李耀虎
（武漢紡織大學盯滚， 湖北 武漢 430200）
摘 要：如今復合材料的諸多優(yōu)勢已經(jīng)被慢慢發(fā)掘，而隨著復合材料的發(fā)展拙泽，復合材料模具的選擇就成為制作高質(zhì)量復合材料的關鍵淌山，相比于其他復合材料模具，復合材料模具以其低的熱膨脹系數(shù)顾瞻，質(zhì)量輕泼疑、熱容小等優(yōu)點慢慢開始用于制造復合材料，雖然復合材料模具目前仍然存在一些問題荷荤，但在將來退渗，隨著新材料的發(fā)現(xiàn)，成本的降低等蕴纳，復合材料模具將被廣泛運用于制造復合材料產(chǎn)品会油。
關鍵詞：復合材料 復合材料模具 金屬模具 碳纖維復合材料 復合材料模具工藝
引言
復合材料因其良好的力學性能和本身的特點受到各個領域的青睞，而隨著復合材料的發(fā)展古毛，越來越多的復合材料零件出現(xiàn)結(jié)構(gòu)復雜翻翩，精密度要求高的特點都许，而傳統(tǒng)的模具已經(jīng)開始無法滿足高要求的構(gòu)件，而由于復合材料相近的熱膨脹系數(shù)嫂冻，低密度等的特點胶征，復合材料模具開始成為構(gòu)件制作的選擇。研究復合材料模具的研究能夠更好地了解復合材料構(gòu)件的發(fā)展桨仿。
一睛低、不同模具在復合材料制造中的優(yōu)缺點
鋁合金模具具有密度低，致密性好服傍，良好的熱傳導性能钱雷，使得鋁合金升溫快，在構(gòu)件制造中能更好的加熱成型吹零，但在制作復合材料構(gòu)件時罩抗，由于其膨脹系數(shù)與復合材料的膨脹系數(shù)差異過大，導致在制造構(gòu)件時會產(chǎn)生較大內(nèi)應力灿椅，使得復合材料產(chǎn)生變形澄暮，不利于復合材料構(gòu)件性能的穩(wěn)定性。機械加工合金鋼模具雖然具有良好的耐久性阱扬，并且熱膨脹系數(shù)比鋁合金低50%，但其質(zhì)量大伸辟、升溫性能低麻惶、溫度分布不均勻，容易產(chǎn)生應力信夫，因此難以用于制造高精度的復合材料制品窃蹋。
鎳電鑄模具具有比合金鋼模具密度低，熱傳導性能好静稻，熱升溫性能好警没，并且可以制造復雜型面的優(yōu)點，但其模具本身的制備加工周期長振湾，零件維修困難杀迹，其熱膨脹系數(shù)為 12.3×10- 6/℃，遠高于復合材料的熱膨脹系數(shù)押搪，導致也不適用于制備高精度的碳纖維復合材料（熱膨脹系數(shù)為 2~4×10- 6/℃）和芳綸纖維復合材料制品[1]树酪。
石墨模具的導熱率高，升溫效果好大州，雖然石墨的導熱速率沒有鋁合金和其他金屬模具高续语，但石墨模具的熱膨脹系數(shù)與芳綸纖維復合材料，碳纖維復合材料相匹配厦画，因此適用于復合材料構(gòu)件的加工疮茄，其次石墨模具的熱質(zhì)量低，與復合材料相近，使得石墨模具在升溫時在單位體積內(nèi)所需要的熱量和復合材料相同力试，但石墨模具的強度和耐磨耗性低徙邻，脆性大，抗沖擊性能差懂版，容易受到損傷鹃栽，不利于制作大型或者復雜的型面，且其真空性差躯畴，成本高民鼓，制造周期較長，并且在大批量加工生產(chǎn)存在困難蓬抄。
二丰嘉、復合材料模具的優(yōu)點
（一）熱膨脹系數(shù)匹配良好
