银纹的产生对聚碳酸酯表面形貌的影响

1聚碳酸酯聚碳酸酯是一种非晶态高分子材料，以其易加工成型、机械和光学性能优异等特点广泛应用于航空航天、汽车、电子和通讯设备、光学和医疗设备等领域[1]。聚碳酸酯作为飞机挡风玻璃的主要材料,在航空航天领域得到了广泛应用。根据有关资料显示,美国第四代战机F-22以及新一代战机的夹层挡风的主要材料为聚碳酸酯，而中国自主研发的歼击机,其挡风玻璃的主要成分也是聚碳酸酯这类材料。其加工方法主要有两种：注塑成型和机械加工。其中，注塑成型的材料零件通常呈现零件精度低、表面质量差、缺陷分布不可控、可重复制造性差等特点，无法满足精密零件的高使役性能需求，通常还需通过车、铣、钻的加工方式来提高零件的质量。2银纹张力作用下，高分子的分子链发生局部伸展而产生的空化结构称为银纹。银纹是在裂纹前应力集中处发生塑性变形的结果，通常出现在非晶态聚合物中。银纹萌生的动力学具有复杂的应力和温度依赖性。此外，银纹还取决于聚合物的塑性变形状态(即是否拉伸)、聚合物的分子量以及液体和气体环境中的溶剂作用。

银纹的生长包括界面的扩展和厚度的增加。对于银纹界面的扩展过程，根据Taylor弯月面的失稳机制，在银纹界面上会产生沿拉应力方向高度取向的微纤丝，微纤丝之间存在许多微孔，如图1所示。随着应力的增加，微孔变多微纤维断裂，形成裂纹。图1银纹生长示意图绝对温度越高，材料的分子链弛豫时间越短，分子链活性较高，在受到外力作用时更容易产生微孔、微纤维，从而逐步生长形成银纹和裂纹，宏观表现为材料具有明显的韧性；而绝对温度越低，材料的分子链弛豫时间延长，分子链活性较低，在受到外力时较难产生微孔、微纤维和银纹，直接发生脆性断裂。3聚碳酸酯的加工聚碳酸酯材料导热系数低，在切削过程中，受刀具摩擦和材料变形的耦合作用会产生大量的切削热，产生极高的切削温度，高温导致材料产生微裂纹，然而常规冷却剂中的分子可以扩散到聚合物的分子链中导致溶胀，当表面溶胀力和聚合物内应力的叠加大于分子链之间的结合力时，就会使微裂纹断裂。因此，需要探索高效冷却的加工工艺，提高聚碳酸酯的加工质量。超低温冷却技术(温度低于-153℃)，是指一种通过液氮等冷却介质使加工区域温度降低的一种清洁加工工艺方法[4]。液氮等冷却介质在喷射压力作用下进入加工区域,依靠热传导、热对流等换热方式降低切削热。当冷却介质为超低温液体时,在对流换热的同时发生汽化,增强换热能力，降温效果更显著[5]。近年来，超低温冷却加工被应用于高分子聚合物、金属材料、纤维增强复合材料等典型难切削材料的切削加工中，被证明具有有效降低切削温度、延长刀具寿命、提高表面完整性、改善难切削材料性能等优良特性。4不同冷却加工下的银纹通过热场发射扫描电镜SU5000对聚碳酸酯不同切削条件下的微观表面形貌进行观测。图2

聚碳酸酯切削表面微观形貌干切削：在干切削条件下获得的加工表面，由于切削区域温度较高，分子链弛豫时间较短，分子链活性较高，其呈现出很高的韧性，因此在断裂时会先形成微孔洞，微孔洞逐渐形成银纹，再由银纹逐渐扩展成为裂纹，已加工表面微观形貌可以看到存在大量较为粗状的银纹、孔洞，表现出典型的韧性断裂特征，如图2(a)所示。常规水冷却：在常规水冷却条件下，切削区域温度比干切削时切削区域温度低，分子链弛豫时间也有所延长，但是材料在此温度下仍然呈现出一定的韧性特征，可以看出材料已加工表面的银纹较干切削条件下的银纹变得更加细密，但仍存在大量明显银纹，如图2(b)所示。超低温冷却：图2(c)为在超低温冷却条件下材料已加工表面的微观形貌观测图，由于切削区域温度较低，材料分子链的弛豫时间大大延长，分子链活性较低，材料趋向于脆性断裂，因此在断裂时基本不会存在形成银纹的阶段，从图2(c)中也可看出，材料已加工表面没有观测到明显的银纹，加工表面较为平整，因此超低温冷却条件下的已加工表面粗糙度在三种冷却方式中也是最小的。总结聚碳酸酯材料的加工表面形貌受银纹的形成与断裂的影响。银纹是分子链之间构象变化的结果，超低温冷却条件下切削区温度的降低可以显著抑制银纹的产生，并导致加工表面趋向于脆