高强度碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)的应变率依赖性材料去除机制与表面形貌形成机理研究

针对碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)加工过程中应变率敏感性导致的复杂去除机制问题，研究人员通过建立考虑应变率效应的细观正交切削有限元模型(FEA)，结合全因子切削实验和SEM显微观察，揭示了纤维失效模式演变规律及界面损伤机制，为航空领域高性能CFRTP构件的高质高效加工提供了理论依据。

　　

碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)因其优异的抗冲击性、耐疲劳性和可回收性，正逐步取代传统金属材料应用于航空结构件。然而，其热塑性基体(如PEEK)的应变率敏感性导致切削过程中材料行为复杂多变——在10³ m/s量级的高速切削条件下，应变率可达10⁵/s，显著影响材料去除机制和表面完整性。目前研究多集中于单向CFRTP，对多向铺层(MD-CFRTP)在宽范围应变率下的切削机理认识不足，制约着航空关键构件加工质量的提升。

针对这一挑战，江苏恒神股份有限公司联合高校研究团队在《Materials》发表重要成果。研究通过构建考虑应变率效应的三维细观正交切削有限元模型，结合全因子切削实验和扫描电镜(SEM)表征，系统揭示了MD-CFRTP的应变率依赖性材料去除机制与表面形貌形成规律。

关键技术方法包括：1) 建立包含碳纤维、PEEK基体和界面的细观有限元模型，采用Johnson-Cook(JC)本构描述应变率敏感的基体塑性行为；2) 设计切削速度(8-2008 mm/s)和切削深度(0.05-0.15 mm)的全因子正交实验；3) 通过SEM观察切屑微观形貌和加工表面特征，结合表面粗糙度测量验证仿真结果。

4.1 微尺度切削机制
通过FEA模拟发现：低速切削(8 mm/s)时，90°铺层纤维以拉伸失效为主，0°铺层呈现拉-压耦合失效，基体呈现大范围带状塑性变形；高速切削(2008 mm/s)时，应变率强化效应使基体塑性变形区域缩小60%，纤维失效转为压缩主导模式，界面损伤仅局限在刀具-工件接触区。

4.2 切屑形成机制
实验观察到三种切屑形态：螺旋状(小切深)、环状(中低转速)和带状(大切深高速)。SEM分析显示低速切屑中基体呈撕裂状，而高速切屑中基体保持未切削形态的块状结构，证实应变率升高导致基体延展性下降。

4.3 表面形貌演化
表面粗糙度(Ra)与切削深度正相关，与切削速度负相关。90°铺层表面以均匀的基体涂抹为主，0°铺层则呈现周期性纤维裸露和基体堆积。高速切削下，基体涂抹从连续平面状(低速)转变为不连续层状结构，这是应变率硬化抑制基体塑性流动的直接证据。

该研究首次阐明了应变率通过调控基体塑性行为影响MD-CFRTP切削机制的完整路径：高应变率→基体强化→纤维压缩失效主导→界面损伤局部化→表面形貌粗糙度降低。这一发现为航空用CFRTP构件切削参数优化提供了新思路——通过匹配切削速度与材料应变率敏感性，可主动调控表面完整性。研究建立的细观FEA模型能准确预测不同工艺下的损伤分布，为开发CFRTP智能加工系统奠定了理论基础。

值得注意的是，团队发现0°/90°铺层界面处存在独特的损伤扩展行为，界面损伤范围比层内区域大20%，这为理解多向复合材料层间失效提供了新视角。未来研究可进一步探索应变率与切削温度的耦合效应，以完善航空复杂工况下的加工质量预测模型。