1.概述

 

　　碳纖維增強聚合物基復合材料(CFRP)以其優異的強度，重量輕和抗疲勞性能高等特點逐步在成為航空航天工業結構的主要材料之一。一些主流的商用飛機（例如波音787和空客350）的制造中大約50%的結構采用碳纖維增強聚合物基復合材料，其主框架、機身/機翼等均由CFRP制造，如圖1(a)所示。此外，如圖1(b)所示，無人飛行器(UAV)制造中CFRP的結構重量已經達到60-90%。日益增長的性能要求(包括機械性能和空氣動力學性能)正推動這些復合材料結構向具有復雜形狀和高尺寸精度的大型或超大型整體結構發展，這大大增加了相應制造技術的難度。

 

　　航空航天工業中最廣泛使用的碳纖維增強熱固性復合材料的典型制造工藝是利用高壓釜使其在壓力和熱環境下固化。一般來說，此項技術制造復合材料結構的尺寸精度主要受四個方面的影響:I)熱膨脹系數(CTE)中的纖維-基體不匹配，特別是考慮到在固化過程中其相變狀態將從粘性變成橡膠狀，并最終變成固體；ii)固化過程中由于化學反應導致的收縮；iii)在具有不同熱傳遞的介質(空氣或氮氣)中，模具的材料、幾何形狀、結構以及熱交換方式相關的固化過程中的溫度梯度變化；iv)模具-零件相互作用，主要是由于組件、工具和脫模劑之間的CTE(受厚度、鉚接順序和層方向變化的影響)不匹配(特別是對于薄零件生產條件)。

 

　　

 

　　圖1 商用飛機結構中CFRP的應用

 

　　另兩個因素是由所使用的模具決定的制造業決定，指出模具在影響復合材料產品準確性方面的關鍵作用。此外，考慮到用機器代替手工鋪層預浸料的新趨勢，例如用于復合材料制造的自動纖維鋪放技術(AFP)。特別是對于大型整體部件，嚴格要求模具重量輕，使用壽命長，以符合自動化機器和所需介質的承載能力。

 

　　由于模具在復合材料制造中的重要性，與模具制造的相關技術經歷了持續的發展，從20世紀80年代開始，復合材料在工業領域和學術領域的發展持續了幾十年。各種材料(金屬和非金屬）和結構已經被開發并使用在復合材料生產方面，與此同時，研究人員將注意力集中放在復合材料附加功能的研究，以提高它們在應用中的表現。另外，通過引入新技術控制復合材料制造過程中的基體和增強體，用此項技術研發的原型模具目前正處于實驗階段。用新的材料和結構，廣泛探索以低成本制造高性能模具的方法，縮短制造時間同時提高模具質量。然而，目前縱觀工業領域和學術領域，關于模具制造工藝的的新型相關技術依舊匱乏。

 

　　2 模具制造中的復合材料

 

　　模具制造都經歷相同的熱循環和負載循環，復合材料制品在固化過程中的性能以及模具所使用的材料直接影響制造過程和相應產品的性能。圖2總結了與復合材料制造工藝和產品性能相關的模具材料的關鍵性能和規格，具體在下文中討論。

 

　　

 

　　圖2 模具制造中的關鍵材料規格及其對工藝性能的影響以及產品特性示意圖

 

　　熱膨脹系數(CTE)與材料形狀精度。據研究報道，模具材料在確定復合材料產品的形狀精度方面起著重要作用，其中，模具材料的CTE是關鍵因素，模具材料與復合產品材料之間的CTE差異導致模具和產品之間相互作用，使之在加熱固化循環后發生不可避免的變形。有研究指出，在特定的固化復合材料產品中，與具有低CTE的因瓦合金相比，在使用鋼作為模具材料時可以獲得具有高殘余應力的回彈尺寸（超過20%）。

 

　　可加工性與效率和成本。模具的可加工性，本研究中所使用的材料主要是指表面質量產品，準備模具所需的時間和費用。模具所需加工成具有表面圖案高度準確性的復合材料產品成型質量。

 

