一、碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電中主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)子葉片、機(jī)艙罩和整流罩。其中轉(zhuǎn)子葉片是由復(fù)合材料制成的薄殼結(jié)構(gòu)，一般由根部、外殼和加強(qiáng)筋或梁三部分組成，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一。復(fù)合材料在整個風(fēng)電葉片中的重量一般占到90%以上， 其設(shè)計(jì)、材料和工藝決定風(fēng)力發(fā)電裝置的性能和功率。

　　在風(fēng)力發(fā)電機(jī)興起100多年的歷史里，葉片材料的發(fā)展經(jīng)歷了木制、布蒙皮、鋁合金，逐漸進(jìn)入了纖維復(fù)合材料時代。纖維復(fù)合材料比重輕，疲勞強(qiáng)度和機(jī)械性能好，能夠承載惡劣環(huán)境條件和隨機(jī)負(fù)荷，但隨著大功率發(fā)電機(jī)組的發(fā)展，葉片長度不斷增加，為了防止葉尖在極端風(fēng)載下碰到塔架，就要求葉片剛度更高，于是性能更優(yōu)異的增強(qiáng)材料碳纖維進(jìn)入了葉片生產(chǎn)領(lǐng)域。其密度比玻璃纖維小約30%，而強(qiáng)度大40%，尤其是模量高3～8倍。碳纖維的應(yīng)用可以減少負(fù)載和增加葉片長度，從而制造適合于低風(fēng)速地區(qū)的大直徑風(fēng)葉，使風(fēng)能成本下降。樹脂基體方面，聚酯樹脂價(jià)格低廉，成型工藝性好，但性能一般，環(huán)氧樹脂則剛好相反，性能較優(yōu)但價(jià)格較高且工藝操作性不好，所以目前成本和性能等介于二者之間的乙烯基樹脂被葉片制造商大量采用。

　　國內(nèi)的整機(jī)生產(chǎn)企業(yè)中，新疆金風(fēng)、浙江運(yùn)達(dá)、大連重工集團(tuán)、東方汽輪機(jī)廠等幾家的市場前景被業(yè)界看好，這其中又以新疆金風(fēng)科技在國內(nèi)品牌中的市場份額最大。葉片市場的情況與整機(jī)基本類似，單是丹麥LM Glasfiber公司一家就占據(jù)了國際市場40%以上的份額，其產(chǎn)品被GE WIND、西門子(原丹麥BONUS)、SUZLON、Repower、Nordex等公司全部或部分采用;另外Vestas和Enercon公司也擁有各自的葉片生產(chǎn)部門。國內(nèi)的葉片生產(chǎn)企業(yè)主要有中航保定惠騰、連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)等。

　　二、碳纖維復(fù)合材料加工特點(diǎn)

　　碳纖維復(fù)合材料一般以疊合制成多層板使用，通常有兩種復(fù)合形式，一種是碳纖維在基體中呈同向排列，即每層的纖維方向相同，通常稱這種復(fù)合材料為單向纖維復(fù)合材料;一種是各層纖維方向呈不同角度，通常稱為多向纖維復(fù)合材料。

　　碳纖維復(fù)合材料是一種難切削加工材料，它的脆性大、硬度高，加工時容易出現(xiàn)分層、撕裂、毛刺等問題。碳纖維復(fù)合材料是由質(zhì)軟而粘性大的基體和強(qiáng)度高、硬度大的纖維混合而成的二相或多相結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能呈各向異性，機(jī)械加工條件比較惡劣，切削加工的主要特點(diǎn)如下：

　　(1)材料產(chǎn)生分層破壞。分層是復(fù)合材料鋪層之間脫膠而形成的一種破壞現(xiàn)象，當(dāng)切削參數(shù)不合理時會使層間受力過大而導(dǎo)致分層，分層會嚴(yán)重降低材料的性能甚至使零件報(bào)廢，即使是微小的分層也是非常嚴(yán)重的安全隱患。

　　(2)刀具磨損嚴(yán)重，耐用度低。切削區(qū)溫度高且集中于刀具切削刃附近很窄區(qū)域內(nèi)，纖維的回彈及粉術(shù)狀的切屑又加重了擦傷刃口和后刀面，加之碳纖維的硬度非常高，故刀具磨損嚴(yán)重，后刀面產(chǎn)生溝狀磨損，耐用度低。

　　(3)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。表面的尺寸精度和表面粗糙度不易達(dá)到要求，容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這主要是因?yàn)榍邢鳒囟容^高，增強(qiáng)纖維和基體樹脂的熱膨脹系數(shù)相差太大。由于復(fù)合材料呈現(xiàn)各向異性，層間強(qiáng)度低，切削時在切削力的作用下容易產(chǎn)生分層、撕裂等缺陷，鉆孔時尤為嚴(yán)重，加工質(zhì)量難以保證。據(jù)統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)在最后組裝時，鉆孔不合格率要占全部復(fù)合材料構(gòu)件報(bào)廢率的60%以上。

　　(4)切削溫度高。碳纖維復(fù)合材料切屑形成過程是一個基體破壞和纖維斷裂相互交織的復(fù)雜過程，在此過程中，碳纖維作為切削硬質(zhì)點(diǎn)連續(xù)磨耗刀具，因碳纖維斷裂和基體剪切，以及切屑與前刀面、后刀面與已加工表面之間的摩擦而產(chǎn)生大量的切削熱，加之碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)熱性差等原因，切削熱主要傳向刀具和工件，導(dǎo)致刀具的快速磨損。

　　對于習(xí)慣了金屬加工的工廠而言，復(fù)合材料在航空航天和風(fēng)電行業(yè)應(yīng)用的不斷增長向他們提出了全新的挑戰(zhàn)。而碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)是復(fù)合材料中尤其難以加工的材料。

　　在加工諸如這類復(fù)合材料時，切屑的產(chǎn)生無從談起。材料的去除機(jī)理更應(yīng)該被描述為破碎。以切削刃的沖擊來破碎硬質(zhì)碳纖維，取代了常規(guī)的以剪切方式去除材料的加工方式。如同任何其他的切削刀具應(yīng)用，在復(fù)合材料的加工中，刀具幾何形狀決定了切削效果。然而，在復(fù)合材料的加工中，刀具材料同樣對切削效果起著決定作用。如果刀具材料沒有足夠高的耐磨性，就不能保持刀具的幾何形狀并保持鋒利，刀具將快速磨損，同時其幾何形狀也將快速變化。

　　源于嚴(yán)苛的切削環(huán)境，刀具加工碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)時壽命非常短。并且因復(fù)合材料的組成沒有準(zhǔn)確的配比，難以設(shè)計(jì)完全適合的刀具。鄭州博特硬質(zhì)材料研發(fā)部門投入了大量的資源用于解決此類復(fù)合材料的加工問題。首創(chuàng)高硬度，鋒利的PCD整體復(fù)合刀片，加工這類復(fù)合材料，整體PCD復(fù)合刀片，是最好的刀具材料，也是最好的超硬刀片結(jié)構(gòu)。

博特首創(chuàng)PCD整體復(fù)合刀片