在研磨编织碳化硅（f/SiC）复合材料过程中，纤维结构对表面形态的形成具有主导作用

《International Journal of Mechanical Sciences》：Fibre-governed surface morphology formation in grinding woven SiC f/SiC composites

碳纤维增强碳化硅复合材料表面形貌与纤维取向、磨削参数的关联机制研究。采用划痕与多参数磨削实验，建立微观损伤到宏观表面形貌的跨尺度模型，揭示纤维取向角45°时表面粗糙度参数S_a、S_q达到最小值，且与进给速度v_w、径向磨削深度a_e正相关，与磨削速度v_s、磨粒粒度M负相关。通过实验验证纤维束微观形貌与整体织构表面叠加机制。

　　

徐启浩|高航|韩宇|苟金兰|王一奇|刘继宇|杨春梅

中国哈尔滨市东北林业大学机械与电气工程学院，邮编150040

摘要

通过化学气相渗透法制备的碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料（SiC_f/SiC）因其优异的机械性能和核兼容性，已成为耐事故燃料包壳材料的首选候选材料。然而，其实际应用受到加工相关挑战的阻碍，这些挑战导致制造成本高昂、性能下降以及潜在的失效风险。为了解决这些问题，本研究开发了一种基于微观结构的模型，该模型将碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料中的微观划痕损伤行为与宏观磨削去除机制联系起来，并通过线性载荷划痕实验和多参数磨削实验进行了验证。理论和实验结果表明，表面形态的形成过程受到纤维的影响：整体编织表面的宏观粗糙度（S_a和S_q）最初随纤维取向角（?_f的增加而减小，在45°时达到最小值，之后又再次增加。此外，宏观粗糙度与进给速率（v_w）和径向磨削深度（a_e）呈正相关，而与磨削速度（v_s）和磨粒粒度（M）呈负相关。对比分析表明，单个纤维束中的介观磨削表面形态主要由划痕引起的损伤特性和沟槽截面参数决定，这些参数随局部纤维取向角（?）的变化而变化。最终复杂的表面纹理和损伤分布是由编织结构中相互交叉的纤维束带来的加工结果叠加而成的。这项工作可能为提高碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料燃料包壳的高性能制造技术提供关键见解。

引言

长期以来，克服传统材料的物理化学性能限制一直是极端工业应用的重要目标[[1], [2], [3]]。2011年福岛核事故凸显了传统锆合金包壳管的固有风险，从而推动了人们对碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料（SiC_f/SiC）的研究。由于这些复合材料具有优异的机械性能和核兼容性，它们已成为耐事故燃料包壳材料的首选[[4], [5], [6]]。目前，通过化学气相渗透（CVI）法制备的碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料被广泛用于核燃料包壳[[7,8]]。在CVI方法使基体致密化后，通常通过磨削来精加工SiC_f/SiC复合包壳管的粗糙表面，以确保装配所需的严格尺寸、几何形状和位置精度[[9], [10], [11]]。此外，通常还会在磨削后的SiC_f/SiC复合包壳管上涂覆一层环境防护涂层[[12,13]]。然而，如果在磨削过程中出现严重的孔隙暴露或表面损伤，涂层将无法均匀且平滑地施加在包壳管表面，从而难以保证气密性[[14,15]]，并引入氧化剂的扩散路径[[16]]。因此，SiC_f/SiC复合材料的成功应用依赖于先进的磨削技术，因为加工质量直接决定了最终产品的服役性能[[17], [18], [19]]。

作为典型的陶瓷基复合材料（CMCs），碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料（SiC_f/SiC）由于其各向异性、不均匀性、极高的硬度和脆性而面临加工挑战。在使用金刚石磨具磨削SiC_f/SiC复合材料时，随机分布的磨粒与随机分布的纤维/孔隙之间的相互作用使得材料去除机制变得非常复杂[[20,21]]。准确预测磨削力、温度和表面形态需要同时考虑工具表面和材料微观结构的随机性[[22], [23], [24]]。基于工具形态、材料微观结构和失效模式转变，已经建立了单向SiC_f/SiC复合材料的动态磨削力模型[[25,26]]。然而，编织结构虽然提供了更好的机械性能平衡[[27,28]]，但带来了更复杂的随机挑战，目前这些挑战尚未得到充分解决。为了提高磨削效率，研究人员开发了具有有序磨粒分布的图案化多晶金刚石工具，显示出改进的加工性能和工具寿命[[29,30]]。然而，这些工具的最佳应用需要进一步分析考虑编织复合材料复杂内部纤维增强结构的工艺参数。沿两个相互垂直的平面磨削纤维增强复合材料可能会产生不同的损伤模式和表面粗糙度；即使在同一平面内，改变工具进给方向也会导致损伤和质量的变化[[31,32]]。编织纤维束的存在也阻碍了传统的工艺参数优化实验方法。研究表明，在2.5D SiC_f/SiC复合材料中，磨削深度对横向和纵向纤维束的损伤影响不同[[33]]，而在3D SiC_f/C-SiC复合材料中，不同纤维束组成的表面对磨削速度和深度的变化反应也各不相同[[34]]。因此，深入了解材料去除机制对于优化碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料的磨削过程至关重要。

