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      復合材料模具在材料成型領域中的發展
        瀏覽次數:4513  發布時間:2023年09月06日 10:43:04
      [導讀] 如今復合材料的諸多優勢已經被慢慢發掘,而隨著復合材料的發展,復合材料模具的選擇就成為制作高質量復合材料的關鍵,相比于其他復合材料模具,復合材料模具以其低的熱膨脹系數,質量輕、熱容小等優點慢慢開始用于制造復合材料,雖然復合材料模具目前仍然存在一些問題,但在將來,隨著新材料的發現,成本的降低等,復合材料模具將被廣泛運用于制造復合材料產品。
       李耀虎
      (武漢紡織大學, 湖北 武漢 430200)

      摘 要:如今復合材料的諸多優勢已經被慢慢發掘,而隨著復合材料的發展,復合材料模具的選擇就成為制作高質量復合材料的關鍵,相比于其他復合材料模具,復合材料模具以其低的熱膨脹系數,質量輕、熱容小等優點慢慢開始用于制造復合材料,雖然復合材料模具目前仍然存在一些問題,但在將來,隨著新材料的發現,成本的降低等,復合材料模具將被廣泛運用于制造復合材料產品。
      關鍵詞:復合材料 復合材料模具 金屬模具 碳纖維復合材料 復合材料模具工藝

      引言
      復合材料因其良好的力學性能和本身的特點受到各個領域的青睞,而隨著復合材料的發展,越來越多的復合材料零件出現結構復雜,精密度要求高的特點,而傳統的模具已經開始無法滿足高要求的構件,而由于復合材料相近的熱膨脹系數,低密度等的特點,復合材料模具開始成為構件制作的選擇。研究復合材料模具的研究能夠更好地了解復合材料構件的發展。

      一、不同模具在復合材料制造中的優缺點
      鋁合金模具具有密度低,致密性好,良好的熱傳導性能,使得鋁合金升溫快,在構件制造中能更好的加熱成型,但在制作復合材料構件時,由于其膨脹系數與復合材料的膨脹系數差異過大,導致在制造構件時會產生較大內應力,使得復合材料產生變形,不利于復合材料構件性能的穩定性。機械加工合金鋼模具雖然具有良好的耐久性,并且熱膨脹系數比鋁合金低50%,但其質量大、升溫性能低、溫度分布不均勻,容易產生應力,因此難以用于制造高精度的復合材料制品。

      鎳電鑄模具具有比合金鋼模具密度低,熱傳導性能好,熱升溫性能好,并且可以制造復雜型面的優點,但其模具本身的制備加工周期長,零件維修困難,其熱膨脹系數為 12.3×10- 6/℃,遠高于復合材料的熱膨脹系數,導致也不適用于制備高精度的碳纖維復合材料(熱膨脹系數為 2~4×10- 6/℃)和芳綸纖維復合材料制品[1]。

      石墨模具的導熱率高,升溫效果好,雖然石墨的導熱速率沒有鋁合金和其他金屬模具高,但石墨模具的熱膨脹系數與芳綸纖維復合材料,碳纖維復合材料相匹配,因此適用于復合材料構件的加工,其次石墨模具的熱質量低,與復合材料相近,使得石墨模具在升溫時在單位體積內所需要的熱量和復合材料相同,但石墨模具的強度和耐磨耗性低,脆性大,抗沖擊性能差,容易受到損傷,不利于制作大型或者復雜的型面,且其真空性差,成本高,制造周期較長,并且在大批量加工生產存在困難。

      二、復合材料模具的優點
      (一)熱膨脹系數匹配良好
      由于復合材料的熱膨脹系數小,因此在使用金屬模具的時候,由于金屬的熱膨脹系數太大而復合材料的熱膨脹系數較小,在加熱固化時可能會產生內應力,而復合材料模具由于也是用復合材料制成,使得復合材料模具與復合材料構件的熱膨脹系數相差不大,能夠在固化的時候更加適應,減小殘余應力的產生。因為在加熱固化的時候,隨著溫度的升高,模具會受熱產生膨脹,進而尺寸會發生變化,導致尺寸變大。因此制造尺寸也會隨著發生變化。當固化完成后,隨著溫度的降低,模具和固化好的制件會發生收縮,若成型模具材料和制件材料的熱膨脹系數差距過大,使制品和模具之間產生內應力,則必然會使兩者見尺寸產生偏差,而當模具是由復合材料制成時,由于復合材料模具和制品的熱膨脹系數相匹配,使復合材料模具在熱膨脹和降溫收縮的過程中的尺寸變化對制品影響較小,對于制造構件,熱膨脹系數不僅會對構件的尺寸帶來影響,還會使構件產生變形,脫模的問題。