由于復合材料的熱膨脹系數(shù)小，因此在使用金屬模具的時候嚷缭，由于金屬的熱膨脹系數(shù)太大而復合材料的熱膨脹系數(shù)較小饮亏，在加熱固化時可能會產(chǎn)生內(nèi)應力，而復合材料模具由于也是用復合材料制成阅爽，使得復合材料模具與復合材料構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)相差不大路幸，能夠在固化的時候更加適應，減小殘余應力的產(chǎn)生付翁。因為在加熱固化的時候简肴，隨著溫度的升高，模具會受熱產(chǎn)生膨脹百侧，進而尺寸會發(fā)生變化砰识，導致尺寸變大。因此制造尺寸也會隨著發(fā)生變化佣渴。當固化完成后辫狼，隨著溫度的降低，模具和固化好的制件會發(fā)生收縮辛润，若成型模具材料和制件材料的熱膨脹系數(shù)差距過大膨处，使制品和模具之間產(chǎn)生內(nèi)應力，則必然會使兩者見尺寸產(chǎn)生偏差砂竖，而當模具是由復合材料制成時灵迫，由于復合材料模具和制品的熱膨脹系數(shù)相匹配，使復合材料模具在熱膨脹和降溫收縮的過程中的尺寸變化對制品影響較小晦溪，對于制造構(gòu)件瀑粥，熱膨脹系數(shù)不僅會對構(gòu)件的尺寸帶來影響，還會使構(gòu)件產(chǎn)生變形三圆，脫模的問題狞换。
從構(gòu)件在加熱固化使模具和其構(gòu)件膨脹中可以知道避咆，當模具和構(gòu)件固化時熱膨脹系數(shù)相差過大時，由于內(nèi)應力的存在修噪，將會對構(gòu)件的精密度查库，構(gòu)件的尺寸產(chǎn)生影響，使得所制得的構(gòu)件與設定的構(gòu)件產(chǎn)生偏差黄琼，構(gòu)件報廢樊销。下頁表 1 為長度為 7 m 的復合材料構(gòu)件在 200 ℃成型時，幾種常見復合材料模具的熱膨脹系數(shù)和受熱時模具的增長長度脏款，由表中可得围苫，當熱膨脹系數(shù)越大，其模具在加熱時尺寸變化就越大撤师，對構(gòu)件的影響也越大剂府，并且與低碳鋼和鋁合金相比，碳纖維復合材料的熱膨脹系數(shù)更低剃盾，因此在制作復合材料構(gòu)件時模具對構(gòu)件的影響更小腺占。在制作復合材料構(gòu)件時應選擇熱膨脹系數(shù)相匹配的材料。據(jù)報道痒谴，長達18m的 Delta-Ⅲ型運載火箭整流罩成型時衰伯，就是用了復合材料模具才保證了其要求非常高的外形準確性和尺寸精度。
表 1 常用模具材料的熱膨脹系數(shù)及其模具尺寸的增長數(shù)據(jù)
表 1 是各種材料成型模具的熱膨脹系數(shù)积蔚，從表中可知嚎研，鋁合金的熱膨脹系數(shù)最大。而 invar 合金的熱膨脹系數(shù)很小库倘，用他做成型模具可以很好地與復合材料構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)相匹配，得到較好的尺寸精度论矾，這是最具有競爭力的一種材料成型模具教翩，但invar合金的缺點是加工較難，且價格昂貴贪壳。
（二）熱容小
復合材料模具的比熱容大饱亿，因此在單位質(zhì)量下，升高一度所需的熱量就越大闰靴，但由于復合材料的密度遠小于金屬材料彪笼，導致在生產(chǎn)過程中，復合材料模具的質(zhì)量遠小于金屬材料模具蚂且，使得模具的熱容比金屬材料更小配猫，在實際生產(chǎn)過程中，由于復合材料熱容更小杏死，導致復合材料模具所需的熱量就更少泵肄，能更加快速升溫讓構(gòu)件固化捆交，在更短的時間內(nèi)完成生產(chǎn)加工，降低了工時腐巢，節(jié)約了能源品追，節(jié)約了構(gòu)件生產(chǎn)成本。
（三）密度小
因為復合材料的密度小冯丙，復合材料密度僅為鋼材的1/4左右肉瓦，見表2。因此胃惜，用復合材料制造生產(chǎn)的模 具質(zhì)量都比較輕泞莉，因此在使用的過程中便于運輸。且 由于碳纖維復合材料具有高強度蛹疯，高模量戒财，低密度等 特點，所以用它制作的模具成型面厚度一般在6~9 mm之間捺弦，非常薄饮寞，即使是大型復雜的模具也非常輕，方便搬運和使用[2]列吼。
