综述：关于碳纤维增强聚合物复合材料加工的工艺机制、表面损伤及建模方法的系统综述：从物理驱动到数据驱动

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：A systemic review on process mechanisms, surface damage and modeling methods of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites machining: From physics-driven to data-driven

　　•CFRP材料的去除机制以纤维为主导，但会随切削条件而变化。•层压式CFRP的建模技术已较为成熟，而3D编织结构则缺乏相应的动态建模方法。•数据驱动方法虽能实现快速预测，但仍面临数据质量方面的难题。•PINN方法实现了数据与模型的协同作用，但在CFRP加工领域仍处于初级阶段。

引言
碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料因其卓越的比强度[5]、刚度[6]、高阻尼性能[7]、良好的尺寸稳定性[8]以及抗腐蚀性[9]，被广泛应用于航空航天[1]、交通运输[2]、风能领域[3]以及国防工业[4]中。尽管通过高压釜成型、压缩成型或纤维缠绕等工艺可以实现CFRP复合材料的近净形制造[10]、[11]，但对于由层压结构和3D编织结构构成的复合材料而言，仍需依靠传统的机械切削工艺，如孔加工、特殊形状切割、修整、槽加工和表面磨削等，以确保零件的几何特性和表面质量[12]、[13]。激光加工等其他非传统加工技术则不在本综述的讨论范围内。CFRP复合材料中碳纤维的各向异性、不均匀性以及高硬度使得其加工行为与金属材料存在差异。在加工过程中，CFRP复合材料容易产生毛刺、分层、纤维拔出、基体开裂以及热损伤等缺陷[14]。此外，加工过程是不可逆的，这导致试错成本极高。如图1所示，影响CFRP复合材料加工质量的因素包括材料特性、加工参数以及刀具几何参数。因此，建立准确的加工模型，揭示材料去除过程中的物理机制，并实现对切削力和加工损伤的可靠预测，是实现CFRP复合材料高效高质量加工的理论基础。

除了传统的机械切削之外，为了应对CFRP加工中的特定挑战，人们还开发了激光辅助加工和超声振动辅助加工等外部场辅助技术，这些技术有助于降低切削力、抑制分层现象并提升表面质量[14]、[15]。虽然这些技术在某些特定应用中具有优势，但由于其通用性和成本效益，传统机械切削依然是工业CFRP加工领域的主要方法。因此，本综述重点探讨机械切削工艺，这也是现有研究中最受关注的内容。

早期的研究往往借鉴金属材料加工的模型，假设纤维、基体及界面之间的行为是线性叠加的，而忽略了各组分之间复杂的耦合效应。由于CFRP复合材料属于具有显著不同力学和热学性能的两相材料，基体与纤维之间的复杂相互作用使得其在加工过程中的物理特性与金属材料有本质区别。研究表明，在塑性切削过程中，金属切屑通常呈卷曲且连续的状态，而在复合材料加工中，切屑则表现为碎片状[16]。复合材料与金属材料的切削机制也存在根本差异。例如，Wan等人[17]指出，金属的切屑形成过程与塑性变形和剪切作用有关，而复合材料的切屑形成则与纤维断裂、基体失效以及纤维与基体之间的分层现象相关。针对这一差异，学者们开展了大量研究。Li等人[18]全面考虑了进给方向、切削方向与纤维方向之间的空间关系，构建了切削几何框架，从而加深了对复合材料加工机制的理解。Qu等人[19]建立的微铣削力模型基于三种材料去除机制来预测微铣削力的各个分量，该理论模型经实验验证具有较好的预测精度。Jahromi等人[20]则运用能量法建立了CFRP复合材料的切削力模型，揭示了纤维取向和刀具参数对切削力的影响规律。尽管这些研究推动了加工建模从经验拟合向分析建模的转变，但相关成果主要集中在层压结构上。对于具有复杂空间交织拓扑结构的复合材料，如3D编织复合材料，其加工建模研究尚不系统，对其跨尺度失效机制的理解也仍有不足。

