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2023-04-11  为了减少碳排放、造福全球经济与环境，推进可持续性材料的应用和提高材料制造效率已变得越来越重要。近年来，碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTPs）特别是碳纤维增强聚醚酮酮（CF/PEKK）已尝试应用于新一代轻质飞机结构中。与传统的热固性碳纤维增强复合材料（如CF/epoxy）相比，CF/PEKK具有优异的机械性能和更好的层间/层内断裂韧性。PEKK基体的热塑性也为飞机结构的自我修复和回收开辟了一条新途径，使CF/PEKK成为制造可持续性飞机结构的优良候选材料。 尽管CFRTP部件可以通过焊接或胶接实现装配连接，但通过铆孔的机械连接仍然是一种必要的连接工艺，特别是对于重要的承载部件和由不同材料（如金属/CFRTP）组成的叠层结构。钻孔作为最有效的制孔技术，在飞机装配过程中被广泛使用。CFRTP在不当的钻孔条件时会产生严重的孔损伤（如分层、毛刺、微结构破坏等）。这些损伤将不可避免地影响孔的质量，降低部件的机械性能，并降低飞机的可靠性。在飞机装配中，孔损伤（如分层损伤）可能会导致60%的零件报废。迄今为止，已有大量文献对传统热固性CF/环氧树脂复合材料的孔加工进行了系统研究，但是关于CFRTP的相关报道还很局限，特别是对其加工损伤机理、材料去除机制以及加工过程参数优化的研究还不够深入。考虑到热塑性复合材料与热固性复合材料在热力学性能上的巨大差异，优化新一代CFRTP特别是CF/PEKK的钻孔参数，对未来飞机的低损伤、高效率和低成本的可持续制造起着关键作用。 2023年，《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》和 《Journal of Manufacturing Processes》发表了英国贝尔法斯特女王大学机械航空学院在热塑性CF/PEKK复合材料制孔加工热-机械相互作用损伤机理及多目标优化方面的研究工作， Jia Ge为第一作者，Dan Sun教授为通讯作者。论文标题为“Multi-objective optimization of thermoplastic CF/PEKK drilling through a hybrid method: An approach towards sustainable manufacturing”和“Temperature field evolution and thermal-mechanical interaction induced damage in drilling of thermoplastic CF/PEKK – A comparative study with thermoset CF/epoxy”。   该工作首次对热塑性CF/PEKK与热固性CF/Epoxy在制孔过程中产生的宏观与微观切屑形态进行了系统对比（见图 1）。结果表明：切屑的形态和尺寸高度依赖于进给率，而切削速度的影响可以忽略。对于CF/PEKK，在低进给速度下倾向于产生长的、连续的带状切屑，在高进给速度切屑长度减少，但仍保持了连续的切屑形态；而CF/环氧树脂在低进给速度下产生粉状和短带状的切屑，在高进给率下变得更细碎。CF/PEKK和CF/epoxy产生的截然不同的切屑形态，可能与它们各自不同的基体特性有关。PEKK基体具有较好的延展性（失效应变约为30%），而环氧树脂则是典型的脆性材料（失效应变为1.5-8.0%）。因此，CF/PEKK切屑可以承受相当大的塑性变形而不发生断裂。   CF/PEKK CF/epoxy 图 1 CF/PEKK 与CF/epoxy不同切屑形态 对切削力、温度场以及分层损伤的观测表明：在相同的钻孔参数下，CF/PEKK导致了比CF/环氧树脂高40N（50.5 %）的切削力和高达87.6℃（98.9 %）的加工温度 （见图 2和图 3），这是由于CF/PEKK 连续状切屑会增大刀具-切屑的接触长度，会在刀具与材料之间产生额外的摩擦力。然而，CF/PEKK的分层损伤比CF/环氧树脂低55.7%，这是因为CF/PEKK具有出色的I型层间断裂韧性 (见图 3)。在CF/PEKK制孔过程中，分层损伤随着进给速度增加，先下降后上升。图 4表明加工温度的升高在CF/PEKK分层损伤中起着重要作用，表现出典型的热-机械相互作用的损伤机理。相反地，对于CF/环氧树脂，分层破坏随着进给率的增加而增加，对温度的依赖性较弱。  图 2 CF/PEKK 与CF/epoxy制孔过程中温度场演化
图 3 加工参数对于CF/PEKK与CF/epoxy制孔切削力，温度与分层损伤的影响
图 4 CF/PEKK 与CF/epoxy不同分层损伤机理 考虑到CF/PEKK与CF/epoxy在制孔性能上的巨大差异，该工作采用了一种混合优化算法（结合非支配排序遗传算法-II（NSGA-II）和与优劣解距离法法（TOPSIS））对加工过程的切削力、分层损伤以及材料去除效率进行优化，来获得制孔加工过程的帕累托解并对其进行排序（见图 5）。另外，通过自组织映射神经网络（SOM）对加工参数与制孔性能参数之间的映射与权衡关系进行了可视化（见图 6和图 7）。该工作首次进行了针对CF/PEKK制孔的多目标优化研究，并与传统的热固性CF/epoxy进行了比较研究，以突出不同基体特性对优化结果的影响。 优化结果表明：CF/PEKK的最优进给速度（0.144mm/rev）比CF/epoxy高152.6%。CF/PEKK分层损伤对温度高度敏感（特别是在温度接近/超过玻璃转化温度Tg时），因为高温会软化复合材料层，削弱其对弯曲引起的层间撕裂的抵抗力。因此对于CF/PEKK，应避免使用低进给率以免造成大量热累积。而对于CF/epoxy，由于其较低的层间断裂韧性，其分层损伤对于大切削力更敏感，但不易受温度影响。因此，CF/环氧树脂应避免高进给率，以减少分层损伤。在优化的钻孔条件下，尽管CF/PEKK产生的推力比CF/epoxy高134%，但它仍能以可接受的分层损伤（<1.4）和低13.5%的最大孔壁温度达到好的孔质量。最重要的是，与CF/环氧树脂相比，CF/PEKK材料去除效率高出152.6 %，显示出更优越的可加工性。  图 5 CF/PEKK与CF/epoxy制孔加工过程的帕累托解及其排序 图 6 CF/PEKK加工参数与制孔性能参数SOM 图 7 CF/epoxy加工参数与制孔性能参数SOM 从这项工作中可以得出以下结论： （1）由于基体材料不同的热-力性能，热塑性碳纤维复合材料（CFRTP）与传统热固性碳纤维复合材料（CFRP）在制孔性能与损伤机理上存在显著差异。 （2）在相同制孔参数下，CFRTP优异的层间断裂韧性有助于其比CFRP达到更小的出口分层损伤，展现出更优越的可加工性。 （3）为实现低损伤、高效率制孔，CFRTP与CFRP材料应使用各自不同的最优化参数进行加工。 该研究为下一代飞机CFRTP结构的可持续制造提供了重要的参数指导，同时还为未来的研究方向提供了启示，例如开发新型的CFRTP切削刀具以及建立新的加工损伤预测模型。 原文链接： https://www./science/article/pii/S1526612523000610?via%3Dihub https://www./science/article/pii/S1359835X22005991?via%3Dihub
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