表 2 幾種常見模具材料的密度及拉伸強度
（四）尺寸熱穩(wěn)定性好
當模具型面非常復雜且尺寸較大時幽崩，若用金屬模具生產(chǎn)大型型面時，由于金屬模具質(zhì)量大寞钥，使用過于笨重慌申，鋁液充型時間過長，導致生產(chǎn)的構(gòu)件表面內(nèi)部有氣孔或者疏松等缺陷理郑，降低了構(gòu)件的力學性能蹄溉，也影響了復合材料構(gòu)件的氣密性。若采用復合材料模具生產(chǎn)您炉，由于合材料模具是由母模翻制而成柒爵，并且母模的生產(chǎn)加工難度遠小于金屬材料，此外還可以在復合材料模具表面噴鍍金屬赚爵，降低了復合材料構(gòu)件表面的粗糙度棉胀。
三、復合材料模具存在的問題
（一）工藝復雜
相比于金屬材料模具冀膝，復合材料模具在制造中需要母模唁奢，而在母模具的制造過程中，模具的選材受到制造成本和時間窝剖，幾何形狀麻掸、質(zhì)量、升溫速度和模具精度等影響赐纱，此外模具制造還需要較高的固化溫度和壓力论笔，因此要求母模具在這樣的高溫高壓下保持穩(wěn)定采郎，因此對復合材料的選擇提供了一定的困難。而復合材料在溫度越低時狂魔，其內(nèi)應力越小蒜埋。為了減少復合材料模具的內(nèi)應力，科學工作者研究出了多種低溫固化方法最楷。
（二）表面硬度較低
相比于金屬材料模具整份，復合材料模具的表面硬度較低，當受到碰撞時容易造成機械損傷籽孙，膠衣或鍍層的脫落烈评，從而降低復合材料模具的精度，在制作復合材料構(gòu)件時會影響復合材料構(gòu)件的精密度犯建。另外在起吊讲冠，運輸過程中受到撞擊容易產(chǎn)生分層，掉渣适瓦，變形等問題竿开，導致復合材料模具損壞，影響其正常使用玻熙。
（三）使用壽命短
相比于其他金屬材料模具來說復合材料模具使用壽命相對較短否彩，復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嗦随，進而導致需要大量制造復合材料模具列荔，導致復合材料模具成本變相增加，而復合材料模具由于制造工藝比較復雜枚尼，其復合材料模具產(chǎn)品質(zhì)量不等贴浙，可能導致構(gòu)件精度存在些許差異。雖然署恍，目前在國外存在使用壽命較高崎溃，質(zhì)量良好的復合材料模具，但目前還沒有出現(xiàn)使用近千次還未出現(xiàn)問題的例子[3]锭汛。
（四）成本較高
雖然復合材料模具較金屬模具有較多優(yōu)點，但由于復合材料模具較為繁瑣的制作流程和復雜的工藝袭蝗，其制造成本還是比普通金屬模具要高不少唤殴。
四、復合材料模具的發(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)量的同時降低復合材料構(gòu)件的生產(chǎn)周期到腥，從而減少復合材料的生產(chǎn)成本朵逝，提高復合材料生產(chǎn)效率。而復合材料生產(chǎn)與新技術(shù)的結(jié)合可以在生產(chǎn)復雜型面時更加便利乡范，也能完成多種材質(zhì)配名，多種形狀啤咽，多種功能的模具制作和生產(chǎn)。此外新材料的研發(fā)可以降低成本渠脉，提高模具質(zhì)量宇整。在這方面英國先進復合材料公司（ACG）開發(fā)的一種商品名為 zpreg 的預浸料，是一種通過條形浸漬工藝制成的新型織物預浸料芋膘。這種預浸料不但保留織物原有的良好鋪貼性能鳞青，而且提高鋪貼過程的排氣效果。
