测试加工(深度揭秘先进复合材料样件加工新技术及复合材料测试新方法)

Posted 2023-05-31

篇首语：不怕百事不利，就怕灰心丧气。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了测试加工(深度揭秘先进复合材料样件加工新技术及复合材料测试新方法)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

测试加工(深度揭秘先进复合材料样件加工新技术及复合材料测试新方法)

近年来，复合材料因其独特的性能，在各科学技术领域中的应用越来越多，特别是在飞机、汽车、国防和航空航天，以及其他先进行业领域。但是由于复合材料的非均质性以及增强材料的耐磨性，导致复合材料的加工及测试成为一项非常复杂的工作。在应用过程中，对于复合材料制备的工件，尺寸精度和表面质量的要求非常高，因此非常有必要去了解其加工及测试过程中涉及的问题。

为了更好的了解复合材料加工及检测最新的技术及解决方案，DT新材料特邀北京共赢联盟国际科技有限公司（以下简称“北京共赢联盟”）杨立强总经理进行交流探讨，本文根据专访内容整理编辑。

杨立强

北京共赢联盟国际科技有限公司总经理

2006年创办了北京共赢联盟国际科技有限公司，从事复合材料行业和生物医学行业的国外先进技术引进和推广。在先进复合材料样件加工、高分子材料研磨分散与胶体稳定性测试、树脂基复合材料特性分析、粘附力与粘结强度测试分析、医学硬组织病理实验技术等方面逐步形成了完整的先进技术解决方案和品牌产品体系。

杨总，您好。我们都知道复合材料加工对于复合材料行业而言至关重要，针对于复合材料样件加工这一块，你觉得有哪些问题是需要重点关注的？

复合材料的性能是至关重要的，测试样件的加工质量决定了性能测试的准确性和可靠性。比如：复合材料层合板的力学性能测试，它的关键是测试样件的加工技术要适应不同类型的复合材料，而且加工质量要符合ASTM或ISO等标准的要求。比如切面平行度、垂直度、尺寸精度、打孔精度、内外表面或端面质量等。目前我们能够提供的技术包括金刚石带锯切磨技术，金刚石外缘式盘锯切磨技术，铣削技术和钻孔技术。市面上还有研磨技术、水切割技术、激光切割技术。水切割和激光切割在适应切割材料方面和切割质量方面还是存在许多硬伤问题。

复合材料加工件，图片来源：北京共赢联盟

要解决好这些问题，首先是针对加工材料来选择什么样的技术和设备，才能适应复材力学性能测试需要的矩形样件，包括增强件的加工，薄切片，或各种异形样件加工、打孔；其次是固定样件加工时不移位，并且要选择适合对应的切割刀具和工艺来保证切割质量，如矩形样件切割时，复材板基准边的零点定位切割很关键；第三是对于大型生产企业的复合材料质控检验，如何解决多批次大批量且又符合ASTM标准的高效率加工问题；第四是切割软性和硬质复合（或镶嵌）的材料，选择进给力的方式很关键，否则很容易损伤软硬材料之间的结合面；第五是要根据用户用于研发还是质控检验的目的，来为用户提供性价比合适的技术解决方案。

针对上述问题，我们目前可以为用户提供多种品牌的、可供选择的样件加工技术和设备。例如德国EXAKT系列机械式金刚石复材试样切割带锯；美国LABCUT5000系列复材板样件切割数控圆盘锯；德国DRAMET金刚石数控带锯和数控线锯；德国ISEL异形件数控铣钻机床等。从加工样件的形状上，可以加工矩形样件，哑铃型、V型口、槽型口、台阶型、锥形等异形样件以及打孔；加工的复合材料包括碳纤维、玻纤、芳纶、金属基复合材料、蜂窝复合材料、矿物质复合材料、纳米复合材料、增材、橡胶复合材料等。既有解决实验室研发用小批量的样件加工设备；又有满足质控检验需要的大批量多批次高效率的加工需求设备。上述设备均适应干切或湿切方式，配套了干切除尘、冷却过滤系统和激光定位系统。

复合材料加工设备，图片来源北京共赢联盟

我看到您公司的先进复合材料样件加工机床有非常多的系列用到了金刚石材料的刀具或带锯，您可以介绍下金刚石刀具相比于其他的刀具有哪些优势么?