在磨削过程中，磨具产生的众多锋利磨粒会在工件表面形成连续的微弧形划痕沟槽。改变磨削工艺参数会改变这些微观划痕的形成机制。因此，单磨粒划痕测试被认为是分析微观材料去除过程的有效技术方法[[35], [36], [37]]。对单向SiC_f/SiC复合材料的划痕测试揭示了基本的损伤现象，包括基体裂纹、纤维断裂和纤维-基体界面脱粘，这些现象在不同纤维取向（横向、纵向和法向）之间存在明显差异[[38]]。这些划痕损伤现象通常发生在磨粒施加的应力超过纤维、基体和界面相的断裂强度时。过去五年中，关于碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料划痕的研究有所增加，涵盖了更多的纤维取向，并揭示了纤维损伤变化的更多细节[[39], [40], [41]]。此外，现有的划痕研究还探讨了材料失效模式的转变[[42], [43], [44], [45]]、材料失效模拟[[46,47]]、磨粒几何形状[[50], [51], [52]]以及运动学参数[[53], [54], [55]]，为分析建模提供了重要见解。值得注意的是，一些关键研究开发了特定模型来阐明潜在的机制。Garcia Luna等人[[50]]计算了不同磨粒形状在横向、纵向和法向纤维取向上的影响，解释了磨粒与工件之间的相互作用和裂纹扩展。Zhang等人[[42]]从力学角度阐明了横向纤维的第一剪切断裂和第二弯曲断裂过程。Yin等人[[54]]建立了横向纤维的弯曲断裂模型，并解释了磨削速度增加如何改变断裂位置；Sun等人[[56]]也使用弯曲断裂模型来解释通过添加超声振动减少纤维断裂的现象。Zhang等人[[43]]应用断裂力学和最大主应力准则来解释划痕微脆性断裂中的裂纹萌生和扩展。An等人[[45]]结合赫兹接触理论和断裂力学建立了与韧脆性转变相关的临界压痕深度模型。然而，迄今为止，系统性的力学建模研究仍然缺乏，特别是针对编织结构的SiC_f/SiC复合材料，这些研究未能将单个纤维束的划痕损伤与整个磨削表面的形成联系起来。

为了解决这些问题，本研究旨在基于基于微观结构的分析模型和定量评估来阐明碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料在磨削过程中的材料去除和表面形成机制。本文分为五个部分。在引言部分之后，第2节阐述了逐步建模过程，包括划痕损伤行为、磨削运动学、磨粒-工件相互作用以及最终表面形态的形成。该模型分析了所有纤维取向角（? = 0° ～ 90°）下纤维束区域的单磨粒划痕损伤，从而涵盖了所有织物取向角（?_f = 45° ～ 90°）的平面内磨削情况；其中?_f可以表示整体编织表面上相交纤维束的两个?值。第3节详细介绍了实验程序，包括在典型?值下对单个纤维束进行的线性载荷划痕测试以及在典型?_f值下的多参数磨削实验。第4节对理论和实验结果进行了系统分析和讨论，解释了微观划痕损伤行为、单个纤维束的介观磨削表面特征以及整体编织结构的宏观磨削表面形成。最后，第5节总结了主要发现和结论。

部分摘录

磨削表面形态的形成机制

本节阐述了一种基于微观结构的模型的开发，该模型将微观划痕损伤行为与宏观磨削表面形态联系起来。它建立了预测碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料中纤维-基体界面脱粘、纤维断裂及其对表面形成的综合影响的分析框架。建模过程包括划痕损伤行为、磨削运动学、磨粒-工件相互作用以及最终表面形态

实验方法

本节详细介绍了用于研究碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料在磨削过程中的微观划痕损伤行为、单个纤维束的介观磨削表面特征以及整体编织表面宏观形成的实验方法。实验框架旨在验证所提出的理论模型，全面描述了样品制备、划痕程序、磨削实验设置和表面表征。

结果与讨论

本节通过讨论纤维取向的关键影响，建立了对微观划痕损伤、介观纤维束拓扑结构和宏观编织磨削表面形态的统一理解。分析将纤维取向和工艺参数与划痕特征及磨削表面粗糙度相关联，从而通过实验测量验证了理论预测。此外，还进行了多磨粒的直接几何叠加计算

结论

本研究解决了通过化学气相渗透法制备的碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料在核燃料包壳管应用中的加工挑战。通过开发逐步建立的基于微观结构的模型并进行全面的实验验证，本研究将线性载荷划痕测试与多参数磨削实验结合起来，将微观损伤行为与宏观表面形成联系起来，为纤维控制的材料去除过程提供了新的见解

CRediT作者贡献声明

徐启浩：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化、资源准备、撰写——审阅与编辑。高航：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。韩宇：可视化、验证、软件使用、研究。苟金兰：研究、资金获取。王一奇：撰写——审阅与编辑、资源准备、方法论、概念化。刘继宇：