李耀虎
（武漢紡織大學(xué)， 湖北 武漢 430200）
摘 要：如今復(fù)合材料的諸多優(yōu)勢(shì)已經(jīng)被慢慢發(fā)掘，而隨著復(fù)合材料的發(fā)展，復(fù)合材料模具的選擇就成為制作高質(zhì)量復(fù)合材料的關(guān)鍵，相比于其他復(fù)合材料模具，復(fù)合材料模具以其低的熱膨脹系數(shù)，質(zhì)量輕、熱容小等優(yōu)點(diǎn)慢慢開始用于制造復(fù)合材料，雖然復(fù)合材料模具目前仍然存在一些問(wèn)題，但在將來(lái)，隨著新材料的發(fā)現(xiàn)，成本的降低等，復(fù)合材料模具將被廣泛運(yùn)用于制造復(fù)合材料產(chǎn)品。
關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 復(fù)合材料模具 金屬模具 碳纖維復(fù)合材料 復(fù)合材料模具工藝
引言
復(fù)合材料因其良好的力學(xué)性能和本身的特點(diǎn)受到各個(gè)領(lǐng)域的青睞，而隨著復(fù)合材料的發(fā)展，越來(lái)越多的復(fù)合材料零件出現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精密度要求高的特點(diǎn)，而傳統(tǒng)的模具已經(jīng)開始無(wú)法滿足高要求的構(gòu)件，而由于復(fù)合材料相近的熱膨脹系數(shù)，低密度等的特點(diǎn)，復(fù)合材料模具開始成為構(gòu)件制作的選擇。研究復(fù)合材料模具的研究能夠更好地了解復(fù)合材料構(gòu)件的發(fā)展。
一、不同模具在復(fù)合材料制造中的優(yōu)缺點(diǎn)
鋁合金模具具有密度低，致密性好，良好的熱傳導(dǎo)性能，使得鋁合金升溫快，在構(gòu)件制造中能更好的加熱成型，但在制作復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)，由于其膨脹系數(shù)與復(fù)合材料的膨脹系數(shù)差異過(guò)大，導(dǎo)致在制造構(gòu)件時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，使得復(fù)合材料產(chǎn)生變形，不利于復(fù)合材料構(gòu)件性能的穩(wěn)定性。機(jī)械加工合金鋼模具雖然具有良好的耐久性，并且熱膨脹系數(shù)比鋁合金低50%，但其質(zhì)量大、升溫性能低、溫度分布不均勻，容易產(chǎn)生應(yīng)力，因此難以用于制造高精度的復(fù)合材料制品。
鎳電鑄模具具有比合金鋼模具密度低，熱傳導(dǎo)性能好，熱升溫性能好，并且可以制造復(fù)雜型面的優(yōu)點(diǎn)，但其模具本身的制備加工周期長(zhǎng)，零件維修困難，其熱膨脹系數(shù)為 12.3×10- 6/℃，遠(yuǎn)高于復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)，導(dǎo)致也不適用于制備高精度的碳纖維復(fù)合材料（熱膨脹系數(shù)為 2~4×10- 6/℃）和芳綸纖維復(fù)合材料制品[1]。
石墨模具的導(dǎo)熱率高，升溫效果好，雖然石墨的導(dǎo)熱速率沒(méi)有鋁合金和其他金屬模具高，但石墨模具的熱膨脹系數(shù)與芳綸纖維復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料相匹配，因此適用于復(fù)合材料構(gòu)件的加工，其次石墨模具的熱質(zhì)量低，與復(fù)合材料相近，使得石墨模具在升溫時(shí)在單位體積內(nèi)所需要的熱量和復(fù)合材料相同，但石墨模具的強(qiáng)度和耐磨耗性低，脆性大，抗沖擊性能差，容易受到損傷，不利于制作大型或者復(fù)雜的型面，且其真空性差，成本高，制造周期較長(zhǎng)，并且在大批量加工生產(chǎn)存在困難。
二、復(fù)合材料模具的優(yōu)點(diǎn)
（一）熱膨脹系數(shù)匹配良好