在大多数现有研究中，CFRP复合材料加工的本质是一种由纤维取向主导的不连续脆性断裂过程。当纤维取向角为0°或180°时，界面脱粘占主导地位；在90°时，横向剪切断裂占主导；而在其余角度则以弯曲断裂为主，从而导致切屑呈碎片状。加工过程中产生的损伤包括层间分层、界面脱粘、表面缺陷以及热损伤。刀具的磨损则是由磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损以及氧化/化学磨损等多种因素共同作用造成的，其中碳纤维的高磨蚀性使得磨料磨损成为导致刀具失效的主要原因。基于上述物理特性，当前CFRP复合材料加工建模研究的瓶颈主要体现在不同结构材料加工机制的分析深度和建模范式存在差异。对于层压结构，现有的模型虽然能够预测切削力，但这些模型大多依赖于等效均质化假设，难以揭示纤维断裂和界面脱粘等微观缺陷的成因[21]、[22]。虽然正在发展的微观模型能够描述微观尺度的失效现象，但它们面临着计算成本过高的问题。而对于3D编织结构，相关研究仍处于起步阶段。在宏观层面，该类结构面临从静态本构模型向动态加工模型过渡的核心挑战；在微观层面，极其复杂的介观尺度几何结构使得难以直接将高精度仿真技术应用于切削过程分析[23]。因此，现有研究仍然缺乏对CFRP复合材料加工过程中多相组分耦合失效机制的系统梳理与比较分析，也尚未深入探讨材料拓扑结构（如层压结构和3D编织结构）如何从根本上影响建模策略和失效模式[24]、[25]。

在加工建模与损伤预测领域，研究人员已在宏观、微观及多尺度层面开展了大量工作。宏观尺度模型基于等效均质化假设，通过几何分析、能量法以及临界推力理论等方法，建立了工艺参数、切削力与分层因素之间的映射关系，为工艺优化提供了理论依据[23]、[26]。微观尺度模型则引入了代表性体积元素（RVE），用于揭示纤维断裂、基体塑性变形以及界面脱粘等微观失效机制，能够定量预测次表面损伤深度以及界面脱粘的起始载荷[27]、[28]。多尺度耦合模型则旨在实现宏观效率与微观精度的平衡，通过尺寸效应耦合和RVE参数传递，实现了从微观界面脱粘和纤维断裂到宏观分层及热损伤的跨尺度预测[29]。然而，传统的物理驱动建模受到简化假设和高计算成本的限制，难以在机制分析的深度与工程计算的效率之间找到平衡[30]。近年来，数据驱动方法为突破上述瓶颈提供了新的思路。纯数据驱动模型通过建立工艺参数与加工响应之间的非线性映射，实现了对切削力、刀具磨损以及表面缺陷的高精度、近乎实时的预测[31]。物理信息融合方法则将物理定律嵌入神经网络中，既提升了模型的物理一致性和小样本泛化能力，又保持了数据驱动方法的效率优势[32]。数据驱动建模与物理建模之间的互补协同作用，正在推动CFRP加工研究从单一机制分析向数据-机制双驱动范式的转型。

为确保本综述的透明性与可重复性，我们使用了Web of Science Core Collection数据库进行了系统的文献检索，检索时间范围为2000年至2026年。在“主题”字段中采用了以下关键词组合：“（carbon fiber reinforced polymer）或CFRP”与“（machining或cutting或drilling或milling）”与“（mechanism*或damage*或delamination*或“tool wear”）”与“（model*或simulation*或“machine learning”或“data-driven”）”。检索结果经过筛选，仅纳入期刊文章和综述文章。首先根据纳入标准对文章的标题和摘要进行初步筛选，然后再对全文进行审查。最终纳入的研究均为聚焦于CFRP复合材料的机械加工工艺，并涉及加工机制、损伤特征分析或建模方法的相关研究。通过这一流程，共筛选出1610篇相关文献，这些文献构成了本综述的基础。搜索关键词如图2a所示，各年份的文献发表情况则呈现于图2b中。