　　比剛度與可移動性。由于模具加工過程必須移入和移出高壓釜，因此可移動性是模具的另一個關鍵特性，這直接由模具的重量決定。雖然對于一個模具特定結構要求，特定剛度的模具對其直接稱重就可得出材料的比剛度(剛度與密度之比)。此外，由于新開發的工藝，例如AFP工藝，模具需要在AFP機器上旋轉，這進一步推動了高性能模具材料的發展和更高的比剛度需求(較低的密度和較高的剛度)。

 

　　緊密度和硬度與使用壽命。對于固化模具，尤其是對于生產大批量產品時，要求其使用壽命是至關重要的。與模具使用壽命相關材料的兩個關鍵因素，一是硬度，硬度決定了對模具具的疲勞、腐蝕和磨損導致斷裂的抵抗力，二是由于固化過程中需要真空完整性，因此模具材料的緊密度是模具使用壽命的另一個關鍵因素。

 

　　導熱率和熱容量與效率。模具材料的導熱系數和導熱能力表征了完成固化過程中達到目標溫度所需的能量和時間，這對于工藝效率至關重要，尤其在大型航空航天工業中的尺寸元件的制造方面。

 

　　材料/工藝價格與成本。模具成本是復合材料制造的主要成本之一，包括材料和工藝成本(成型、設備等)。航空航天工業中用因瓦合金模具制造某些特殊大型復雜部件的復合材料制造的成本最高可達到成本總值的20%。

 

　　有了這些因素，當前和開發對用于制造復合材料產品的模具材料可以以量化的方式進行評估，并將在后文詳述。

 

　　2.2 模具材料的發展

 

　　隨著對材料性能和精度要求的不斷提高，在航空航天工業中的復合材料產品中，模具材料在過去的四十年里不斷進化。圖3總結了制造業復合材料模具使用材料的發展趨勢，可以分為三個階段。

 

　　圖3制造業復合材料模具使用材料的發展趨勢

 

　　第一階段是在20世紀80年代左右，先進復合材料產品在航空航天和非航空航天工業中的應用中增長較快。用于傳統模具材料包括木材、石膏和石墨，此外鋁和鋼也是傳統的模具材料，有著成本低和使用壽命長等優點。對于高精度的產品要求，玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料(GF/EP)由于它們的CTE接近復合材料組分的CTE而被選擇。然而，這些模具材料耐久性差，一個模具只可以制造大約10到50個部件。

 

　　20世紀90年代，隨著全球對飛機需求量的顯著增長，大規模生產具有精確氣動表面的復合材料結構成為一項新的挑戰。提出了對模具有類似復合材料結構和CTE的模具材料固化和耐久性研究。1896年發現的具有“因瓦效應”的鎳鐵合金，其在特定鎳含量下可實現非常低的CTE，成為航空航天工業中復合材料制造的合適工具材料。然而，因瓦合金的缺點是重量大，在模具制造和應用中，難加工和成本高等問題，特別是對于低成本的大型復合材料結構要求，使得研究人員重新尋找新的輕型并具有更長固化時間的復合材料。2000年左右，新型碳纖維增強復合材料和改性樹脂被專門開發用于復合材料模具，例如雙馬來酰亞胺樹脂基的復合材料Hexcel M61模具，在高達175–180°C的溫度下，能夠承受300次以上的固化循環。

 

　　從2010年開始，一些新型先進材料陸續有用模具材料的開發，以實現更高的性能和多功能性，包括碳泡沫，形狀記憶合金、納米纖維/顆粒填充復合材料等。

 

　　2.3.傳統和當前的模具材料

 

　　下面討論工業生產中所使用的模具材料的發展和特性，包括金屬材料(如鋁合金、鋼和因瓦合金)和非金屬材料(例如石墨、GF/EP復合材料和CF/EP復合材料)。

 

　　航空航天復合材料產品的關鍵要求之一是精準度高。根據這一要求，復合材料中的模具材料制造業從鋁和鋼發展到因瓦合金和復合材料的模具，與復合材料CTE更接近的產品。Smith等人已經給出了長度為4.9m并加熱至177 ?C時不同模具材料的總熱膨脹，如圖4所示。從結果中可以看出，鋁合金模具引起的變形約為10mm，約為因瓦合金或石墨環氧樹脂的兩倍。

