石墨模具在復(fù)合材料成型領(lǐng)域的應(yīng)用研究

劉甲秋，遲 波

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

石墨模具在復(fù)合材料成型領(lǐng)域的應(yīng)用研究

劉甲秋，遲 波

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

石墨材料具有良好的熱傳導(dǎo)性，耐高溫、耐腐蝕，熱穩(wěn)定性能好，熱膨脹系數(shù)低，摩擦系數(shù)小，這些都便于樹脂基復(fù)合材料的成型和脫模，并可獲得較高精度的制品。本文介紹了石墨材料的特點(diǎn)及在模具加工領(lǐng)域的應(yīng)用，制造了尺寸相同的石墨模具及金屬模具，按照相同的成型工藝分別成型出碳纖維復(fù)合材料制品，并進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：石墨模具比金屬模具更適合成型精度要求比較高的復(fù)合材料制品。

復(fù)合材料；低膨脹模具；石墨模具

1 引 言

復(fù)合材料問世以來，以其輕質(zhì)、高強(qiáng)的優(yōu)異力學(xué)性能和其材料本身獨(dú)特的可設(shè)計(jì)性得到航空、航天等眾多制造工業(yè)的青睞。尤其在航空、航天領(lǐng)域，復(fù)合材料在飛行器結(jié)構(gòu)上的用量已然成為了評(píng)價(jià)其是否先進(jìn)的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。隨著近幾十年來航空、航天事業(yè)的發(fā)展，我們對(duì)復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制造有了更加深入的認(rèn)識(shí)，復(fù)合材料構(gòu)件逐漸趨于大型化、整體化[1]。與此同時(shí)，也對(duì)復(fù)合材料的制造工藝、尺寸精度及穩(wěn)定性等方面提出了更高的要求。傳統(tǒng)復(fù)合材料模具都是由金屬材料制作，然而從模具制作及使用過程來看，傳統(tǒng)的金屬材料具有模具質(zhì)量大，制作型面復(fù)雜模具的難度高，以及在成型復(fù)合材料時(shí)金屬模具與復(fù)合材料構(gòu)件之間的熱膨脹系數(shù)不匹配、構(gòu)件制造精度難以提高等缺點(diǎn)，因此，尋找金屬模具的替代材料成為復(fù)合材料成型模具制造的新思路。石墨以其良好的物理和化學(xué)性能逐漸成為模具制作的首選材料[2]。

2 石墨的特點(diǎn)及在傳統(tǒng)模具加工 中的應(yīng)用

石墨是一種結(jié)晶形碳，其特點(diǎn)：①優(yōu)良的導(dǎo)熱及導(dǎo)電性能；②耐化學(xué)腐蝕，與多數(shù)金屬不易發(fā)生反應(yīng)；③熱膨脹系數(shù)低，具有很好的熱穩(wěn)定性；④具有良好的潤滑和抗磨性；⑤在高溫下(在多數(shù)銅基胎體燒結(jié)溫度800℃以上)強(qiáng)度隨溫度升高而增大；⑥機(jī)械加工性能好，可以制作成形狀復(fù)雜、精度高的模具。

目前，石墨模具主要在6個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用：

(1)有色金屬連續(xù)鑄造及半連續(xù)鑄造用石墨模具。因其導(dǎo)熱性能良好，模具的自潤滑性能好等因素，不但可以使鑄錠的尺寸精確，表面光滑，結(jié)晶組織均勻，而且使鑄型速度提高，可直接進(jìn)行下道工序的加工。這大大提高了成品率，使產(chǎn)品質(zhì)量也有大幅度的提高。

(2)加壓鑄造用模具：人造石墨材料已成功地用于有色金屬的加壓鑄造上。例如，用人造石墨材料制造的加壓鑄造用模具生產(chǎn)的鋅合金和銅合金的鑄件已用于汽車零件等方面。

(3)離心鑄造用石墨模具：石墨模具已成功應(yīng)用于離心鑄造上。美國已采用壁厚為25 mm以上的人造石墨鑄模來離心鑄造青銅套管。

(4)熱壓壓模模具：人造石墨熱壓壓模用于硬質(zhì)合金的加壓燒結(jié)方面具有2個(gè)特點(diǎn)：①若壓制溫度提高到1 350～1450℃時(shí)，則所需單位壓力可降到冷壓壓力的1/10；②加壓和加熱在同一道工序進(jìn)行，經(jīng)短時(shí)間的燒結(jié)就能得到致密的燒結(jié)體。

(5)玻璃成型用模具：石墨材料近年來在玻璃制造中成為不可缺少的模具材料，可以用它來制造玻璃管、彎管、漏斗及其它各種異型玻璃瓶的鑄模。

(6)燒結(jié)模及其它金剛石燒結(jié)模具：利用人造石墨材料熱變形極小的特點(diǎn)，可制造晶體管的燒結(jié)模具和支架，現(xiàn)已廣泛使用，它已成為發(fā)展半導(dǎo)體工業(yè)不可缺少的材料。