由于復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)小，因此在使用金屬模具的時(shí)候，由于金屬的熱膨脹系數(shù)太大而復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)較小，在加熱固化時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，而復(fù)合材料模具由于也是用復(fù)合材料制成，使得復(fù)合材料模具與復(fù)合材料構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)相差不大，能夠在固化的時(shí)候更加適應(yīng)，減小殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。因?yàn)樵诩訜峁袒臅r(shí)候，隨著溫度的升高，模具會(huì)受熱產(chǎn)生膨脹，進(jìn)而尺寸會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致尺寸變大。因此制造尺寸也會(huì)隨著發(fā)生變化。當(dāng)固化完成后，隨著溫度的降低，模具和固化好的制件會(huì)發(fā)生收縮，若成型模具材料和制件材料的熱膨脹系數(shù)差距過(guò)大，使制品和模具之間產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，則必然會(huì)使兩者見(jiàn)尺寸產(chǎn)生偏差，而當(dāng)模具是由復(fù)合材料制成時(shí)，由于復(fù)合材料模具和制品的熱膨脹系數(shù)相匹配，使復(fù)合材料模具在熱膨脹和降溫收縮的過(guò)程中的尺寸變化對(duì)制品影響較小，對(duì)于制造構(gòu)件，熱膨脹系數(shù)不僅會(huì)對(duì)構(gòu)件的尺寸帶來(lái)影響，還會(huì)使構(gòu)件產(chǎn)生變形，脫模的問(wèn)題。
從構(gòu)件在加熱固化使模具和其構(gòu)件膨脹中可以知道，當(dāng)模具和構(gòu)件固化時(shí)熱膨脹系數(shù)相差過(guò)大時(shí)，由于內(nèi)應(yīng)力的存在，將會(huì)對(duì)構(gòu)件的精密度，構(gòu)件的尺寸產(chǎn)生影響，使得所制得的構(gòu)件與設(shè)定的構(gòu)件產(chǎn)生偏差，構(gòu)件報(bào)廢。下頁(yè)表 1 為長(zhǎng)度為 7 m 的復(fù)合材料構(gòu)件在 200 ℃成型時(shí)，幾種常見(jiàn)復(fù)合材料模具的熱膨脹系數(shù)和受熱時(shí)模具的增長(zhǎng)長(zhǎng)度，由表中可得，當(dāng)熱膨脹系數(shù)越大，其模具在加熱時(shí)尺寸變化就越大，對(duì)構(gòu)件的影響也越大，并且與低碳鋼和鋁合金相比，碳纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)更低，因此在制作復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)模具對(duì)構(gòu)件的影響更小。在制作復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)應(yīng)選擇熱膨脹系數(shù)相匹配的材料。據(jù)報(bào)道，長(zhǎng)達(dá)18m的 Delta-Ⅲ型運(yùn)載火箭整流罩成型時(shí)，就是用了復(fù)合材料模具才保證了其要求非常高的外形準(zhǔn)確性和尺寸精度。
表 1 常用模具材料的熱膨脹系數(shù)及其模具尺寸的增長(zhǎng)數(shù)據(jù)
表 1 是各種材料成型模具的熱膨脹系數(shù)，從表中可知，鋁合金的熱膨脹系數(shù)最大。而 invar 合金的熱膨脹系數(shù)很小，用他做成型模具可以很好地與復(fù)合材料構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)相匹配，得到較好的尺寸精度，這是最具有競(jìng)爭(zhēng)力的一種材料成型模具，但invar合金的缺點(diǎn)是加工較難，且價(jià)格昂貴。
（二）熱容小
復(fù)合材料模具的比熱容大，因此在單位質(zhì)量下，升高一度所需的熱量就越大，但由于復(fù)合材料的密度遠(yuǎn)小于金屬材料，導(dǎo)致在生產(chǎn)過(guò)程中，復(fù)合材料模具的質(zhì)量遠(yuǎn)小于金屬材料模具，使得模具的熱容比金屬材料更小，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于復(fù)合材料熱容更小，導(dǎo)致復(fù)合材料模具所需的熱量就更少，能更加快速升溫讓構(gòu)件固化，在更短的時(shí)間內(nèi)完成生產(chǎn)加工，降低了工時(shí)，節(jié)約了能源，節(jié)約了構(gòu)件生產(chǎn)成本。
