近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院先進(jìn)制造學(xué)部馮平法團(tuán)隊在復(fù)合材料加工研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展，進(jìn)一步探索了介觀尺度下的橫向和縱向裂紋形成機(jī)制和演化規(guī)律。
近年來，高性能復(fù)合材料的加工技術(shù)成為了國內(nèi)外先進(jìn)制造領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)，特別是在海陸空天各類運(yùn)載裝備的輕量化制造中起到了關(guān)鍵作用。因此，復(fù)合材料的制造技術(shù)水平已經(jīng)成為了國家科技實(shí)力和制造能力的重要體現(xiàn)。芳綸紙蜂窩（Nomex）材料是由芳綸纖維（增強(qiáng)相）和酚醛樹脂（基體相）構(gòu)成的一種先進(jìn)復(fù)合材料，具有仿生學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有比強(qiáng)度高、密度范圍廣、耐腐蝕性強(qiáng)等重要優(yōu)點(diǎn)，是航空航天領(lǐng)域輕量化需求的首選芯材，其在多個大國重器制造中被廣泛使用，如新一代戰(zhàn)斗機(jī)、國產(chǎn)大飛機(jī)、大型航天器、高速列車等。
芳綸紙蜂窩材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征，其加工方法、切削條件及固持方法等方面與傳統(tǒng)的金屬加工存在較大的差異，因此近年來在世界范圍內(nèi)受到了普遍的關(guān)注，而且芳綸纖維高韌性材料的去除機(jī)理、以薄刃為主要特征的專用刀具失效機(jī)理等基礎(chǔ)科學(xué)問題尚有待深入探索。在復(fù)合材料的制造過程中，裂紋一直是人們關(guān)注的問題。任一尺度下產(chǎn)生的裂紋都有可能對產(chǎn)品構(gòu)成潛在威脅，嚴(yán)重裂紋被直接定義為損傷和失效。此前，研究者們普遍認(rèn)為微觀裂紋來自于酚醛樹脂浸漬固化的孔隙、夾雜，而宏觀缺陷來自于數(shù)控加工的工藝參數(shù)和刀具磨損。然而，介觀尺度下的裂紋一直被當(dāng)作隨機(jī)現(xiàn)象而定義模糊。
圖1 芳綸紙蜂窩復(fù)合材料在多源載荷條件下介觀尺度裂紋誘發(fā)機(jī)制
馮平法團(tuán)隊在前期大量實(shí)驗(yàn)測試的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊采用正交切削實(shí)驗(yàn)和切削力補(bǔ)償算法對數(shù)值模型和裂紋誘發(fā)因素進(jìn)行分析，基于數(shù)值模型理解得到了裂紋萌生機(jī)理，進(jìn)而提出了超聲振動加工引入橫向裂紋具有積極效果的機(jī)制，分析了橫向裂紋對縱向裂紋的擴(kuò)展有顯著的抑制作用。研究所探索的介觀尺度裂紋萌生機(jī)理在微尺度空洞、微裂紋和宏觀缺陷之間架起了一座橋梁，該發(fā)現(xiàn)不僅增強(qiáng)了固化引起的微裂紋和空洞的意義，并切為加工后宏觀缺陷的演變提供了理論指導(dǎo)。
圖2 本研究中所采用的正交實(shí)驗(yàn)方案與理論模型
上述研究成果以“直刃刀正交切削Nomex蜂窩復(fù)合材料的介觀尺度裂紋萌生”（Meso-scale cracks initiation of Nomex honeycomb composites in orthogonal cutting with a straight edge cutter）為題發(fā)表在復(fù)合材料領(lǐng)域刊物《復(fù)合材料科學(xué)與技術(shù)》（Composites Science and Technology）上。
該論文第一作者為清華大學(xué)深圳國際研究生院2022級博士生徐捷，通訊作者為清華大學(xué)深圳國際研究生院馮峰副教授，論文作者還包括清華大學(xué)深圳國際研究生院馮平法教授、西安交通大學(xué)王晨希助理教授、清華大學(xué)深圳國際研究生院2020級工程博士生姜恩來。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、深圳市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
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