4.復(fù)合材料制造的模具功能

如何加強(qiáng)甚至擴(kuò)展制造過程的模具功能，特別是對工藝和質(zhì)量有高要求的先進(jìn)復(fù)合材料的制造，一直是模具技術(shù)研究的熱點(diǎn)。本節(jié)將相關(guān)研究分為兩部分介紹：1、側(cè)重于改進(jìn)模具的傳統(tǒng)功能，如其機(jī)械和熱性能；2、嘗試在模具中實(shí)現(xiàn)新功能，如復(fù)合材料制造過程和產(chǎn)品的在線監(jiān)控功能。

4.1改進(jìn)現(xiàn)有功能

4.1.1自加熱功能

由于高壓釜或烘箱中復(fù)合材料生產(chǎn)的長期固化過程所需的高溫和/或壓力環(huán)境是通過加熱循環(huán)空氣或氮?dú)鈦硖峁┑?，因此需要連續(xù)加熱大量的空氣或氮?dú)猓ㄉ踔吝_(dá)到幾千立方米），這是極其昂貴的，也限制了生產(chǎn)效率。該問題的一個較為流行的解決方案是開發(fā)具有自熱功能的模具，在過去十年中，已經(jīng)在這一領(lǐng)域進(jìn)行了許多試驗(yàn)。在金屬成形領(lǐng)域開發(fā)具有加熱和冷卻功能的模具有著悠久的歷史，其使用內(nèi)部有熱/冷水或油的管道系統(tǒng)來提供自加熱功能，這種技術(shù)也在復(fù)合材料制造中得到了長期的應(yīng)用。韋伯制造技術(shù)公司開發(fā)了一種類似的模具，并將其應(yīng)用于汽車中的復(fù)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(yīng)加熱，具有比傳統(tǒng)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(fù)合材料產(chǎn)品。羅斯蒂公司通過將電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)集成到模具內(nèi)部，開發(fā)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(jù)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(tǒng)通過開發(fā)帶有電感器的局部加熱系統(tǒng)，進(jìn)一步推動了該技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了組件不同區(qū)域的局部加熱/冷卻控制，實(shí)現(xiàn)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(fā)的演示模具。這些集成到模具中的額外加熱系統(tǒng)將顯著提高復(fù)合材料制造過程的適應(yīng)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(jié)構(gòu)和制造方面的復(fù)雜性，進(jìn)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(yè)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(yīng)加熱系統(tǒng)整體和局部說明

此外，開發(fā)具有直接嵌入加熱元件的新模具材料是實(shí)現(xiàn)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(shù)陶瓷膠結(jié)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(qiáng)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(fù)合材料的長期高溫和高壓條件下固化中的應(yīng)用還沒有報道，納米技術(shù)也被應(yīng)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(jī)械性能方面的改進(jìn)而被使用。Boyce等人報道了一種自加熱模具，該模具由導(dǎo)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(fù)合材料的較低層中，通過向電極施加電壓，可以產(chǎn)生電流并通過碳納米管快速加熱模具表面。

自加熱模具為高效、低成本的復(fù)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(jī)械和真空性能，例如。例如，在基體中分散碳納米管的工藝?yán)щy，由于納米管/基體或電阻絲/復(fù)合材料界面的粘合度不足而造成分層；2、模具的熱穩(wěn)定性和可靠性尚未得到驗(yàn)證，例如，產(chǎn)生均勻溫度分布的能力尚未得到驗(yàn)證；3、高成本和可能的健康、安全和環(huán)境問題是未來發(fā)展中要考慮的其他重要因素。

4.1.2 提高強(qiáng)度和使用壽命

除熱性能外，強(qiáng)度和壽命性能也是限制復(fù)合材料模具應(yīng)用的關(guān)鍵因素。人們發(fā)現(xiàn)，納米技術(shù)是顯著提高復(fù)合材料強(qiáng)度和機(jī)械性能的潛在途徑, 近十年來已被用于硬化和延長復(fù)合材料模具的壽命。通過將這種納米結(jié)構(gòu)合金涂覆到碳纖維復(fù)合材料制成的模具表面上，可以同時實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)、低熱膨脹系數(shù)和高耐久性。通過熱噴涂多孔因瓦合金粘結(jié)層，與復(fù)合材料模具底座之間實(shí)現(xiàn)了良好的粘結(jié)，如圖18所示。它是一種有前途的技術(shù)，可用于制造具有良好重量、熱和機(jī)械性能的模具，特別是用于航空航天工業(yè)。該材料仍在開發(fā)中，將進(jìn)一步調(diào)整熱膨脹系數(shù)以實(shí)現(xiàn)與復(fù)合材料產(chǎn)品的合理匹配，優(yōu)化涂層方法以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的均勻厚度表面，降低材料和工藝成本是未來的研究方向。

4.2實(shí)現(xiàn)附加功能

復(fù)合材料的特性使其在設(shè)計和實(shí)現(xiàn)新功能方面具有高度的靈活性。復(fù)合材料產(chǎn)品的在線傳感成為一個熱門話題，因?yàn)樗鼮楸O(jiān)測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(yè)中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的鑒定和應(yīng)用非常重要。許多種類的傳感器已經(jīng)得到開發(fā)和研究，它們可以被連接或嵌入到復(fù)合材料中進(jìn)行在線監(jiān)測。該領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)表了一些評論，對目前用于復(fù)合材料的傳感器進(jìn)行了很好的介紹和總結(jié)。

嵌入/附著工藝在復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)上用于在線監(jiān)測的侵入性傳感器的關(guān)鍵問題是它們可能對結(jié)構(gòu)的性能和健康構(gòu)成威脅。為了避免這個問題，應(yīng)在模具中利用這些傳感器來監(jiān)控復(fù)合材料的制造過程，并使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造具備高質(zhì)量和可靠性成為一個適當(dāng)?shù)倪x擇。耶Yenilmez等人報道了一種將電介質(zhì)傳一個適當(dāng)?shù)倪x擇。Yenilmez等人報道了一種將電介質(zhì)傳感器網(wǎng)格連接到模具上的方法，以在樹脂傳遞模塑過程中監(jiān)測復(fù)合材料的填充和樹脂固化進(jìn)度。電子時域反射測量傳感線也被整合到模具中，以實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料制造的流動和固化程度的非侵入性監(jiān)測，圖19(a)中可以看到傳感器的附著演示。Dai等人開發(fā)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(shí)現(xiàn)二維流動和固化監(jiān)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(kuò)展傳統(tǒng)模具的功能，并可用于保證制造的質(zhì)量和可靠性。然而，傳感器在循環(huán)高溫和高壓條件下的耐久性和可靠性需要進(jìn)一步調(diào)查和驗(yàn)證，保證其滿足在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。高成本也是限制其在模具行業(yè)潛在應(yīng)用的另一個主要問題。此外，使用增強(qiáng)碳纖維或碳納米管作為電極而不削弱材料強(qiáng)度的自檢測方法是功能復(fù)合材料的新發(fā)展趨勢，這也可能是模具材料發(fā)展的未來趨勢，使制造過程的在線監(jiān)控能夠承受數(shù)千次固化循環(huán)。

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