 

　　

 

　　圖4長度為4.9m并加熱至177 ?C時不同模具材料的總熱膨脹

 

　　表1總結了與復合材料制造工藝相關的傳統模具材料的主要特性。基于表1中的數據，可以量化模具的詳細性能 通過2.1中列出的相應材料屬性，例如，CTE與精確度、比剛度與可移動性、緊密度和硬度與使用壽命，導熱率和熱容量與效率等。圖5比較了傳統和用于復合材料制造的現有模具材料，可以將列出的所有材料中的最大值進行標準化 。例如，CF/EP模具可以實現最高的精度，其精度值設為1，然后基于CF/EP的CTE對其他材料的精度值進行標準化；而最大壽命和溫度值分別設定為1000次循環和500°C 性能優于那些的材料，它們的值被設置為1。此外，另一個性能變量“使用水平”也被估算并包含在圖中，它代表技術的成熟度以及在實際工業中用于模具材料的普及性。

 

　　

 

　　

 

　　圖5 復合材料制造工藝中不同傳統模具材料的性能比較

 

　　由于鋁和因瓦合金等金屬材料抵抗真空條件的良好密封性和良好的表面硬度，可以避免在制造過程中產生變形，因此具有較長的使用壽命。然而，在高固化溫度制造條件下，鋁合金模具精確度較低，而鋼模具可以在高溫下保持一定的精度，成為當前復合材料工業的廣泛應用的模具之一。與復合材料擁有類似CTE的因瓦合金可以實現高精度，但是由于具有較差的可加工性和較大的密度導致高成本、低效率和可移動性差等問題，因此使其不適用于大型或超大型復合材料產品(例如波音787機身部分的制造）。

 

　　非金屬材料包括石墨、玻璃纖維、環氧樹脂和碳纖維、環氧樹脂等低密度和與復合材料產品具有相似的CTE，可以使這類模具具有較高精度和制造效率，但是模具的使用壽命是有限的，不能滿足大規模生產的需要。此外，為制造具有常規復合材料的模具，材料需要具有低的 CTE，例如因瓦合金也被用于母模制造，已有相關一些案例報道。因此，新的聚合物體系具有專為模具材料設計（如Hexcel M81和 XT200）。

 

　　因此，使用因瓦合金和其他先進的復合材料是制造航天工業中復合材料的關鍵。目前，殷鋼是中小型模具材料一個不錯的選擇，而對于大尺寸或超大尺寸的結構，復合材料正成為模具材料選擇的趨勢。圖6總結了一些模具材料的應用案例。

 

　　

 

　　圖6 (a)因瓦合金(b)復合材料作為模具材料的應用于航空航天工業實例

 

　　2.4 新型模具材料

 

　　隨著對效率、成本和使用壽命的要求越來越高，先進航空航天工業復合材料制造模具發展越來越快，新型模具材料層出不窮。這些為模具開發的新材料可分為三類。a)新一代復合材料，如改性樹脂體系復合材料。b)碳泡沫。c)形狀記憶聚合物(SMP)。

 

　　2.4.1 新型樹脂復合材料

 

　　為了解決模具使用壽命短，使用溫度低和儲存等限制問題，許多新型高性能復合材料結構的大量生產，近十年來，復合材料得到了快速的發展。

 

　　雙馬來酰亞胺樹脂因其具有更好的熱性能已被用作航空航天工業中的先進復合材料，比環氧樹脂更穩定。這使得它們被用作模具材料時使大規模生產CF/EP復合材料成為可能。同時，雙馬來酰亞胺樹脂不像一般復合材料結構，需要連續纖維來增強，只具有隨機分布的短纖維，使其作為模具材料時，具有更好的機械加工性。一些CF/BMI模具材料已經商業化并在航空航天工業中得到使用。

 

　　20世紀40年代合成的苯并噁嗪樹脂，最近已成為航空航天結構部件的新型樹脂材料。工業上，由于苯并噁嗪樹脂在耐高溫應用方面的優勢， 優異的耐火性和室溫儲存性能，使得它們也有可能作為模具材料使用。Airtech提供的模具預浸料包含苯并噁嗪樹脂，命名為β預浸料。除了長達六個月的環境儲存壽命之外，相比其他樹脂材料，它還擁有更低的收縮率和回彈性能(> 70%)。