（二）使用壽命的延長
由于復合材料模具本身的使用壽命不高为朋，因此我們希望能夠提高復合材料模具的使用壽命臂拓，而在復合材料的使用中，當孔隙過多习寸，復合材料的強度就會下降胶惰，因此提高使用壽命的方法主要就是提高模具的硬度和強度來提高復合材料的抗損傷能力，并且減少孔隙對復合材料的影響霞溪，常見的方法就是涂覆膠衣或者金屬膜孵滞。復合材料的孔隙主要包括泛樹脂空隙，夾層孔隙威鹿，未浸潤孔隙和小分子氣化孔隙等剃斧，其中在固化工程中樹脂中小分子氣化中帶入的空氣是復合材料構(gòu)件孔隙形成的主要因素。因此在實際操作中往往嵌入氣密性良好的彈性薄膜來解決空氣進入產(chǎn)生孔隙的問題忽你。
（三）成本的降低
復合材料模具都是由母模所制成幼东，一個母模可以制造許多的模具科雳，當固定成本一定時根蟹，生產(chǎn)的模具越多，復合材料模具本身的成本也就越低糟秘，其次在選擇模具時應選擇最適合生產(chǎn)復合材料的简逮，要對復合材料的性能及其使用壽命進行一個了解，選擇合適的模具也可以降低制造成本尿赚，還能降低生產(chǎn)周期散庶，避免復合材料生產(chǎn)的浪費。
（四）復合材料模具結(jié)構(gòu)的改進
在復合材料的生產(chǎn)中凌净，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悲龟，因此成型模具表面的溫度變化對構(gòu)件的影響很大，如果復合材料上存在溫度梯度冰寻，就會產(chǎn)生溫度的不均勻须教，導致其構(gòu)件固化不一致，形成殘余應力斩芭，嚴重則可能導致材料的報廢轻腺。目前將改進復合材料的結(jié)構(gòu)來減小復合材料上溫度梯度的產(chǎn)生乐疆，根據(jù)花蕾蕾等人的實驗，其采用階梯形非等厚型板通過在高溫區(qū)域?qū)宓暮穸冗M行階梯形降低贬养，而不采用突變挤土，可以較大限度地減小溫度的突變，改善均勻性煤蚌，降低表面溫差耕挨，降低溫度梯度對復合材料構(gòu)件所產(chǎn)生的影響，使溫度均勻性達到最佳狀態(tài)尉桩，避免溫差過大使得構(gòu)件力學性能降低筒占。
五、結(jié)語
先進復合材料屬于新型材料蜘犁，與普通材料相比翰苫，它擁有高強度、抗疲勞性高这橙、較好的抗腐蝕性奏窑，因此在20復合材料的推動下，復合材料模具已經(jīng)逐漸形成產(chǎn)業(yè)屈扎，目前碳纖維預浸料復合材料模具已經(jīng)用于制造雷達罩埃唯，B757 發(fā)動機殼體，A320 垂尾鹰晨，B747 排放滑動接頭等材料墨叛。隨著航空航天的發(fā)展，復合材料模具會取代金屬模具并被廣泛用于各種領域模蜡，而復合材料模具的發(fā)展將提高復合材料產(chǎn)品的質(zhì)量和精度漠趁。在未來的發(fā)展中，復合材料模具能得到更好的忍疾、精度更高的復合材料模具闯传，縮短材料生產(chǎn)周期，為國家建設起到意想不到的收獲卤妒。
參考文獻
[1] 烏云其其格甥绿，郭揚.高性能復合材料成型用模具材料[J].玻璃鋼/復合材料，1997（1）：19-21.
[2] 匡載平则披，梁憲珠共缕，張西偉，等.復合材料模具技術(shù)[J].航空制造技術(shù)收叶，2016骄呼，59（17）：86- 89.
[3] 章令暉共苛，李甲申判没，韓宇蜓萄，等.復合材料成型模具研究進展[J].航天制造技術(shù)，2013（1）：13- 17.
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