3 石墨在復(fù)合材料成型模具中的應(yīng)用

石墨是熱的良導(dǎo)體，耐高溫、耐腐蝕，熱穩(wěn)定性能好，熱膨脹系數(shù)低(表1)，摩擦系數(shù)小，這些都便于樹脂基復(fù)合材料的成型和脫模，并獲得較高精度的制品。并且石墨模具的導(dǎo)熱率高，傳熱迅速，與鋼等金屬接近，而且它的熱質(zhì)量小，因而接近復(fù)合材料的熱質(zhì)量，即單位體積升高1℃所需的熱量相等。另外，石墨模具在加工或機(jī)加成型過程中沒有殘余應(yīng)力，不需要應(yīng)力釋放周期，對(duì)大型模具來說，可以顯著的縮短加工周期。

表1 常用模具加工材料及復(fù)合材料性能對(duì)比

國外某些公司已經(jīng)生產(chǎn)了許多石墨模具用于制作復(fù)合材料零件、國外的某些高精度衛(wèi)星天線反射器也常常采用石墨模具進(jìn)行生產(chǎn)。國內(nèi)使用石墨模具生產(chǎn)復(fù)合材料產(chǎn)品的信息亦鮮有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[3]。

4 使用石墨模具進(jìn)行復(fù)合材料成型的應(yīng)用

針對(duì)樹脂基復(fù)合材料，我們采用石墨模具通過預(yù)浸料鋪放，對(duì)模加壓成型的方式生產(chǎn)了單向板、層合板。模具采用陰、陽模形式，通過銷孔定位、螺栓加壓的對(duì)模模具方案。

在碳纖維復(fù)合材料單向板、層合板制作過程中發(fā)現(xiàn)由于石墨氣孔率較大，產(chǎn)品固化過程中樹脂浸到石墨模具氣孔中，從而造成產(chǎn)品脫模困難；而且模具加壓時(shí)有可能會(huì)造成模具脆裂。后續(xù)我們通過反復(fù)改進(jìn)工藝，解決了樹脂浸潤的問題。

為避免石墨機(jī)械強(qiáng)度較低、脆性大、抗沖擊性能差的缺點(diǎn)我們采用預(yù)浸料鋪放、熱壓釜加壓固化成型工藝制作了XX飛機(jī)蒙皮用零件，并與采用金屬模具生產(chǎn)的復(fù)合材料零件進(jìn)行了對(duì)比。金屬模具和石墨模具采用同一三維模型進(jìn)行數(shù)控加工，材料為Q235鋼板。2個(gè)復(fù)合材料零件所用材料均為T700碳纖維/TDE-85環(huán)氧樹脂，鋪層角度、厚度，固化時(shí)間及固化溫度均相同。(產(chǎn)品輪廓尺寸為420×383.5×15 mm)。

圖1 石墨模具制作的復(fù)合材料零件

圖2 金屬模具制作的復(fù)合材料零件

通過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)石墨模具成型的零件較金屬模具成型零件表面光滑、飽滿。石墨模具成型的零件尺寸精度較金屬模具成型制品有一定提高，石墨模具成型的零件脫模后再重新裝入到模具中型面配合較好，而金屬模具成型的零件較難重新放回到金屬模具中。說明了石墨模具比金屬模具更適合成型精度要求比較高的復(fù)合材料制品。2個(gè)制品的尺寸測(cè)量的結(jié)果也證明石墨模具成型的制品具有更高的尺寸精度。

5 結(jié) 語

模具是影響復(fù)合材料質(zhì)量、成本以及周期的重要環(huán)節(jié)。有些航空航天器用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件外形非常復(fù)雜、精度要求極高，比如大型飛機(jī)的蒙皮、可展天線骨架、加筋壁板、光學(xué)遙感相機(jī)支架、進(jìn)氣道等，這些產(chǎn)品的成型和脫模對(duì)模具的熱膨脹方面有著特殊要求。在此背景下石墨模具作為成本相對(duì)較低、低膨脹模具的代表具有廣闊的應(yīng)用前景及研究發(fā)展空間。

[1] 張惠麗. 復(fù)合材料成型模具的新進(jìn)展[J].航天工藝,1992(1):38-39.

[2] 王永軍. 先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型模具和工裝技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù),2003(10):33-34.

[3] 章令暉，李甲申，韓宇，等.復(fù)合材料成型模具研究進(jìn)展[J].航天制造技術(shù),2013,2(1):16-17.

Research on Graphite Mould in the Composite Molding Field

LIU Jiaqiu，CHI bo

(Harbin FRP Institute,Harbin 150036)

Graphite materials have good thermal conductivity, high temperature resistance, corrosion resistance, good thermal stability, low thermal expansion coefficient, small friction coefficient. These are easy molding and stripping mould of resin matrix composites and to obtain higher accuracy of products. This paper introduces the characteristics of graphite material and the application in the mold processing field. Using the same size of graphite mold and metal mold and the same process form the carbon fiber composite material products, and compare the two products.The results show that, graphite mold is more suitable for molding with high precision composite material products than the metal mould.

composite material; low expansion mold；graphite mold

2015-03-11)

劉甲秋(1985-)，男，黑龍江慶安縣人，工程師。研究方向：復(fù)合材料工藝研究。E-mail：liujiaqiu2007@126.com.