 

　　耐高溫熱塑性樹脂材料也被報道為CF/EP復合材料的使用的模具材料結構。最近，CFP復合材料公司開發了一種新的模具材料，該材料由短切碳纖維與PA66樹脂混合制成，據報道，PA66樹脂可承受高達200°C的熱循環，且完全可加工。然而，熱塑性樹脂的CTE比熱固性樹脂的高，這對材料制造精度是有害的。此外，對其成本和熱性能的相關研究相對較少，其大規模生產能力也沒有相關報道。

 

　　另一種改善樹脂性能的方法是通過納米填充物適當地改變其組成。一種納米填充環氧樹脂已被開發并用于模具材料，命名為HX90N。據報道，它擁有極低的熱膨脹(比同類產品低60–70%)和更高的使用溫度(180°C ），而傳統環氧基工具材料的溫度為150 ℃（例如 Hexcel M81） 。發現通過調節二氧化硅微粒與環氧樹脂的比例，可以增加復合材料的強度和彈性模量，并降低材料的CTE。Nelson等人進一步研究了納米二氧化硅添加到環氧樹脂基預浸料坯，并報道了40%(添加量)的納米二氧化硅預浸料坯，可以實現降低40%的CTE和50%的收縮率。此外，它還提供更好的耐刮擦性和更低的放熱性能，可以提高模具的使用壽命和熱性能。

 

　　這些新開發的高性能樹脂從各個方面提高了復合材料模具的性能。此外，對于已經商業化并成功應用于航空航天工業的新型CF增強復合材料，實驗驗證它們的使用壽命和固化期間在循環熱和壓力條件下的穩定和成本，與傳統的CF/EP材料相比，具有更好的使用潛力。

 

　　2.4.2 碳泡沫

 

　　由于碳具有良好的CTE相容性、導熱性和熱穩定性，因此碳用來制作模具材料時在高溫下的尺寸穩定性高。然而，隨著航空航天工業生產中結構部件的尺寸越來越大，單片石墨由于其較高的密度導致其用作模具材料時存在質量大的問題。

 

　　碳泡沫在預設的高壓和高溫條件下的顯微結構如圖7（a）和7（b）所示。碳泡沫的關鍵性能之一時通過控制分解過程，以獲得不同的孔徑，例如密度、導熱率、強度和成本均可根據模具的需求定制。圖7(c)指出通過調節碳泡沫的添加量，可以使復合材料實現了接近因瓦合金的CTE 范圍的溫度特性。此外，碳泡沫作為大尺寸復合材料的模具制造也有相關報道。

 

　　盡管碳泡沫的特性可以調整，但需要注意的是，這些屬性的變化很大程度上取決于材料石墨化的程度。例如，材料密度可以從0.03 × 103至0.6 × 103 kg/m3 ，強度可以從0.2到6.3 Mpa，熱電導率可以從0.1到250 W/m oC。這些特性會影響模具與組件交互的性能。目前的研究不足以設計合適的碳泡沫作為特定應用的模具材料，導致復合材料制造過程中的回彈性能不好。此外，由于碳泡沫具有開孔結構，內部的孔隙可能導致材料結構缺陷，導致不適用于復合材料高溫高壓固化模具的制作。此外，碳泡沫必須逐層粘合，以保證模具結構堅固和完整，從而增加了模具設計的復雜性和成本。

 

　　圖7 （a）、（b）碳泡沫在預設的高壓和高溫條件下的顯微結構（c）碳泡沫的添加量與復合材料CTE的關系

 

　　2.4.3 形狀記憶聚合物（SMP）

 

　　SMP是一種智能材料，它可以通過外部因素的改變（如溫度、光和電）從臨時形狀轉變為原始形狀。由于它們的形狀記憶特性、低密度、變形率高以及與CFRC相似的CTE，使這些材料有極大可能應用在模具制造選材方面。

 

