復合材料模具技術

（中航復合材料有限責任公司，北京 101300）

先進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)構上得到了廣泛應用，現(xiàn)已成為航空航天四大結(jié)構材料之一[1]。復合材料在航空航天部門的廣泛應用極大地促進了航空航天技術的發(fā)展，反過來，也促進了復合材料成型模具技術的進步。模具是制造復合材料構件的基礎，直接影響其最終狀態(tài)和質(zhì)量。復合材料構件的外形、尺寸及與其他構件的配合精度等要靠模具保證，這些都決定了模具在復合材料構件制造過程中起著舉足輕重的作用。

1 復合材料模具

傳統(tǒng)復合材料成型模具由金屬材料制作，主要原因是金屬具有高強度、高剛度、尺寸穩(wěn)定性好、加工性好，適用于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點[2-3]。隨著復合材料構件外形準確性和尺寸精度的不斷提高，原有金屬模具材料的性能已經(jīng)不能很好地滿足高精度成型模具的需要。在這種背景下，復合材料模具（本文指碳纖維復合材料模具）應運而生，并且得到了迅速發(fā)展。目前，在歐美發(fā)達國家的航空航天部門，復合材料模具的應用已經(jīng)相當普遍。在國內(nèi)，除了中航工業(yè)哈飛采用復合材料模具比較早、使用比較多之外，其他企業(yè)以及航天部門用得還比較少。但是，隨著高性能復合材料航空航天結(jié)構件的大量應用，各有關研究院所和企業(yè)積極研究和試驗使用復合材料模具，因此復合材料模具也很快會成為國內(nèi)復合材料構件的主要成型模具。

2 復合材料模具的主要優(yōu)點

2.1 熱膨脹性能匹配

復合材料模具最大優(yōu)點是熱膨脹系數(shù)小，且與復合材料的熱膨脹系數(shù)比較相匹配，從而可以獲得外形準確性和尺寸精度符合設計要求的構件。為了更深入地認識模具材料的熱膨脹性能對復合材料構件質(zhì)量的影響，首先分析在復合材料構件固化成型過程中，模具與構件之間相互關系發(fā)生變化的過程：開始加熱時，隨著溫度的升高，模具受熱膨脹，其尺寸跟著增大，這時的構件坯料還是軟的，所以它也跟著模具一起增大；繼續(xù)升溫，在樹脂體系的凝膠溫度下，受熱膨脹的模具與構件坯料具有相同的尺寸，這時的樹脂體系只有部分固化，性能還比較低；當加熱到最后的固化溫度時，模具和半固化的構件坯料以各自的熱膨脹率膨脹，如果它們的熱膨脹率不同，構件中將產(chǎn)生內(nèi)應力；在保溫階段，構件在已經(jīng)膨脹到最大尺寸的模具中得到進一步固化；保溫結(jié)束后，從固化溫度開始冷卻至室溫的過程中，模具和構件都以各自的收縮率收縮。如果它們的收縮率不同，構件的最后尺寸將與模具的尺寸不同。

從以上固化過程模具與構件坯料之間關系的變化可以清楚地看出，當模具與構件的熱膨脹系數(shù)之間存在差異時，將直接影響構件的外形準確性、尺寸精度和內(nèi)部質(zhì)量，實際生產(chǎn)中得到的數(shù)據(jù)清楚地說明了這一點。表1為長度為7m的復合材料構件在200℃成型時，幾種常用模具材料受熱膨脹的尺寸增長數(shù)據(jù)。顯然，在選擇復合材料構件成型模具的材料時，熱膨脹系數(shù)是必須考慮的首要因素，而且尺寸越大的復合材料構件越是應該選擇熱膨脹性能相匹配的復合材料模具。據(jù)報導，長達18m的Delta-Ⅲ型運載火箭整流罩成型時，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 幾種常用模具材料熱膨脹系數(shù)及相應條件下尺寸的增長數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，在常用的模具材料中，鋁合金的熱膨脹系數(shù)最大。而INVAR合金的熱膨脹性能與碳纖維復合材料比較相近。由于INVAR合金的熱膨脹系數(shù)很小，用它制作的成型模具與復合材料構件的熱膨脹性能相匹配，而且使用壽命長，是最具有競爭力的一種模具材料，也是在歐美國家用得比較多的一種模具材料，特別是以聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺等高溫樹脂為基體的復合材料構件多半采用這種材料制作的模具進行成型制造。INVAR合金的主要問題是加工比較困難，而且價格昂貴。

