不同拋光參數對碳化硅-碳纖維復合材料拋光表面粗糙度影響分析

雷文，陳志剛，付謀楚，朱科軍

摘要：為了研究在磁流變膠拋光中，拋光參數對碳化硅-碳纖維復合材料表面加工質量的影響規律，采用磁流變膠拋光方法，對材料表面進行拋光。研究磁極分布方式、加工間隙和磁極轉速對材料表面形貌和表面粗糙度的影響規律。結果表明，磁極分布方式影響待加工表面的磁場分布強度，進而影響表面加工質量。隨著加工間隙增大，表面粗糙度下降量先增大后減小，在加工間隙為2 mm處得到最優表面質量。隨著磁極轉速增大，表面粗糙度下降量先增大后減小，在磁極轉速達到800 r/min時得到最優表面質量。

關鍵詞：碳化硅-碳纖維復合材料；磁流變膠；拋光參數；表面粗糙度下降量

中圖分類號：TB332? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

Analyses of the influence of different polishing parameters on the surface roughness of polished silicon carbide-carbon fiber composite materials

LEI Wen， CHEN Zhigang， FU Mouchu， ZHU Kejun

（School of Mechanical and Energy Engineering， Shaoyang University， Shaoyang 422000， China）

Abstract： In order to investigates the influence of polishing parameters on the surface quality of silicon carbide-carbon fiber composite materials during magnetorheological finishing， a magnetorheological elastomer method was employed for surface polishing. The effects of magnetic pole distribution， machining gap， and magnetic pole rotational speed on surface morphology and roughness were studied. The results show that the magnetic pole arrangement significantly influences the magnetic field distribution on the processed surface， thus affecting the surface quality. An increase in the machining gap leads to an initial rise and subsequent fall in surface roughness reduction， with optimal surface quality achieved at a 2 mm gap. Additionally， an increase in magnetic pole rotational speed initially heightens and then lessens the decrease in surface roughness， with the best surface quality obtained at a speed of 800 r/min.

Key words： silicon carbide carbon fiber composites; magnetorheological glue; polishing parameters; surface roughness reduction

碳化硅-碳纖維復合材料是一種由碳化硅陶瓷基質和碳纖維增強相組成的復合材料。這種復合材料結合了碳化硅的高溫穩定性和耐磨性，以及碳纖維的高強度和輕質特性[1]。它具有高硬度、高強度、低密度和良好的耐高溫性能，適用于高溫結構材料、陶瓷刀具、機械密封件和熱處理裝置等領域[2]。該材料采用了一種具有剪切變稀特性的特制墨水，通過3D打印技術，先制作出粗胚，隨后經過多次高溫燒結和前驅體浸漬裂解等工藝處理，最終成型。鑒于所形成材料的表面質量較差，需對其表面進行拋光處理，以提高材料的表面質量，減少表面缺陷，從而提升材料的使用性能，延長其服役壽命。傳統拋光方式在處理碳化硅-碳纖維復合材料時存在一些缺點，當進行拋光時由于高轉速會產生拋光表面摩擦發熱，其拋光顆粒容易嵌入材料表面，拋光表面拋光效果不均勻等問題。為了解決這些問題，提出使用磁流變膠拋光技術對碳化硅-碳纖維復合材料進行表面光整加工，以得到更加精確、高效和可控的拋光效果。

磁流變膠拋光是一種新型的表面拋光技術，其原理是使用流變特性隨磁場變化而變化的磁流變膠進行拋光[3]。磁流變膠一般由基體、磨粒和磁性顆粒組成。在磁場控制下，磁性顆粒被磁化，磁性顆粒沿著磁場磁力線方向聚集，形成磁鏈將磨粒夾持住，隨著磁流變膠和拋光表面進行相對位移，被夾持的磨粒壓向拋光表面，形成微量切削，從而改善表面質量。磁流變膠在拋光時，基體能夠帶走一部分的熱量，解決了傳統拋光中產生的表面摩擦發熱的問題。磁流變膠中的磨料顆?？梢暂^均勻地分布在基體中，并且在外加磁場的作用下磁性顆?？梢孕纬梢巹t鏈狀結構。這種結構能夠更好地附著在拋光的表面上，使其拋光效果更均勻，改善表面的光潔度和平整度[4]。通過調節外加磁場的強度和方向，可以精確控制磁流變膠的黏度和磨料顆粒的作用力，從而可以實現對拋光過程的精確控制[5]。磁流變膠具有可塑性，使得在拋光過程中能夠更好地保持碳化硅-碳纖維復合材料的形狀和尺寸穩定性，避免因拋光引起的形狀變化或變形[6]。