　　聚合物的原始形狀和在轉變溫度下將改變其相態，如又橡膠態轉變為玻璃態，從而獲得臨時形狀。SMP的形狀記憶效應如圖8(a)所示。當將SMP加熱到轉變溫度時（臨界變形溫度），可以變為臨時形狀，并且當冷卻到室溫時保持不變。這種暫時的形狀，可用作復合材料后續固化的特定形狀的模具制造。再次加熱到臨界變形溫度以上后，SMP變成可變形狀態并恢復到原來的形狀。杜等人報道了一個風管構件的SMP模具研究，如所示 圖8 (b ),對于臨界變形溫度在55oC的SMP模具恢復過程約150 s，材料成型后模具可以很容易的從風管部件表面脫除。

 

　　

 

　　圖8 （a）SMP的形狀記憶效應（b）SMP模具用于風管部件的制造工藝

 

　　雖然SMP對復雜和整體有很高的適應性復合結構，但它們仍然受到一些應用的限制。第一個限制是與其他復合材料相比，SMP固化溫度對于航空復合材料部件的要求（120-180oC）仍然非常低。越來越多的研究是為了制備突破溫度限制的SMP材料。例如最近開發的氰酸酯SMP（變形溫度達到135–230oC）和馬來酰亞胺基SMP（變形溫度達到150–270oC）改善了這一性能。此外，一些熱塑性樹脂也被專為SMP開發。Shi等人開發了一種基于磺化聚離聚物的熱塑性SMP，據報道變形溫度可達到250°C。

 

　　SMP模具另一個使用受限的因素使是它們的韌性不夠，足以承受循環固化過程中苛刻的力學條件，這將顯著降低模具的精度和壽命。近十年的研究試圖開發形狀記憶聚合物復合材料（SMPC），通過彈性材料或纖維增強材料被混入純的SMP來克服SMP的韌性問題。據報道，具有玻璃纖維或碳纖維的SMPC具有高強度和模量，伸長率和可回收率較差，影響模具使用的耐久性和精確性。具有彈性材料的SMPC得到改善。然而，比純SMP更低的模量對于保持高精度的模具是有害的，特別是對于航空航天應用領域。

 

　　這些新開發的SMP和SMPC在先進復合材料制造方面有可能實現對模具基本溫度和機械性能的要求。然而，它們的使用壽命和熱性能和壓力循環中的尺寸公差問題仍需解決，這些材料的商業化應用還有很長一段路要走。

 

　　3.復合材料制造的模具結構

 

　　除了上述章節中回顧的材料之外，開發新的模具結構是另一個吸引實驗室和行業越來越感興趣的方面，由此可同時提高復合材料制造模具的機械和熱性能。在本研究中，這些結構被分為三類，包括（i）單一材料的傳統結構，（ii）復合結構和（iii）可重構結構。

 

　　3.1單一材料的傳統結構

 

　　傳統模具的整個結構中由相同的材料制成，以消除可能出現的熱膨脹系數和其他性能不匹配的情況，特別是航空航天工業中具有高精度要求的復合材料產品。如第2節所述，每種模具的材料都有其優點和缺點，不同的結構被設計出來用于加強其優點和避免其缺點。對于因瓦合金和碳纖維復合材料模具，其常規結構通常由兩部分組成：一個具有設計形狀的面板，以確保部件的尺寸精度。而對于具有良好的可加工性的材料，如第2.4.2 節中討論的碳泡沫，直接通過加工制備的單一結構也是模具的一種選擇。

 

　　然而，由于模具材料的固有缺點，單一材料的傳統模具結構有其自身的局限性。通過基板+面板式因瓦合金模具這樣的結構設計，可以在一定程度上獲得優化的重量，但對于大型和超大型的集成部件，即在航空航天工業中日益受到關注的部件（如機翼和機身），其重量在復合材料制造過程中是一個大問題。盡管碳纖維復合材料可以在很大程度上消除重量問題，但目前的樹脂系統無法保證良好的密封性，也就無法滿足當前和未來航空航天部件的大規模生產。

 

　　3.2復合結構

 