先进复合材料具有质量轻，比强度和比模量高，耐疲劳性能好、耐高温，耐腐蚀等优势。但是，又具有非均质性，各向异性、纤维纵向和横向强度差异性、层合板层内或层间强度差异性、导热性差等特点。机加工时，碳纤维增强复合材料主要发生脆性断裂，尤其是碳纤维容易被切碎，而且由于纤维具有高刚度，因此会对刀具产生高磨蚀性，产生大量的切削热以及磨损；纤维取向对于接触面的相互作用也有着重大影响。另一方面，树脂基体性能较弱，机加工时夹层断裂易造成分层。树脂与纤维之间存在复杂的内部相互关系，机加工时，容易产生纤维拉丝、脱落，分层，毛刺、撕裂、崩口、断裂等问题，加之力学性能测试对样件的切面平行度、垂直度、尺寸精度、表面质量等有标准要求，导致加工质量难以保证。

所以，复合材料加工的首要原则，也就是第一点，务必选择复材专用非金属加工机床和金刚石涂层刀具，才能有效解决上述加工问题。我们的设备均属于专用非金属加工机床类，采用金刚石涂层刀具，包括有金刚石涂层带锯条、金刚石涂层圆盘锯、金刚石涂层专用铣刀等。

第二点，金刚石材料的刀具非常适合非金属材料加工，其切割、铣削、钻孔的过程实际上是很精确的打磨过程。

第三点，金刚石涂层刀具能够最大程度的减少刀具在加工过程中的应力或轴向分力。通过打磨，使被切割的材料脆性断裂为粉末状或絮状，从而抑制纤维分层、翻边、毛刺、撕裂等现象，切实保障高质量的切割表面。

第四点，金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其他刀具都低，摩擦系数低，加工时变形小，可减小切削力。

还有很多其他的技术因素，像金刚石的导热系数及热扩散率高，切削热容易散出。还具有较低的热膨胀系数等。再就是通过润滑冷却液或气冷+微量冷却液等不同的方式解决打磨过程中的产热问题。

针对纤维增强树脂基复合材料，比如我之前接触过的芳纶纤维复合材料，非常难以加工，加工过的位置也有非常多的毛边，很难处理。针对芳纶纤维复合材料这种特别难以加工而且后处理非常麻烦的产品，您这边有比较好的加工方案么？

有啊！如果是实验室研发或小批量的质控检验，可以选择德国EXAKT系列金刚石复材试样切割机，需要配套0.3厚度且钻石粒径大于180以上的金刚石涂层环形锯条。

如果是较大型生产企业多批次大批量高效率加工，则可以选择美国LABCUT5000系列数控圆盘锯，配置专用于切割芳纶的金刚石涂层锯片。还可以选择德国DRAMET数控带锯，配的也是大粒径的金刚石涂层环形锯条。异形样件切割和打孔，可以选择德国ISEL数控铣钻机床，也需要配置适用于芳纶的专用铣刀。另外，芳纶纤维材料也分各种不同。不能采用湿式切割的，可以采用干式切割，配套气冷和排尘系统。

目前，GB/T32788和HB7736.5-2004在预浸料性能试验方法中，关于树脂含量的测定采用萃取法、溶解法和灼烧法，而贵公司正在推广一种低场核磁共振技术测定树脂含量的新方法，有怎样的技术特点和优势？测试结果与国标或行标方法的测试结果吻合性如何？

是的，去年以来，我们的确全力推广应用低场核磁共振技术的树脂含量测试仪，这是我们国家级的先进技术。去年以来为典型客户作了许多试验。仪器为纽迈ResMR25树脂含量测试仪，主要用于玻璃纤维和碳纤维复合材料的树脂含量测试。其技术先进性和优势体现在如下方面：

快速：单个样品测试一般1分钟即可完成测试；
环保：测试不需要有机试剂；
方便：样品按要求放入样品管，点击测试按钮即可完成，无需复杂操作与处理；
简单：没有其他耗材，基本不需要维护；
准确：可重复测试，且重复性小于1%以内。