1明膠基磁流變膠的制備

1.1試劑的選擇

實驗所選擇的羥基鐵粉的性能決定明膠基磁流變膠對磁場做出響應的速度和磁化時的磁飽和強度，故選用江蘇天一超細金屬粉末有限公司生產的平均粒徑在3～5 μm的羥基鐵粉。經研究表明，碳化硅磨料的粒徑一定程度上影響了拋光的效果，磨料粒徑過小，導致磁性羰基鐵粉顆粒在基體中夾持住碳化硅后，仍有連續不斷的磨料進入磁性羰基鐵顆粒鏈，此時鏈結構不斷被破壞，導致去除能力弱，影響磁流變膠的拋光效果。粒徑過大會導致羥基鐵粉顆粒無法很好地夾持碳化硅磨料，導致與基體分離，影響磁流變膠的拋光效果[7]。因此，選擇由廣州金屬冶金有限公司生產的磨粒粒徑800目的碳化硅?；w材料包括去離子水、明膠、丙三醇、甲基硅油；分散劑為無水乙醇；表面活性劑為聚乙二醇、油酸。

1.2羥基鐵粉的表面改性

明膠基磁流變膠配置流程見圖1。先向羥基鐵粉加入適量的表面活性劑與無水乙醇，放入JJ-1型增力攪拌機進行機械攪拌15 min，通過變速器控制攪拌轉速在300～400 r/min。再放入球磨機進行球磨分散，設定球磨時間60 min，且控制轉速為300 r/min，使羥基鐵粉與表面活性劑充分混合，使羥基鐵粉能夠更好地分散在載體中。將球磨后的混合液置于真空干燥箱進行烘干，保證溫度恒溫在80 ℃、真空度為-0.09 MPa的環境中干燥8 h，確保無水乙醇揮發干凈，并在真空中冷卻，直到得到冷卻、干燥的經過表面改性的羥基鐵粉。

1.3明膠基磁流變膠的配置

使用電子天平稱取適量的甘油、去離子水與無水乙醇，放入同一燒杯，使用JJ-1型增力攪拌機以500 r/min的速度進行機械攪拌20 min，形成甘油水溶液。將甘油水溶液用油浴鍋進行加熱到70 ℃之后，邊攪拌邊放入稱量好的明膠，直到明膠完全溶解，最終形成淡黃色膠狀液體，再倒入適量的甲基硅油攪拌均勻。再將得到的混合液放入真空干燥箱中，恒溫在80 ℃、真空度達到-0.09 MPa，持續60 min，得到膠狀混合物。分批將得到的基體材料與經過表面改性后的羥基鐵粉、碳化硅磨料與觸變劑納米級二氧化硅進行機械初步混合攪拌20 min，轉速控制在400 r/min左右，再將得到的材料放入球磨機中進行球磨，設定球磨時間為90 min，球磨速度控制在200 r/min。將得到的明膠基磁流變膠樣品放入試劑瓶中，再放入冷藏柜中冷凍12 h，溫度控制在0 ℃附近，即可得到明膠基磁流變膠樣品。

2拋光參數對表面粗糙度的影響

在磁流變拋光過程中，拋光裝置的磁極分布、拋光裝置轉速和加工間隙等因素對拋光效果具有不同的影響。為了獲得磁流變膠對碳化硅-碳纖維復合材料表面拋光質量的最佳加工參數，尋求優化的工藝參數組合，采用單因素實驗法對這幾組參數展開分析，實驗設計見表1，磨料組分為質量分數50%羥基鐵粉、碳化硅1.5 g的磁流變膠，簡寫成MRGs-50%-1.5。

2.1磁極分布對表面粗糙度的影響

磁流變膠是一種受磁場影響的智能材料，磁極分布影響著磁流變膠形成的“磁鏈”分布，進而影響對材料的去除能力。初步設計兩種磁場分布方式，見圖2，分別為單磁極與上下雙磁極方式，因為制得的碳化硅-碳纖維材料表面質量不相同，拋光后的效果不夠直觀，故選用拋光鋁合金平板去探究兩種不同磁極分布對拋光質量的影響。

通過觀察圖3可得，可以發現相同條件下，單磁極的只有外圈部分被輕微拋光到，其他部分的拋光效果不明顯。這是由于磁極在高速旋轉的過程中，附著在磁極上的磁流變膠在離心力和磁性作用力的雙重作用下朝著磁極外圈偏移，使磁流變膠形成了凹狀，因此單磁極分布拋光只拋光到了外圈部分。但如果使用上下雙磁極分布方式進行拋光，工件下面的磁極可以將上方在高速旋轉過程中向外圈聚集的磁流變膠重新聚攏在整個拋光區域，在高速旋轉產生的離心力與上下雙磁極形成的磁性作用力下，形成趨于平整的磁流變膠團，更能貼合平面，當兩者存在相對運動時，明膠基磁流變膠里面的碳化硅磨粒就可以對拋光區域產生微量切削作用，從而實現對拋光區域的拋光。對比單磁極與上下雙磁極不同磁極分布的拋光質量效果，可知，上下雙磁極的拋光質量優于單磁極。因此，后續實驗都選用上下雙磁極的方式進行拋光。