　　為了解決單一材料的傳統模具結構中存在的問題，如重量大或結構缺陷，人們提出了結合不同材料的優勢設計復合結構。長期以來，由碳纖維復合材料表面和鋁蜂窩芯組成的夾層結構被報道為復合材料制造模具的復合結構廣泛研究。然而，夾層結構的熱膨脹系數比復合材料高得多，不能提供航空產品所需的足夠的尺寸公差，特別是對于大型/超大型產品，此外，由于碳纖維復合材料表皮通常非常薄，密封性能不能得到很好的保證，具有相似熱膨脹系數的模具材料組合，降低相界面帶給復合材料結構的缺陷，可以一定程度提高材料的結構完整性。圖11列出了具有低熱膨脹系數的典型模具材料的優點和局限性，包括碳泡沫、CF/EP（BMI）復合材料和因瓦合金，通過將這些材料組合在復合結構中，有可能在復合材料制造的模具中實現平衡性能。

 

　　

 

　　圖11.低熱膨脹系數的典型工具材料的優勢和局限性，以及不同材料組合時相應的復合優勢。

 

　　3.2.1碳纖維復合材料

 

　　天臣國際醫療科技股份有限公司開發了一種以碳泡沫為基底、碳纖維增強塑料復合材料為面板的復合結構模具系統，其中使用由連續和短切碳纖維增強的高溫樹脂（包括EP和BMI）作為面板，以緩解多孔碳泡沫的結構缺陷。圖12（a）比較了使用和不使用粘結碳纖維復合材料面板的模具表面狀況。盧卡斯等人報道了“碳泡沫芯+碳纖維復合材料”復合模具的案例研究，其中研究了該模具在低成本、快速制造性能方面的有效性。據報道，它具有良好的耐久性，但未報告量化數據，理論上，其使用壽命會受到面板材料結構完整性的限制。此外，碳泡沫的開放性孔隙結構使高溫樹脂相對容易滲透，有助于實現良好的粘合界面，如下圖12（b）所示。

 

　　CFOAM LLC提出了另一種用于原型模具的低成本復合系統。代替碳纖維復合材料面板的是一種填充材料，如高溫樹脂，它在高溫下耐用且易于加工，直接沉積在碳泡沫基底上。由于開孔結構，填料和碳泡沫材料之間可以獲得良好的結合，如圖12（c）所示。然而，其使用壽命非常有限，這可能是由于與相應的碳纖維復合材料相比，填充物樹脂的機械性能較低，以及填充物和碳泡沫之間的熱膨脹系數不匹配導致的。

 

　

 

　　圖12. (a) 帶有碳泡沫的單一模具和帶有碳泡沫+復合材料制造的模具比較；(b) 談泡沫與復合材料界面的復合模具SEM顯微圖；(c) 填充材料與碳泡沫基材之間結合的微觀結構。

 

　　3.2.2因瓦合金復合材料

 

　　隨著復合材料結構在航空航天工業中變得越來越大，人們迫切需要新的模具，這種模具可以像因瓦合金那樣經受數千次固化循環，但更輕、更便宜。因此，最近提出了將因瓦合金和復合材料相結合的復合模具結構，使其擁有良好耐久性的同時減輕重量。Remmele工程公司開發了一種復合因瓦合金/復合材料復合模具，其特點是因瓦合金面板厚度減小，并具有互鎖的CF/BMI復合材料基底，與因瓦合金模具相比，重量減少了50%，成本和使用壽命相當。由于熱膨脹系數相似，因瓦合金板和復合材料基底的連接采用榫舌和凹槽粘結的方法，如圖13（a）所示。

 

　　此外，Ascent航空公司還開發了另一種 "因瓦合金基地+復合材料面板"的復合結構，如圖13(b)所示。

 

　　

 

　　圖13 使用因瓦合金和復合材料的兩組復合模具概念的比較（a）復合材料基底+因瓦合金面板和（b）因瓦合金基底+復合材料面板。

 

　　薄的因瓦合金面板用于保證材料結構完整性，而復合材料則用于減輕重量，為加工提供更好的適應性，并使臺面的修復成為可能，避免像傳統因瓦合金模具那樣需要更換整個模具。據稱，這種復合結構可以減少50%的重量，縮短20%的制造時間。

 

