1.概述

碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料(CFRP)以其優(yōu)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(yè)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)采用碳纖維增強聚合物基復(fù)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(jié)構(gòu)重量已經(jīng)達(dá)到60-90%。日益增長的性能要求(包括機械性能和空氣動力學(xué)性能)正推動這些復(fù)合材料結(jié)構(gòu)向具有復(fù)雜形狀和高尺寸精度的大型或超大型整體結(jié)構(gòu)發(fā)展，這大大增加了相應(yīng)制造技術(shù)的難度。

航空航天工業(yè)中最廣泛使用的碳纖維增強熱固性復(fù)合材料的典型制造工藝是利用高壓釜使其在壓力和熱環(huán)境下固化。一般來說，此項技術(shù)制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的尺寸精度主要受四個方面的影響:I)熱膨脹系數(shù)(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(tài)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(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的收縮；iii)在具有不同熱傳遞的介質(zhì)(空氣或氮氣)中，模具的材料、幾何形狀、結(jié)構(gòu)以及熱交換方式相關(guān)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(chǎn)條件)。

圖1 商用飛機結(jié)構(gòu)中CFRP的應(yīng)用

另兩個因素是由所使用的模具決定的制造業(yè)決定，指出模具在影響復(fù)合材料產(chǎn)品準(zhǔn)確性方面的關(guān)鍵作用。此外，考慮到用機器代替手工鋪層預(yù)浸料的新趨勢，例如用于復(fù)合材料制造的自動纖維鋪放技術(shù)(AFP)。特別是對于大型整體部件，嚴(yán)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(zhì)的承載能力。

由于模具在復(fù)合材料制造中的重要性，與模具制造的相關(guān)技術(shù)經(jīng)歷了持續(xù)的發(fā)展，從20世紀(jì)80年代開始，復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展持續(xù)了幾十年。各種材料(金屬和非金屬）和結(jié)構(gòu)已經(jīng)被開發(fā)并使用在復(fù)合材料生產(chǎn)方面，與此同時，研究人員將注意力集中放在復(fù)合材料附加功能的研究，以提高它們在應(yīng)用中的表現(xiàn)。另外，通過引入新技術(shù)控制復(fù)合材料制造過程中的基體和增強體，用此項技術(shù)研發(fā)的原型模具目前正處于實驗階段。用新的材料和結(jié)構(gòu)，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(zhì)量。然而，目前縱觀工業(yè)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)領(lǐng)域，關(guān)于模具制造工藝的的新型相關(guān)技術(shù)依舊匱乏。

2.1 模具材料的主要規(guī)格

模具制造都經(jīng)歷相同的熱循環(huán)和負(fù)載循環(huán)，復(fù)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(yīng)產(chǎn)品的性能。圖2總結(jié)了與復(fù)合材料制造工藝和產(chǎn)品性能相關(guān)的模具材料的關(guān)鍵性能和規(guī)格，具體在下文中討論。

熱膨脹系數(shù)(CTE)與材料形狀精度。據(jù)研究報道，模具材料在確定復(fù)合材料產(chǎn)品的形狀精度方面起著重要作用，其中，模具材料的CTE是關(guān)鍵因素，模具材料與復(fù)合產(chǎn)品材料之間的CTE差異導(dǎo)致模具和產(chǎn)品之間相互作用，使之在加熱固化循環(huán)后發(fā)生不可避免的變形。有研究指出，在特定的固化復(fù)合材料產(chǎn)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(yīng)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(zhì)量產(chǎn)品，準(zhǔn)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(zhǔn)確性的復(fù)合材料產(chǎn)品成型質(zhì)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(guān)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(jié)構(gòu)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(fā)的工藝，例如AFP工藝，模具需要在AFP機器上旋轉(zhuǎn)，這進(jìn)一步推動了高性能模具材料的發(fā)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(chǎn)大批量產(chǎn)品時，要求其使用壽命是至關(guān)重要的。與模具使用壽命相關(guān)材料的兩個關(guān)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(dǎo)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(guān)鍵因素。

導(dǎo)熱率和熱容量與效率。模具材料的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)熱能力表征了完成固化過程中達(dá)到目標(biāo)溫度所需的能量和時間，這對于工藝效率至關(guān)重要，尤其在大型航空航天工業(yè)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(fù)合材料制造的主要成本之一，包括材料和工藝成本(成型、設(shè)備等)。航空航天工業(yè)中用因瓦合金模具制造某些特殊大型復(fù)雜部件的復(fù)合材料制造的成本最高可達(dá)到成本總值的20%。