目前，已经在国内一些复材企业，包括军品生产企业使用了该技术，通过对标国标和行标方法进行的验证性试验，测试结果准确性误差范围达到±0.2%。结果的吻合性很好。该项先进技术仪器通常用于研发和质控检验。

树脂基复合材料界面性能对复合材料整体的性能影响非常大，复合材料的韧性、耐热性、压缩等性能都与界面性能相关。您这边有哪些设备可以用来测试界面性能的？有怎样的优势？

我们有一款纽迈ComMR25复合材料界面特性分析仪，也是采用低场核磁共振技术，专用于复合材料颗粒表面改性程度评价，浆料分散性与稳定性评价，颗粒与介质之间亲和性评价，颗粒质量控制与分散工艺研究，悬浮液体系颗粒相对比表面积评价等。依此技术可以优化配方，改进工艺。整个测试过程不超过3分钟，原样测试，不受传统光学颜色、外观、形状影响。不需要使用任何额外化学物质。

发展一种有效而又方便的实验方法，用以检测复合材料中增强体与界面之间的结合程度和外负载下的力学行为，始终是许多复合材料研究工作者追求的目标。您单位有关注到这一块么？是否有相应的测试仪器可以解决研究工作者的这个需求？

我们北京共赢联盟早就注意到了这个需求，主要是在粘附力和粘结强度测试方面。相比较于目前传统的各种标准测试方式，我们从德国引进了有效而又方便的新技术测试方法，仪器为LUMiFrac 粘附力分析仪。去年开始投放中国市场。它是一种创新的粘结强度分析仪器，采用了离心力来检测带温度控制的粘结强度以及剪切强度，并以一个绝对的物理量（N/mm²）作为测试结果。该仪器放置试样简单，不需要固定样品或特殊注意事项。

采用先进的CATT（离心式粘合测试）技术，通过对测试样品逐步增加离心力（增加方式有转速线性增加，离心力线性增加，阶梯式增加，正弦波震荡）来实现测试。测试结果取决于在分离瞬间的转速。独特的测样方法能同时测试8个样品，并达到一个无与伦比的精度，同时减少了85%的测量时间。测试过程的所有数据都被传输到分析软件SEPView，它将自动计算并显示分离瞬间的临界力度。测试结果符合ISO等相关标准。研究工作者能够应用于附着力强度（包括层间附着力强度）测试、剪切力测试、粘附力疲劳测试、表面改性评价等。包括：

为质量控制而设置的标准化的快速测量，粘结面的拉伸和剪切强度测试，如氰基丙烯酸酯、环氧胶粘剂、聚氨酯、多种物质化合物、胶带、密封；
涂层粘结强度的测定，如防腐蚀涂料、装饰涂料、金属化聚合物、光学涂层；
复合材料相互连接或轻质结构胶接测定；
表面处理效果测定；
长期疲劳试验测定，如交变载荷、不同温度等。

应用案例有：化学表面改性对提高聚合物粘附力的作用评价；橡胶涂层与金属基材的附着力研究；隐身涂料涂层附着力研究；风力涡轮机涂层的附着强度研究；快速评价医用仿生胶黏剂和硬组织粘结剂的粘结强度；骨修复表面涂层粘着力评价等。

同时，与之配套的还有德国LUM系列分散体稳定性分析仪。主要用于分散体或胶体的稳定性分析与颗粒表征。能够直接、快速和客观地描述任何分离现象。比其他方法快5000倍即可获得可靠的稳定性信息。无需知道材料性质即可了解粒径信息。适应较宽泛的粘度范围；可同时测试分析12个不同样品，提供7种分析手段和产品各种性能特征图谱。应用方向包括：磨料磨具/炭黑/碳纳米管色膏/精细化学品/燃料电池/石墨烯/纳米分散体/聚合物/以及更多液态和膏状分散体系的材料。应用案例包括：胶粘剂稳定性分析和力度表征；快速评估新型纳米碳材料作为润滑油添加剂的可能性；快速评估碳纤维施胶剂分散体的稳定性等。

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