（三）密度小
因?yàn)閺?fù)合材料的密度小，復(fù)合材料密度僅為鋼材的1/4左右，見(jiàn)表2。因此，用復(fù)合材料制造生產(chǎn)的模 具質(zhì)量都比較輕，因此在使用的過(guò)程中便于運(yùn)輸。且 由于碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度，高模量，低密度等 特點(diǎn)，所以用它制作的模具成型面厚度一般在6~9 mm之間，非常薄，即使是大型復(fù)雜的模具也非常輕，方便搬運(yùn)和使用[2]。
表 2 幾種常見(jiàn)模具材料的密度及拉伸強(qiáng)度
（四）尺寸熱穩(wěn)定性好
當(dāng)模具型面非常復(fù)雜且尺寸較大時(shí)，若用金屬模具生產(chǎn)大型型面時(shí)，由于金屬模具質(zhì)量大，使用過(guò)于笨重，鋁液充型時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致生產(chǎn)的構(gòu)件表面內(nèi)部有氣孔或者疏松等缺陷，降低了構(gòu)件的力學(xué)性能，也影響了復(fù)合材料構(gòu)件的氣密性。若采用復(fù)合材料模具生產(chǎn)，由于合材料模具是由母模翻制而成，并且母模的生產(chǎn)加工難度遠(yuǎn)小于金屬材料，此外還可以在復(fù)合材料模具表面噴鍍金屬，降低了復(fù)合材料構(gòu)件表面的粗糙度。
三、復(fù)合材料模具存在的問(wèn)題
（一）工藝復(fù)雜
相比于金屬材料模具，復(fù)合材料模具在制造中需要母模，而在母模具的制造過(guò)程中，模具的選材受到制造成本和時(shí)間，幾何形狀、質(zhì)量、升溫速度和模具精度等影響，此外模具制造還需要較高的固化溫度和壓力，因此要求母模具在這樣的高溫高壓下保持穩(wěn)定，因此對(duì)復(fù)合材料的選擇提供了一定的困難。而復(fù)合材料在溫度越低時(shí)，其內(nèi)應(yīng)力越小。為了減少?gòu)?fù)合材料模具的內(nèi)應(yīng)力，科學(xué)工作者研究出了多種低溫固化方法。
（二）表面硬度較低
相比于金屬材料模具，復(fù)合材料模具的表面硬度較低，當(dāng)受到碰撞時(shí)容易造成機(jī)械損傷，膠衣或鍍層的脫落，從而降低復(fù)合材料模具的精度，在制作復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)會(huì)影響復(fù)合材料構(gòu)件的精密度。另外在起吊，運(yùn)輸過(guò)程中受到撞擊容易產(chǎn)生分層，掉渣，變形等問(wèn)題，導(dǎo)致復(fù)合材料模具損壞，影響其正常使用。
（三）使用壽命短
相比于其他金屬材料模具來(lái)說(shuō)復(fù)合材料模具使用壽命相對(duì)較短，復(fù)合材料模具的使用壽命一半只有十幾次，而金屬材料模具的使用壽命一般有上千次，進(jìn)而導(dǎo)致需要大量制造復(fù)合材料模具，導(dǎo)致復(fù)合材料模具成本變相增加，而復(fù)合材料模具由于制造工藝比較復(fù)雜，其復(fù)合材料模具產(chǎn)品質(zhì)量不等，可能導(dǎo)致構(gòu)件精度存在些許差異。雖然，目前在國(guó)外存在使用壽命較高，質(zhì)量良好的復(fù)合材料模具，但目前還沒(méi)有出現(xiàn)使用近千次還未出現(xiàn)問(wèn)題的例子[3]。
（四）成本較高
雖然復(fù)合材料模具較金屬模具有較多優(yōu)點(diǎn)，但由于復(fù)合材料模具較為繁瑣的制作流程和復(fù)雜的工藝，其制造成本還是比普通金屬模具要高不少。
四、復(fù)合材料模具的發(fā)展方向
（一）新技術(shù)和新材料的研發(fā)
