表面特征的影响。

在实验过程中，研究团队对不同磨削参数下的表面形貌进行了详细分析。使用扫描电子显微镜（SEM）获取的背散射电子图像揭示了不同表面区域的损伤机制，例如在纤维交界区域观察到的微脆性断裂、纤维直接断裂以及纤维/基体脱粘等现象。这些现象不仅影响了表面粗糙度，还导致了切屑形态的变化，如短纤维碎屑、长纤维碎片、SiC基体碎屑和碳基体碎屑等。切屑长度的统计分析表明，不同表面的切屑形态差异明显，其中MA表面的切屑以细小颗粒为主，而MB和MC表面则出现了较长的纤维碎片。这一发现有助于理解不同纤维取向下材料去除的机制，并为优化加工参数提供了依据。

值得注意的是，纤维取向不仅影响表面粗糙度，还对切屑形成模式和表面完整性产生深远影响。在纤维交界区域，由于纤维断裂和基体裂纹，表面粗糙度显著增加；而在纤维中心区域，微脆性断裂使得表面更加平滑。此外，研究还发现，纤维取向对表面质量的影响远大于磨削速度和切削深度。在0.05 mm和0.1 mm的切削深度下，垂直纤维区域始终表现出最低的表面粗糙度值（Sa），这表明垂直纤维在磨削过程中更容易被均匀去除，从而减少表面缺陷。然而，随着磨削速度的增加，MA表面的粗糙度反而上升，这可能是由于切屑堆积导致的。相比之下，MB和MC表面的粗糙度则随着磨削速度的提高而降低，这表明高速磨削能够有效改善这两类表面的光洁度。

实验还发现，纤维之间的连接方式和基体的结构特性显著影响了加工稳定性。例如，MB和MC表面由于包含垂直纤维，使得纤维束之间的连接更加紧密，从而在磨削过程中表现出更高的磨削力。然而，这种较高的磨削力也意味着加工过程中更容易产生不规则的表面波动，影响表面质量。而MA表面由于纤维排列较为松散，其磨削力相对较低，加工过程更加稳定，但表面粗糙度较高。这表明，在实际加工过程中，需要根据具体的纤维取向和加工需求选择合适的磨削参数，以达到最佳的加工效果。

从切屑形态来看，不同纤维取向下的材料去除方式存在明显差异。例如，在MA表面，由于纤维断裂和基体裂纹，切屑以细小颗粒为主，而MB和MC表面则由于纤维与基体之间的相互作用，出现了较长的纤维碎片。这种差异不仅影响了表面质量，还可能对后续的表面处理和装配产生影响。因此，理解不同纤维取向下的切屑形成机制对于优化加工工艺具有重要意义。

此外，研究还探讨了磨削速度对表面质量的影响。结果显示，较低的磨削速度在提升MA表面质量方面效果更佳，而较高的磨削速度则更有利于MB和MC表面的光洁度。这一发现表明，在加工过程中，磨削速度的调整可以作为一种有效手段，以改善不同纤维取向下的表面质量。然而，需要注意的是，过高的磨削速度可能导致切屑堆积，从而影响加工稳定性。因此，在实际应用中，需要在磨削速度和加工质量之间找到平衡点。

研究团队还采用三维白光干涉仪对表面形貌进行了高精度测量，并结合BSE图像分析了不同区域的表面特征。结果表明，纤维交界区域的表面粗糙度明显高于纤维束中心区域，这与纤维断裂和基体裂纹密切相关。同时，纤维束中心区域由于微脆性断裂，表面更加平滑。这一现象为表面质量的评估提供了新的视角，即通过三维测量技术可以更准确地反映材料内部结构对表面特征的影响。

总的来说，本文的研究成果为SiC_f/C-SiC复合材料的加工提供了重要的理论依据和实践指导。通过系统分析纤维取向对磨削力、表面形貌、切屑形态和表面粗糙度的影响，研究揭示了不同纤维取向下的加工特性差异，并提出了优化加工参数的建议。此外，研究还强调了三维表面粗糙度评估的重要性，为后续的加工质量控制提供了新的方法。未来的研究可以进一步探索不同磨削参数对加工性能的影响，优化工具几何结构，并评估冷却方式对工具磨损、亚表面损伤和表面完整性的影响，从而推动SiC_f/C-SiC复合材料在工业中的广泛应用。