Temperature-dependent cutting physics in orthogonal cutting of carbon fibre reinforced thermoplastic (CFRTP) composite

材料科学 热塑性塑料 复合材料 微尺度化学 机械加工 可加工性 复合数 脆性 软化 碳纤维 玻璃化转变 韧性 有限元法 刚度 聚合物 结构工程 冶金 数学教育 数学 工程类
作者
Jia Ge,Wei Tan,Shahzad Ahmad,Brian G. Falzon,G. Catalanotti,Colm Higgins,Yan Jin,Dan Sun
出处
期刊:Composites Part A-applied Science and Manufacturing [Elsevier BV]
卷期号:176: 107820-107820 被引量:54
标识
DOI:10.1016/j.compositesa.2023.107820
摘要

The global commitment towards reducing carbon emissions drives the implementation of sustainable carbon-fibre-reinforced-thermoplastic composites (CFRTPs). However, the machining of CFRTPs presents challenges due to the material’s ductile-brittle composition and sensitivity to machining-induced high temperatures. For the first time, we conducted temperature-controlled orthogonal cutting of CFRTP (using CF/PEKK as a demonstrator) to unveil its temperature-dependent cutting physics. Three representative cutting temperatures, 23 ℃ (ambient temperature),100 ℃ (< PEKK’s glass transition temperature (Tg)) and 200 ℃ (>Tg) and four typical fibre cutting orientations (0°, 45°, 90°, and 135°) have been investigated. The evolution of chip microstructural morphology and surface/subsurface damage have been analysed by advanced microscopy to reveal temperature-dependent material removal mechanisms. The experimental results were elucidated through a novel microscale finite-element-analysis (FEA) model considering thermal softening of the matrix and interface. Results show the transition of the cutting physics with increasing temperature is associated to the degradation of the thermoplastic matrix stiffness/ultimate strength and interface bonding strength and fracture toughness, especially when >Tg.
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