有了這些因素，當(dāng)前和開發(fā)對用于制造復(fù)合材料產(chǎn)品的模具材料可以以量化的方式進(jìn)行評估，并將在后文詳述。

隨著對材料性能和精度要求的不斷提高，在航空航天工業(yè)中的復(fù)合材料產(chǎn)品中，模具材料在過去的四十年里不斷進(jìn)化。圖3總結(jié)了制造業(yè)復(fù)合材料模具使用材料的發(fā)展趨勢，可以分為三個階段。

第一階段是在20世紀(jì)80年代左右，先進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)品在航空航天和非航空航天工業(yè)中的應(yīng)用中增長較快。用于傳統(tǒng)模具材料包括木材、石膏和石墨，此外鋁和鋼也是傳統(tǒng)的模具材料，有著成本低和使用壽命長等優(yōu)點。對于高精度的產(chǎn)品要求，玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(GF/EP)由于它們的CTE接近復(fù)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(jì)90年代，隨著全球?qū)︼w機需求量的顯著增長，大規(guī)模生產(chǎn)具有精確氣動表面的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成為一項新的挑戰(zhàn)。提出了對模具有類似復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和CTE的模具材料固化和耐久性研究。1896年發(fā)現(xiàn)的具有“因瓦效應(yīng)”的鎳鐵合金，其在特定鎳含量下可實現(xiàn)非常低的CTE，成為航空航天工業(yè)中復(fù)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(yīng)用中，難加工和成本高等問題，特別是對于低成本的大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(fù)合材料。2000年左右，新型碳纖維增強復(fù)合材料和改性樹脂被專門開發(fā)用于復(fù)合材料模具，例如雙馬來酰亞胺樹脂基的復(fù)合材料Hexcel M61模具，在高達(dá)175–180°C的溫度下，能夠承受300次以上的固化循環(huán)。

從2010年開始，一些新型先進(jìn)材料陸續(xù)有用模具材料的開發(fā)，以實現(xiàn)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(fù)合材料等。

2.3.傳統(tǒng)和當(dāng)前的模具材料

下面討論工業(yè)生產(chǎn)中所使用的模具材料的發(fā)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(fù)合材料和CF/EP復(fù)合材料)。

航空航天復(fù)合材料產(chǎn)品的關(guān)鍵要求之一是精準(zhǔn)度高。根據(jù)這一要求，復(fù)合材料中的模具材料制造業(yè)從鋁和鋼發(fā)展到因瓦合金和復(fù)合材料的模具，與復(fù)合材料CTE更接近的產(chǎn)品。Smith等人已經(jīng)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(jié)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(huán)氧樹脂的兩倍。

表1總結(jié)了與復(fù)合材料制造工藝相關(guān)的傳統(tǒng)模具材料的主要特性?；诒?中的數(shù)據(jù)，可以量化模具的詳細(xì)性能 通過2.1中列出的相應(yīng)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(dǎo)熱率和熱容量與效率等。圖5比較了傳統(tǒng)和用于復(fù)合材料制造的現(xiàn)有模具材料，可以將列出的所有材料中的最大值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化 。例如，CF/EP模具可以實現(xiàn)最高的精度，其精度值設(shè)為1，然后基于CF/EP的CTE對其他材料的精度值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；而最大壽命和溫度值分別設(shè)定為1000次循環(huán)和500°C 性能優(yōu)于那些的材料，它們的值被設(shè)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(shù)的成熟度以及在實際工業(yè)中用于模具材料的普及性。

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(chǎn)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(dāng)前復(fù)合材料工業(yè)的廣泛應(yīng)用的模具之一。與復(fù)合材料擁有類似CTE的因瓦合金可以實現(xiàn)高精度，但是由于具有較差的可加工性和較大的密度導(dǎo)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(fù)合材料產(chǎn)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(huán)氧樹脂和碳纖維、環(huán)氧樹脂等低密度和與復(fù)合材料產(chǎn)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(guī)模生產(chǎn)的需要。此外，為制造具有常規(guī)復(fù)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(guān)一些案例報道。因此，新的聚合物體系具有專為模具材料設(shè)計（如Hexcel M81和 XT200）。

因此，使用因瓦合金和其他先進(jìn)的復(fù)合材料是制造航天工業(yè)中復(fù)合材料的關(guān)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(jié)構(gòu)，復(fù)合材料正成為模具材料選擇的趨勢。圖6總結(jié)了一些模具材料的應(yīng)用案例。

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