　　圖14比較了具有復合材料和單一材料（如因瓦合金和CF/BMI復合材料）的模具的性能。通過將碳泡沫與復合材料相結合，由于碳泡沫具有良好的可加工性，復合材料模具的效率可以提高，但由于復合材料面板的特性，其溫度和壽命性能仍然受到限制。

 

　　

 

　　圖14不同模具材料結構和性能比較。

 

　　對于采用因瓦合金和復合材料制造的模具，可以在使用壽命、可移動性和效率之間取得良好的平衡，使其成為未來在航空航天工業中應用的極具前途的模具結構。

 

　　3.3小結

 

　　本節系統地介紹和討論了航空航天工業中復合材料制造模具的材料及結構。單一材料是目前使用最廣泛的，結合不同材料優點的復合材料則顯示出更好的材料性能，不久將來會成為模具材料的不二選擇。

 

　　4.復合材料制造的模具功能

 

　　如何加強甚至擴展制造過程的模具功能，特別是對工藝和質量有高要求的先進復合材料的制造，一直是模具技術研究的熱點。本節將相關研究分為兩部分介紹：1、側重于改進模具的傳統功能，如其機械和熱性能；2、嘗試在模具中實現新功能，如復合材料制造過程和產品的在線監控功能。

 

　　4.1改進現有功能

 

　　由于高壓釜或烘箱中復合材料生產的長期固化過程所需的高溫和/或壓力環境是通過加熱循環空氣或氮氣來提供的，因此需要連續加熱大量的空氣或氮氣（甚至達到幾千立方米），這是極其昂貴的，也限制了生產效率。該問題的一個較為流行的解決方案是開發具有自熱功能的模具，在過去十年中，已經在這一領域進行了許多試驗。在金屬成形領域開發具有加熱和冷卻功能的模具有著悠久的歷史，其使用內部有熱/冷水或油的管道系統來提供自加熱功能，這種技術也在復合材料制造中得到了長期的應用。韋伯制造技術公司開發了一種類似的模具，并將其應用于汽車中的復合材料制造，以降低成本，圖16（a）展示了一個樣品。另一種加熱方法為感應加熱，具有比傳統的熱水或油有更高的熱效率，也被用來建造自加熱模具，用于大批量制造復合材料產品。羅斯蒂公司通過將電磁感應加熱系統集成到模具內部，開發了一種自加熱模具，其與模具的形狀相匹配，如圖16（b）所示。據報道，它有能力將加熱固化的時間從高壓釜中的1小時減少到2分鐘，然而，在如此高的加熱速率下，溫度分布的均勻性可能是一個問題。另一個模具系統通過開發帶有電感器的局部加熱系統，進一步推動了該技術的發展，實現了組件不同區域的局部加熱/冷卻控制，實現了對具有不同厚度和形狀條件的組件的均勻熱控制。圖16（c）顯示了Surface Generation公司開發的演示模具。這些集成到模具中的額外加熱系統將顯著提高復合材料制造過程的適應性（自由和快速地控制溫度分布）和效率。然而，它們也會同時大大增加模具在結構和制造方面的復雜性，進而可能會帶來模具的可靠性問題，特別是對于航空航天工業中的大型和特大型部件的制造。

 

　　

 

　　圖16（a）帶有冷卻管和加熱管的自加熱模具；（b）（c）感應加熱系統整體和局部說明

 

　　此外，開發具有直接嵌入加熱元件的新模具材料是實現自加熱功能的另一種方法，最近引起了大家越來越多的興趣。圖17顯示了Doyle等人報道的具有嵌入式加熱元件（電阻絲）的典型自加熱模具示意圖。電阻絲用低熱膨脹系數陶瓷膠結物嵌入，并添加高性能熱塑性聚合物（聚醚醚酮）的粘合劑層，以連接CF增強物和陶瓷組。熱塑性組件的加熱能力已有報道，然而，其在熱固性復合材料的長期高溫和高壓條件下固化中的應用還沒有報道，納米技術也被應用于使模具的自加熱功能，其中碳納米管由于其在電、熱甚至機械性能方面的改進而被使用。Boyce等人報道了一種自加熱模具，該模具由導電模具表面和分散的碳納米管組成，分布的鋁電極埋入并絕緣在纖維玻璃和樹脂復合材料的較低層中，通過向電極施加電壓，可以產生電流并通過碳納米管快速加熱模具表面。