2.2 密度小

復合材料的密度比較小，用其制造的模具質(zhì)量比較輕。由于碳纖維復合材料具有高強度、高模量和低密度等特點（見表2），所以用它制作的模具成型面厚度可以做得很薄，一般只有6mm左右，最厚不會超過9mm。因此即使是大型復雜的復合材料模具，其重量也非常輕，易于搬運，方便使用。曾有報導，歐洲空中客車公司的A320飛機復合材料垂直尾翼原計劃采用低碳鋼制作其成型模具，但經(jīng)過設計計算，鋼模具太重，超過了德國MBB公司當時的熱壓罐和起吊設備的承受能力，后來改用復合材料模具，不但很好地解決了模具重量問題，而且高質(zhì)量地制造出當時全球最大的民用客機復合材料構件。

表2 幾種常用材料的密度和拉伸性能

與金屬模具對比，復合材料更輕。隨著復合材料構件越來越大，金屬模具過重問題給加工廠帶來了新的挑戰(zhàn)。因此，許多制造商轉(zhuǎn)而采用復合材料模具以降低質(zhì)量，同時避免較高的鎳鋼加工成本。在材料技術日新月異的今天，復合材料模具在不久的將來就可能替代相當部分的金屬模具成型大型制件。

2.3 熱容小

復合材料模具加熱固化時所需熱量比較小。碳纖維復合材料的比熱容一般大于金屬材料（見表3）。由于復合材料模具的質(zhì)量比金屬材料要輕，特別是比碳鋼和INVAR鋼模具要輕得多，因此在固化成型加熱時，復合材料模具所需要的熱量遠小于INVAR合金等金屬材料模具，它可以按要求以比較快的升溫速度進行加熱固化，可以在較短的固化周期內(nèi)完成復合材料構件的固化成型，從而可以節(jié)約能源和工時，降低制造成本。

表3 幾種常用模具材料的比熱容

2.4 可修復性好

復合材料模具具有較好的可修復性。復合材料模具一旦損壞(如沖擊損傷、真空泄漏、表面劃傷等)，能在較短的時間內(nèi)、以較低的成本修復好。而金屬模具受損斷裂或變形后，一般很難修復。

2.5 制造成本相對較低

復合材料模具的制造成本比鋼模具和鋁合金模具還是要高得多，但是比起INVAR合金模具則要低一些，特別是模具的形狀比較復雜和需要的模具數(shù)量比較多時，其成本會更加低。復合材料模具是在母模上成型出來的，而且一個母?？梢猿尚投鄠€模具。母模的制造成本基本上與模具的成本相當，但它的成本是非重復成本，一次性投入制造出母模之后，生產(chǎn)的模具數(shù)量越多，分攤在每個模具上的母模制造費用就越少，所以每個模具的制造成本就越低。

2.6 低溫固化高溫使用

復合材料模具預浸料具有低溫固化高溫使用的特點。目前的模具預浸料一般可以在60℃甚至更低的溫度下進行固化，脫離母模后，模具呈自由狀態(tài)下進行后固化后可以在高溫下使用。模具預浸料可在低溫下完成固化這一特點拓寬了母模材料的可選擇范圍，使得一些價格低廉的材料，如石膏、木材等也可以用于母模的制造，從而降低母模的造價。

3 復合材料模具存在的主要問題

復合材料模具本身也是復合材料制品，使得其制造過程具有一定的復雜性。目前，復合材料模具存在的主要問題如下：

（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；

（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）與一般使用壽命在上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；

（5）復合材料模具的制造成本比普通金屬模具要高出不少。

4 復合材料模具制造工藝

復合材料模具一般用預浸料制作，具有高的纖維體積分數(shù)，低的熱膨脹系數(shù)，易加工和極小的毒性等優(yōu)點。國外已成功將低溫固化高溫使用的樹脂體系制成各種纖維織物增強的預浸料，然后將預浸料鋪放于事先制作好的石膏或手糊成型的母模之上。這些母模通常制作價格低廉，在能夠保證母模的結(jié)構強度及剛度的溫度范圍內(nèi)（一般不高于90℃）初步固化成型。然后將復合材料模具從母模脫離，在逐漸升溫條件下保持形態(tài)進一步固化，直至完全固化。這樣制作復合材料模具可降低對母模材料的耐溫要求。此工藝制作的復合材料模具氣密性好、尺寸精度高、表面質(zhì)量高、耐用。

另外，HEXCEL公司新近推出了一種可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)模具材料的高性能復合材料模具HEXTool。這種模具材料和該公司的另一種材料HEXMC相似，是一種由短切單向碳纖維/環(huán)氧預浸帶構成的模壓成型氈。制作模具時，先將該種預浸料鋪放在具有所需形狀和尺寸的母模上，然后置于熱壓罐中固化得到一個模具的毛坯，該預浸料固化后可通過機械加工滿足模具所需尺寸和表面精度要求，并且通過拋光處理達到模具所需的表面要求。這種方式制作的復合材料模具相對于金屬模具具有更輕的質(zhì)量、更快的加熱和冷卻速率，可像金屬一樣進行機器加工，加工性能好，熱膨脹系數(shù)和碳纖維/環(huán)氧復合材料匹配，氣密性好，易修補。另外，該類高性能MBI樹脂具有極高的耐熱性，使用壽命更長（200℃工作條件下可使用5000h）。據(jù)悉，這種材料已用于未來空中客車A350XWB的復合材料機身面板模具，美國某公司也經(jīng)選用該種材料和工藝為波音787的一個項目制作模具。

