復合材料成型模具研究進展

寂靜天花板

碳纖維等高性能纖維增強的先進樹脂基復合材料,，以其比強度和比模量高,、熱膨脹系數(shù)小,、可設計性好、易于整體成型等一系列突出的優(yōu)點,，在航空航天結(jié)構(gòu)上得到了廣泛的應用,，現(xiàn)已成為航空航天四大結(jié)構(gòu)材料之一。
. Q4 W" d9 S2 v- k3 m* \值得注意的是,，復合材料產(chǎn)品的制造技術(shù)迥異于常規(guī)的金屬材料,。復合材料的成型，通常要在模具中完成,，在新材料成型的同時,，也完成了最終結(jié)構(gòu)（毛坯）的成型。模具決定了制品的幾何邊界,，明確了與其他零部件的關(guān)系,，在很大程度上影響著制品的內(nèi)部質(zhì)量和表面狀態(tài)，這些都決定了模具在復合材料產(chǎn)品制造過程中起著舉足輕重的作用,。
( l( J1 P2 V  D1 ~' M, g$ s: n8 A5 F然而,，復合材料產(chǎn)品的制造工藝種類繁多，常見的有真空袋成型,、熱壓罐成型,、模壓成型、纏繞成型,、拉擠成型,、軟膜膨脹成型、噴射成型,、電子束固化法,、滲透成型（如RTM）等，不同的成型方法對模具材料和結(jié)構(gòu)形式有不同的要求,，同時又推動著模具技術(shù)不斷發(fā)展,。
5 [+ |  p0 \! y, e5 h2 [1、金屬框架式模具
框架式模具一般由模板與支承結(jié)構(gòu)組成,。模板采用鈑金,、沖壓等工藝成形所需的型面,，并要求具有較高的光潔度和密封效果。支承結(jié)構(gòu)一般由金屬型材（有時甚至是木材）制成,，用于支承和固定位于上面的模板,。其內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，熱容量小,，便于熱量的傳導,，且重量較輕，轉(zhuǎn)運方便,。這種結(jié)構(gòu)適用于熱壓罐成型,、真空袋成型、真空導入成型等多種工藝,。
& O! [( y7 v$ V- T1 L1 m2,、金屬單模或組合模
除了一些薄制品或者簡單零件采用單模外,，模壓,、拉擠、RTM等工藝所用成型模具多為對模等組合結(jié)構(gòu)形式,，組合模具各部分需要精密配合,、運行到位、定位準確,，因而,，要求較高的剛度、強度,、表面硬度,、形位精度等,，通常采用碳鋼或鋁合金材料,。
4 R) s  L: s( E7 K& U雖然鋼和鋁表面光滑、致密,、硬度大,、易于脫模，清理模具時不易損壞,，并且耐溫性能好,，但存在著和復合材料熱膨脹系數(shù)不匹配的問題（鋼的膨脹系數(shù)約為12×10-6/℃，鋁的膨脹系數(shù)約為24×10-6/℃,，碳纖維復合材料的膨脹系數(shù)一般都低于3.5×10- 6/℃）,，導致制件型面精度不高，尺寸誤差大,、固化應力較大,。殷鋼材料的熱膨脹系數(shù)可達到2×10-6/℃,，可以與復合材料的線膨脹系數(shù)相匹配，但是殷鋼模具的加工成本較高,。
" m  f" E3 |: }4 f, }3,、膨脹或收縮模
% U* A; T  l8 f- D4 _' X1 [膨脹模主要采用彈性材料，彈性材料的任意賦形特性對于復雜型面或者封閉腔體結(jié)構(gòu)的成型十分便利,。膨脹模利用彈性材料在加熱過程中的體積膨脹特性,，提供復合材料固化成型所需的壓力。膨脹模所用材料有含硅或不含硅的橡膠,，目前,，應用較為成熟且商品化的典型材料是有機硅橡膠。在使用橡膠模時,，一般將它設計為成型模的內(nèi)腔,，其外部則采用封閉的剛性結(jié)構(gòu)，有時也采用橡膠作為芯模,。
5 z, ]5 _! C+ k" y收縮模主要有收縮管和收縮帶兩種類型,，多用于復合材料桿件或長軸類零件的成型。收縮管或收縮帶的材料為熱收縮塑料,，系根據(jù)一些高聚物進行輻照處理后產(chǎn)生的“彈性記憶效應”制成,，目前常用的有（改性）聚烯烴、聚全氟乙丙稀,、聚氟橡膠等,。但熱收縮模存在一些不足，主要是固化壓力控制的準確度低和制品表面的平整性差,，以致需要機械加工,，大大影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。
/ a) [0 ]5 P' s# H" N7 N4,、復合材料模具
5 y0 K% h2 y5 {& d4 L在國外航空航天產(chǎn)品中,，復合材料模具的應用已經(jīng)相當普遍。國內(nèi)航空系統(tǒng)單位對復合材料模具研究較早,、產(chǎn)量較大,，其他單位包括航天部門使用還比較少。
3 v0 c; t4 m; `3 C$ c2 z復合材料模具多半采用碳纖維或（和）玻璃纖維復合材料制成,，并可作進一步的修補,，因而可將模具制造得十分精確。由于模具材料與制品大體上屬于同類材料,，因而有效地解決了模具與復合材料制品的熱膨脹系數(shù)匹配問題,，極好地保證了產(chǎn)品尺寸和型面精度，是復合材料成型模具發(fā)展的主要趨勢。這種模具已大量應用于尺寸與形位精度高或者尺寸超大的復合材料制品,。由于模具本身也是復合材料,，使得其制造過程具有一定的復雜性和不可知性。
; g3 D; E/ H" H- L, K8 |目前,，復合材料模具存在的主要問題如下：
( S! U8 u, o7 z. Z" ?* u（1）復合材料模具的制造工藝復雜,，過程控制要求嚴格，不同工藝方法,、甚至不同批次產(chǎn)品質(zhì)量差異相對較大,。
+ l$ S* g' F: A  s' `/ A（2）復合材料模具表面密封性較差，特別是當存在制造缺陷（如孔隙率過高）時,，極容易出現(xiàn)真空泄漏問題,。
（3）復合材料模具的表面硬度較低，易產(chǎn)生機械損傷,，膠衣或者鍍層易脫落,。另外，在起吊,、搬運過程中受撞擊后容易產(chǎn)生分層,、掉渣、變形等問題,，影響正常使用,。
（4）與一般使用壽命在千次以上的金屬模具相比，復合材料模具的使用壽命相對比較短,，一般只有幾十次左右,。當然，國外也有質(zhì)量良好的復合材料模具使用近千次仍未出現(xiàn)問題的實例,。
* I* x) H5 U8 C+ s（5）復合材料模具的制造成本比普通金屬模具要高出不少,。
7 C" u5 I8 e2 W) v  L, S" C* d

hc2003

新的爆發(fā)發(fā)展產(chǎn)業(yè)

leejeans

和糊玻璃鋼差不多,，無塵的車間，真空吸附的設備,。關(guān)鍵是料子,，國內(nèi)還是不如日本。