 

　　

 

　　圖17 帶有嵌入式加熱元件的自加熱模具組成示意圖

 

　　自加熱模具為高效、低成本的復合材料制造提供了廣闊的前景。然而，目前自熱模具的方法和工藝仍然面臨一些問題：1、引入自熱元件將大大增加工藝的難度，也不利于模具的機械和真空性能，例如。例如，在基體中分散碳納米管的工藝困難，由于納米管/基體或電阻絲/復合材料界面的粘合度不足而造成分層；2、模具的熱穩定性和可靠性尚未得到驗證，例如，產生均勻溫度分布的能力尚未得到驗證；3、高成本和可能的健康、安全和環境問題是未來發展中要考慮的其他重要因素。

 

　　4.1.2 提高強度和使用壽命

 

　　除熱性能外，強度和壽命性能也是限制復合材料模具應用的關鍵因素。人們發現，納米技術是顯著提高復合材料強度和機械性能的潛在途徑, 近十年來已被用于硬化和延長復合材料模具的壽命。通過將這種納米結構合金涂覆到碳纖維復合材料制成的模具表面上，可以同時實現輕質、低熱膨脹系數和高耐久性。通過熱噴涂多孔因瓦合金粘結層，與復合材料模具底座之間實現了良好的粘結，如圖18所示。它是一種有前途的技術，可用于制造具有良好重量、熱和機械性能的模具，特別是用于航空航天工業。該材料仍在開發中，將進一步調整熱膨脹系數以實現與復合材料產品的合理匹配，優化涂層方法以實現復雜結構的均勻厚度表面，降低材料和工藝成本是未來的研究方向。

 

　　

 

　　圖18 由因瓦合金和復合材料組成的模具結構示意圖

 

　　4.2實現附加功能

 

　　復合材料的特性使其在設計和實現新功能方面具有高度的靈活性。復合材料產品的在線傳感成為一個熱門話題，因為它為監測復合材料結構的制造過程和使用壽命性能提供了一種直接的方法，這對航空航天工業中復合材料結構的鑒定和應用非常重要。許多種類的傳感器已經得到開發和研究，它們可以被連接或嵌入到復合材料中進行在線監測。該領域已經發表了一些評論，對目前用于復合材料的傳感器進行了很好的介紹和總結。

 

　　嵌入/附著工藝在復合材料或結構上用于在線監測的侵入性傳感器的關鍵問題是它們可能對結構的性能和健康構成威脅。為了避免這個問題，應在模具中利用這些傳感器來監控復合材料的制造過程，并使復合材料結構的制造具備高質量和可靠性成為一個適當的選擇。耶Yenilmez等人報道了一種將電介質傳一個適當的選擇。Yenilmez等人報道了一種將電介質傳感器網格連接到模具上的方法，以在樹脂傳遞模塑過程中監測復合材料的填充和樹脂固化進度。電子時域反射測量傳感線也被整合到模具中，以實現對復合材料制造的流動和固化程度的非侵入性監測，圖19(a)中可以看到傳感器的附著演示。Dai等人開發了一種基于碳納米管的織物傳感器，該傳感器可以安裝在模具上，以實現二維流動和固化監測，如圖19（b）所示。

 

　　

 

　　圖19（a）傳感器附著在模具上的示意圖；（b）基于碳納米管的織物傳感器安裝在模具上的示意圖

 

　　這些傳感器可以擴展傳統模具的功能，并可用于保證制造的質量和可靠性。然而，傳感器在循環高溫和高壓條件下的耐久性和可靠性需要進一步調查和驗證，保證其滿足在工業生產中的應用。高成本也是限制其在模具行業潛在應用的另一個主要問題。此外，使用增強碳纖維或碳納米管作為電極而不削弱材料強度的自檢測方法是功能復合材料的新發展趨勢，這也可能是模具材料發展的未來趨勢，使制造過程的在線監控能夠承受數千次固化循環。