5 復合材料模具發(fā)展動向

復合材料模具技術的發(fā)展是以提高其使用壽命、降低制造成本為總目標。目前，各家復合材料模具材料制造公司都為實現(xiàn)這個總目標而從母模材料、模具預浸料以及模具設計與制造工藝等方面投入相當?shù)馁Y金和人力，積極開展研究與開發(fā)。

5.1 新材料研究

新材料的出現(xiàn)能夠簡化復合材料模具制造工藝，降低成本，提高模具質(zhì)量。在這方面英國先進復合材料公司 （ACG）開展了大量研究工作，該公司開發(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。這種預浸料不但保留織物原有的良好鋪貼性能，而且提高了鋪貼過程的排氣效果。采用這種預浸料制成的復合材料模具表面光潔、孔隙率低、密封性好。此外，這種預浸料的鋪貼性能優(yōu)異， 比常規(guī)預浸料節(jié)約1/2以上的鋪貼時間，且無需進行真空排除氣泡和預壓實等操作。目前，zpreg預浸料已大量用于制造復合材料制品及其成型模具，取到了良好的效果。

采用碳氈制作復合材料模具也是一種可行的途徑。與傳統(tǒng)復合材料相比，易于實現(xiàn)模具表面尺寸的變化與過渡，因而更適于制造各種形狀復雜的模具。同時由于便于機械加工和修補，也適合制造批量化產(chǎn)品的復合材料模具。

英國Amber公司、ACG公司、美國Cytec公司、瑞士Gurit公司均開發(fā)了專門用于制造復合材料模具的中、低溫固化高溫使用的預浸料。有的材料在60～80℃甚至更低溫度下固化，脫模后經(jīng)高溫后處理，可在180～240℃的環(huán)境溫度下連續(xù)使用且保持較高穩(wěn)定性。美國Comtool Tech公司用SiO2為基體研制 C/SiO2模具預浸料，其使用溫度甚至可達1150℃。

5.2 提高使用壽命

提高模具的使用壽命，主要是提高模具工作面的硬度和強度以提高其抗損傷能力，降低孔隙率以消除真空泄漏現(xiàn)象，常見的方法是涂覆膠衣或者金屬膜層。ACG公司開發(fā)了一種超高硬度的膠衣層材料，并涂覆在復合材料模具表面，這將大大提高復合材料模具表面抗摩擦和沖擊損傷的能力。

復合材料孔隙包括夾層孔隙、乏樹脂孔隙、未浸潤孔隙和小分子氣化孔隙等，其中樹脂內(nèi)部小分子氣化和工藝組合過程帶入的空氣是孔隙形成的主要原因，往往很難杜絕。根據(jù)實際經(jīng)驗，在模具工作面的坯料疊層內(nèi)嵌入氣密性較好的彈性薄膜，并在模具連接部位填充真空密封膠帶，可以徹底解決真空泄漏問題。

5.3 降低制造成本

母模材料有木材、石膏、玻璃纖維復合材料、高密度硬質(zhì)聚胺酯泡沫塑料和環(huán)氧樹脂泡沫塑料等。為降低母模的制造成本并縮短生產(chǎn)周期，國外正在研發(fā)性能更好，更容易加工，而價格又更低廉的新型母模材料。同時，更新母模設計概念，使其制造成本進一步降低[4]。

5.4 提高型面精度

為了進一步提高復合材料模具的尺寸準確性和形位精確度，一方面需要從設計、材料和成型工藝等環(huán)節(jié)進行研究，進一步提高模具的制造質(zhì)量;另一方面，需要研究復合材料模具工作表面進行后加工的可能性，即模具固化成型后，再對其成型表面進行精密或超精加工，以滿足高精度產(chǎn)品的固化成型需要。

6 結(jié)束語

復合材料模具已逐漸形成產(chǎn)業(yè)，并處在高速發(fā)展階段。復合材料模具的應用使得生產(chǎn)復合材料構件的工藝得到優(yōu)化，生產(chǎn)周期隨之縮短，產(chǎn)品質(zhì)量得到提升，復合材料生產(chǎn)步入了更快的發(fā)展階段。未來，復合材料模具將代替更多金屬模具，并將更廣泛應地用于航空航天領域。

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