新技術(shù)的開發(fā)能夠在保證質(zhì)量的同時(shí)降低復(fù)合材料構(gòu)件的生產(chǎn)周期，從而減少?gòu)?fù)合材料的生產(chǎn)成本，提高復(fù)合材料生產(chǎn)效率。而復(fù)合材料生產(chǎn)與新技術(shù)的結(jié)合可以在生產(chǎn)復(fù)雜型面時(shí)更加便利，也能完成多種材質(zhì)，多種形狀，多種功能的模具制作和生產(chǎn)。此外新材料的研發(fā)可以降低成本，提高模具質(zhì)量。在這方面英國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料公司（ACG）開發(fā)的一種商品名為 zpreg 的預(yù)浸料，是一種通過(guò)條形浸漬工藝制成的新型織物預(yù)浸料。這種預(yù)浸料不但保留織物原有的良好鋪貼性能，而且提高鋪貼過(guò)程的排氣效果。
（二）使用壽命的延長(zhǎng)
由于復(fù)合材料模具本身的使用壽命不高，因此我們希望能夠提高復(fù)合材料模具的使用壽命，而在復(fù)合材料的使用中，當(dāng)孔隙過(guò)多，復(fù)合材料的強(qiáng)度就會(huì)下降，因此提高使用壽命的方法主要就是提高模具的硬度和強(qiáng)度來(lái)提高復(fù)合材料的抗損傷能力，并且減少孔隙對(duì)復(fù)合材料的影響，常見(jiàn)的方法就是涂覆膠衣或者金屬膜。復(fù)合材料的孔隙主要包括泛樹脂空隙，夾層孔隙，未浸潤(rùn)孔隙和小分子氣化孔隙等，其中在固化工程中樹脂中小分子氣化中帶入的空氣是復(fù)合材料構(gòu)件孔隙形成的主要因素。因此在實(shí)際操作中往往嵌入氣密性良好的彈性薄膜來(lái)解決空氣進(jìn)入產(chǎn)生孔隙的問(wèn)題。
（三）成本的降低
復(fù)合材料模具都是由母模所制成，一個(gè)母模可以制造許多的模具，當(dāng)固定成本一定時(shí)，生產(chǎn)的模具越多，復(fù)合材料模具本身的成本也就越低，其次在選擇模具時(shí)應(yīng)選擇最適合生產(chǎn)復(fù)合材料的，要對(duì)復(fù)合材料的性能及其使用壽命進(jìn)行一個(gè)了解，選擇合適的模具也可以降低制造成本，還能降低生產(chǎn)周期，避免復(fù)合材料生產(chǎn)的浪費(fèi)。
（四）復(fù)合材料模具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)
在復(fù)合材料的生產(chǎn)中，由于成型模具和構(gòu)件之間在壓力罐的作用下始終緊緊合在一起，因此成型模具表面的溫度變化對(duì)構(gòu)件的影響很大，如果復(fù)合材料上存在溫度梯度，就會(huì)產(chǎn)生溫度的不均勻，導(dǎo)致其構(gòu)件固化不一致，形成殘余應(yīng)力，嚴(yán)重則可能導(dǎo)致材料的報(bào)廢。目前將改進(jìn)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)來(lái)減小復(fù)合材料上溫度梯度的產(chǎn)生，根據(jù)花蕾蕾等人的實(shí)驗(yàn)，其采用階梯形非等厚型板通過(guò)在高溫區(qū)域?qū)宓暮穸冗M(jìn)行階梯形降低，而不采用突變，可以較大限度地減小溫度的突變，改善均勻性，降低表面溫差，降低溫度梯度對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件所產(chǎn)生的影響，使溫度均勻性達(dá)到最佳狀態(tài)，避免溫差過(guò)大使得構(gòu)件力學(xué)性能降低。
五、結(jié)語(yǔ)
先進(jìn)復(fù)合材料屬于新型材料，與普通材料相比，它擁有高強(qiáng)度、抗疲勞性高、較好的抗腐蝕性，因此在20復(fù)合材料的推動(dòng)下，復(fù)合材料模具已經(jīng)逐漸形成產(chǎn)業(yè)，目前碳纖維預(yù)浸料復(fù)合材料模具已經(jīng)用于制造雷達(dá)罩，B757 發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，A320 垂尾，B747 排放滑動(dòng)接頭等材料。隨著航空航天的發(fā)展，復(fù)合材料模具會(huì)取代金屬模具并被廣泛用于各種領(lǐng)域，而復(fù)合材料模具的發(fā)展將提高復(fù)合材料產(chǎn)品的質(zhì)量和精度。在未來(lái)的發(fā)展中，復(fù)合材料模具能得到更好的、精度更高的復(fù)合材料模具，縮短材料生產(chǎn)周期，為國(guó)家建設(shè)起到意想不到的收獲。
參考文獻(xiàn)
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