2.2加工間隙對表面粗糙度的影響

碳化硅-碳纖維復合材料是通過3D打印出形狀之后，經過一系列的高溫燒結、前驅體浸漬裂解工藝才得到的具有高硬度、高強度和耐高溫性能的材料，其電鏡下的形貌特征如圖4所示。在放大800倍后，存在多條溝壑，這是由于在高溫燒結與前驅體浸漬裂解時，會失去小分子，產生氣體排出使材料內部會形成許多小間隙裂縫，因此需要磁流變膠拋光去改善其表面質量。

加工間隙可以影響待加工表面的磁場強度的分布，加工間隙過大或過小都能影響材料去除能力，最終影響碳化硅-碳纖維復合材料的表面粗糙度[8]。根據單因素實驗法，選用的磁極轉速為800 r/min，拋光時間為60 min，磨料為MRGs-50%-1.5，間隙分別為1、2、3和4 mm。通過圖5與表2發現，隨著加工間隙增大，其表面粗糙度下降量呈先增大后減小的趨勢，在加工間隙2 mm處達到最大值45.143 μm，其表面粗糙度下降最多，表面加工質量最好。

通過圖6可以發現，在經過60 min的磁流變拋光后，其表面形貌都有了改善。但間隙3 mm和4 mm的粗糙度下降量明顯較1 mm和2 mm的加工間隙少。當加工間隙為3 mm和4 mm時，其表面加工質量較差，存在很多未加工到的凸峰與凹坑，這是由于加工間隙過大，其待加工表面磁場分布強度過小，羥基鐵粉磁鏈對碳化硅磨粒的約束變小，不能很好地夾持住磨粒，導致對碳化硅-碳纖維復合材料的去除能力變弱，加工形成的表面質量不佳。

當加工間隙為1 mm和2 mm時，由圖6可知，相較于3 mm或4 mm的加工間隙其加工表面的凸峰與凹坑大幅度減少，加工質量明顯改善。但當加工間隙為1 mm時，其表面質量不如加工間隙為2 mm。這是由于間隙過小，其待加工表面的磁場分布強度變大，羥基鐵粉磁鏈的夾持力增大，磨粒壓入材料表面的深度變大，會造成加工表面出現凹坑，從而影響加工表面的粗糙度，導致加工表面質量降低。

2.3磁極轉速對表面粗糙度的影響

根據單因素實驗法，選用的拋光間隙為2 mm，拋光時間為60 min，磨料為MRGs-50%-1.5， 磁極轉速分別為400、600、800和1 000 r/min。由圖7和表3可得，隨著磁極轉速的增大，表面粗糙度下降量呈先增大后減小的趨勢，在磁極轉速達到800 r/min時表面粗糙度下降量達到最大47.525 μm。

基于Preston方程可知，磨削去除量與磨粒在近壁端的相對運動速度有關[9]。加工碳化硅-碳纖維復合材料表面時，磁極轉速就成為影響磨粒相對速度的唯一因素。通過觀察圖8可得，當磁極轉速為400 r/min時，表面粗糙度下降量最少，其表面存在許多凸峰與凹坑，這是由于磁極轉速不夠，在相同時間內，磁流變膠中碳化硅磨粒與材料表面接觸率低，去除能力較弱。當磁極轉速達到800 r/min時，表面加工質量最佳，表面平整，只存在少許點坑。但當繼續增加磁極轉速，表面粗糙度下降量不升反降，表面加工質量相較于之前有所下降。經過分析，可能是由于隨著磁極轉速增大到一定程度之后，再繼續增大，磁流變膠中的羥基鐵粉形成的磁鏈無法完全“夾持”碳化硅磨粒，隨著磁極轉速增大，磁極邊緣的有效磨粒逐漸遠離拋光區域，導致明膠基磁流變膠的去除能力減弱，導致加工表面質量變差。

3結論

采用磁流變膠拋光方法對碳化硅-碳纖維復合材料表面進行拋光，探討了磁極分布方式、加工間隙和磁極轉速等拋光參數對碳化硅-碳纖維復合材料表面形貌和表面質量的影響規律，通過比較表面粗糙度下降量與其對應的三維微觀形貌圖驗證其規律。

1）上下雙磁極分布相對于單磁極分布，能使磁場更均勻分布在待加工表面，使羥基鐵粉形成的磁鏈與磨粒的結合更充分，增大了有效拋光面積，提高了對碳化硅-碳纖維復合材料拋光效率與拋光性能。

2）在不同的加工間隙條件下，隨著加工間隙增大，表面粗糙度下降量呈先增大后減少的趨勢，在加工間隙為2 mm時，對拋光前后碳化硅-碳纖維復合材料表面粗糙度進行對比，發現表面粗糙度降低了45.143 μm，為最大表面粗糙度下降量。

3）在不同的磁極轉速條件下，隨著磁極轉速增大，表面粗糙度下降量呈先增大后減少的趨勢，在磁極轉速800 r/min時，對拋光前后碳化硅-碳纖維復合材料表面粗糙度進行對比，發現表面粗糙度降低了47.525 μm，為最大表面粗糙度下降量。

參考文獻：

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