复合材料成型模具研究进展

【编者按】碳纤维等高性能纤维增强的先进树脂基复合材料，以其比强度和比模量高、热膨胀系数小、可设计性好、易于整体成型等一系列突出的优点，在航空航天结构上得到了广泛的应用，现已成为航空航天四大结构材料之一。值得注意的是，复合材料产品的制造技术迥异于常规的金属材料。

复合材料产品的制造技术迥异于常规的金属材料。复合材料的成型，通常要在模具中完成，在新材料成型的同时，也完成了最终结构（毛坯）的成型。模具决定了制品的几何边界，明确了与其他零部件的关系，在很大程度上影响着制品的内部质量和表面状态，这些都决定了模具在复合材料产品制造过程中起着举足轻重的作用。

然而，复合材料产品的制造工艺种类繁多，常见的有真空袋成型、热压罐成型、模压成型、缠绕成型、拉挤成型、软膜膨胀成型、喷射成型、电子束固化法、渗透成型（如RTM）等，不同的成型方法对模具材料和结构形式有不同的要求，同时又推动着模具技术不断发展。

1、金属框架式模具

框架式模具一般由模板与支承结构组成。模板采用钣金、冲压等工艺成形所需的型面，并要求具有较高的光洁度和密封效果。支承结构一般由金属型材（有时甚至是木材）制成，用于支承和固定位于上面的模板。其内部为空心结构，热容量小，便于热量的传导，且重量较轻，转运方便。这种结构适用于热压罐成型、真空袋成型、真空导入成型等多种工艺。

2、金属单模或组模

除了一些薄制品或者简单零件采用单模外，模压、拉挤、RTM等工艺所用成型模具多为对模等组合结构形式，组合模具各部分需要精密配合、运行到位、定位准确，因而，要求较高的刚度、强度、表面硬度、形位精度等，通常采用碳钢或铝合金材料。

虽然钢和铝表面光滑、致密、硬度大、易于脱模，清理模具时不易损坏，并且耐温性能好，但存在着和复合材料热膨胀系数不匹配的问题（钢的膨胀系数约为12×10-6/℃，铝的膨胀系数约为24×10-6/℃，碳纤维复合材料的膨胀系数一般都低于3.5×10- 6/℃），导致制件型面精度不高，尺寸误差大、固化应力较大。殷钢材料的热膨胀系数可达到2×10-6/℃，可以与复合材料的线膨胀系数相匹配，但是殷钢模具的加工成本较高。

3、膨胀或收缩模

膨胀模主要采用弹性材料，弹性材料的任意赋形特性对于复杂型面或者封闭腔体结构的成型十分便利。膨胀模利用弹性材料在加热过程中的体积膨胀特性，提供复合材料固化成型所需的压力。膨胀模所用材料有含硅或不含硅的橡胶，目前，应用较为成熟且商品化的典型材料是有机硅橡胶。在使用橡胶模时，一般将它设计为成型模的内腔，其外部则采用封闭的刚性结构，有时也采用橡胶作为芯模。

收缩模主要有收缩管和收缩带两种类型，多用于复合材料杆件或长轴类零件的成型。收缩管或收缩带的材料为热收缩塑料，系根据一些高聚物进行辐照处理后产生的“弹性记忆效应”制成，目前常用的有（改性）聚烯烃、聚全氟乙丙稀、聚氟橡胶等。但热收缩模存在一些不足，主要是固化压力控制的准确度低和制品表面的平整性差，以致需要机械加工，大大影响了产品的质量。

4、复合材料模具

在国外航空航天产品中，复合材料模具的应用已经相当普遍。国内航空系统单位对复合材料模具研究较早、产量较大，其他单位包括航天部门使用还比较少。

复合材料模具多半采用碳纤维或（和）玻璃纤维复合材料制成，并可作进一步的修补，因而可将模具制造得十分精确。由于模具材料与制品大体上属于同类材料，因而有效地解决了模具与复合材料制品的热膨胀系数匹配问题，极好地保证了产品尺寸和型面精度，是复合材料成型模具发展的主要趋势。这种模具已大量应用于尺寸与形位精度高或者尺寸超大的复合材料制品。由于模具本身也是复合材料，使得其制造过程具有一定的复杂性和不可知性。

目前，复合材料模具存在的主要问题如下：

（1）复合材料模具的制造工艺复杂，过程控制要求严格，不同工艺方法、甚至不同批次产品质量差异相对较大。

（2）复合材料模具表面密封性较差，特别是当存在制造缺陷（如孔隙率过高）时，极容易出现真空泄漏问题。

（3）复合材料模具的表面硬度较低，易产生机械损伤，胶衣或者镀层易脱落。另外，在起吊、搬运过程中受撞击后容易产生分层、掉渣、变形等问题，影响正常使用。

（4）与一般使用寿命在千次以上的金属模具相比，复合材料模具的使用寿命相对比较短，一般只有几十次左右。当然，国外也有质量良好的复合材料模具使用近千次仍未出现问题的实例。

（5）复合材料模具的制造成本比普通金属模具要高出不少。

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