已有不少综合性综述涵盖了CFRP加工的多个方面。表1总结了现有代表性综述的研究范畴与贡献，这些综述涉及切削力建模、钻孔引起的损伤、刀具磨损、数值模拟、数据驱动预测以及切削工具技术等多个主题。这些现有综述都在各自领域提供了宝贵的见解。而本综述的独特之处在于，它构建了一个综合框架，在所有建模层面都同时对层压结构和3D编织结构进行了对比分析，同时还对新兴的数据驱动与物理信息融合范式进行了系统性评述。这一综合视角旨在弥补现有综述的不足，通过提供一种将传统物理驱动方法与新兴数据驱动方法相衔接的统一视角，为未来CFRP复合材料的高性能加工提供理论指导。

本综述的创新性与重要性体现在三个方面。首先，它系统地阐述了机械切削条件下CFRP复合材料加工机制的现状，包括材料去除、损伤特征分析以及刀具磨损等方面，尤其重点分析了层压结构与3D编织结构在机理上的差异。其次，它指出了动态加工建模中的关键缺陷，并明确了未来发展需要克服的主要障碍。最后，它介绍了物理信息神经网络（PINN）与数据驱动方法如何为传统的机制分析提供有力支持，形成了兼具物理一致性与数据效率的新研究范式。通过结合X射线CT等现代表征技术来揭示次表面损伤机制，本综述旨在为读者提供对现有知识的全面了解，同时为实现CFRP复合材料的高性能、低损伤加工提供具有前瞻性的指导。

为突破上述瓶颈并揭示材料结构对加工建模的根本影响，本文按照图3所示的框架对相关内容进行了分析。作为建模的物理基础，本文系统分析了CFRP加工过程中的关键物理机制、加工引起的损伤特征，以及刀具磨损的机制与演化规律。在此基础上，沿着从宏观等效性、微观机制到多尺度耦合的演化路径，对物理驱动建模的研究成果进行了系统梳理。同时，本文还平行对比了层压结构与3D编织结构在建模策略上的差异，特别关注3D编织复合材料在动态加工建模方面的现有不足。随后，本文对新兴的数据驱动与物理信息融合建模范式进行了综述。通过从机制分析、物理建模到数据驱动新范式的逐步阐述，本文旨在阐明材料拓扑结构如何推动加工建模理论的发展，揭示CFRP复合材料加工建模的共同规律，为实现CFRP复合材料的高性能加工提供更深入的理论依据与实践指导。

章节节选
CFRP复合材料的加工机制与损伤特征
本章首先系统分析了CFRP加工过程中的核心物理机制，包括材料去除机制和切屑形成机制。接着，详细阐述了加工过程中工件所受到的损伤特征，涵盖层间分层与界面损伤、表面缺陷以及次表面和热损伤等内容。最后，本章还探讨了刀具磨损的机制、形态、定量表征方法及其演化规律。通过构建完整的知识链条，为CFRP复合材料的加工建模与损伤预测方法奠定了基础。

基于第2章对CFRP复合材料加工机制与损伤特征的系统性阐述，本章将重点探讨加工过程的建模与预测方法。首先，将从宏观尺度、微观尺度以及多尺度耦合三个层面，对传统基于物理原理的CFRP复合材料加工建模方法进行系统梳理，并同时比较层压结构和3D编织结构在建模策略及面临的挑战方面的差异。

总结：本文系统总结了CFRP复合材料加工机制、损伤特征以及加工建模方法的研究进展。首先，从加工机制、加工损伤特征以及刀具磨损机制三个方面分析了CFRP加工过程的核心物理机制与损伤特点。其次，按照从宏观等效性、微观机制到多尺度耦合的演进路径，对相关研究进行了阐述。

作者贡献声明：
孙成文：撰写——初稿、可视化、方法论、正式分析、概念构建。孙一泽：撰写——审阅与编辑、指导、资金获取、概念构建。季霞：撰写——审阅与编辑、指导、资金获取、概念构建。梁世伟：撰写——审阅与编辑、概念构建。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52175384）、中央高校基本科研业务费及大连理工大学杰出青年教授计划（编号25D210301）以及上海先进纺织材料前沿科学中心（项目编号X11012301）的支持。

孙成文|季霞|孙一泽|梁世伟