      從構件在加熱固化使模具和其構件膨脹中可以知道,當模具和構件固化時熱膨脹系數相差過大時,由于內應力的存在,將會對構件的精密度,構件的尺寸產生影響,使得所制得的構件與設定的構件產生偏差,構件報廢。下頁表 1 為長度為 7 m 的復合材料構件在 200 ℃成型時,幾種常見復合材料模具的熱膨脹系數和受熱時模具的增長長度,由表中可得,當熱膨脹系數越大,其模具在加熱時尺寸變化就越大,對構件的影響也越大,并且與低碳鋼和鋁合金相比,碳纖維復合材料的熱膨脹系數更低,因此在制作復合材料構件時模具對構件的影響更小。在制作復合材料構件時應選擇熱膨脹系數相匹配的材料。據報道,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
      表 1 常用模具材料的熱膨脹系數及其模具尺寸的增長數據

      表 1 是各種材料成型模具的熱膨脹系數,從表中可知,鋁合金的熱膨脹系數最大。而 invar 合金的熱膨脹系數很小,用他做成型模具可以很好地與復合材料構件的熱膨脹系數相匹配,得到較好的尺寸精度,這是最具有競爭力的一種材料成型模具,但invar合金的缺點是加工較難,且價格昂貴。

      (二)熱容小
      復合材料模具的比熱容大,因此在單位質量下,升高一度所需的熱量就越大,但由于復合材料的密度遠小于金屬材料,導致在生產過程中,復合材料模具的質量遠小于金屬材料模具,使得模具的熱容比金屬材料更小,在實際生產過程中,由于復合材料熱容更小,導致復合材料模具所需的熱量就更少,能更加快速升溫讓構件固化,在更短的時間內完成生產加工,降低了工時,節約了能源,節約了構件生產成本。

      (三)密度小
      因為復合材料的密度小,復合材料密度僅為鋼材的1/4左右,見表2。因此,用復合材料制造生產的模 具質量都比較輕,因此在使用的過程中便于運輸。且 由于碳纖維復合材料具有高強度,高模量,低密度等 特點,所以用它制作的模具成型面厚度一般在6~9 mm之間,非常薄,即使是大型復雜的模具也非常輕,方便搬運和使用[2]。

      表2
      表 2 幾種常見模具材料的密度及拉伸強度

      (四)尺寸熱穩定性好
      當模具型面非常復雜且尺寸較大時,若用金屬模具生產大型型面時,由于金屬模具質量大,使用過于笨重,鋁液充型時間過長,導致生產的構件表面內部有氣孔或者疏松等缺陷,降低了構件的力學性能,也影響了復合材料構件的氣密性。若采用復合材料模具生產,由于合材料模具是由母模翻制而成,并且母模的生產加工難度遠小于金屬材料,此外還可以在復合材料模具表面噴鍍金屬,降低了復合材料構件表面的粗糙度。

      三、復合材料模具存在的問題
      (一)工藝復雜
      相比于金屬材料模具,復合材料模具在制造中需要母模,而在母模具的制造過程中,模具的選材受到制造成本和時間,幾何形狀、質量、升溫速度和模具精度等影響,此外模具制造還需要較高的固化溫度和壓力,因此要求母模具在這樣的高溫高壓下保持穩定,因此對復合材料的選擇提供了一定的困難。而復合材料在溫度越低時,其內應力越小。為了減少復合材料模具的內應力,科學工作者研究出了多種低溫固化方法。
      (二)表面硬度較低
      相比于金屬材料模具,復合材料模具的表面硬度較低,當受到碰撞時容易造成機械損傷,膠衣或鍍層的脫落,從而降低復合材料模具的精度,在制作復合材料構件時會影響復合材料構件的精密度。另外在起吊,運輸過程中受到撞擊容易產生分層,掉渣,變形等問題,導致復合材料模具損壞,影響其正常使用。
      (三)使用壽命短
      相比于其他金屬材料模具來說復合材料模具使用壽命相對較短,復合材料模具的使用壽命一半只有十幾次,而金屬材料模具的使用壽命一般有上千次,進而導致需要大量制造復合材料模具,導致復合材料模具成本變相增加,而復合材料模具由于制造工藝比較復雜,其復合材料模具產品質量不等,可能導致構件精度存在些許差異。雖然,目前在國外存在使用壽命較高,質量良好的復合材料模具,但目前還沒有出現使用近千次還未出現問題的例子[3]。
      (四)成本較高
      雖然復合材料模具較金屬模具有較多優點,但由于復合材料模具較為繁瑣的制作流程和復雜的工藝,其制造成本還是比普通金屬模具要高不少。

      四、復合材料模具的發展方向
      (一)新技術和新材料的研發
      新技術的開發能夠在保證質量的同時降低復合材料構件的生產周期,從而減少復合材料的生產成本,提高復合材料生產效率。而復合材料生產與新技術的結合可以在生產復雜型面時更加便利,也能完成多種材質,多種形狀,多種功能的模具制作和生產。此外新材料的研發可以降低成本,提高模具質量。在這方面英國先進復合材料公司(ACG)開發的一種商品名為 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,而且提高鋪貼過程的排氣效果。
      (二)使用壽命的延長
      由于復合材料模具本身的使用壽命不高,因此我們希望能夠提高復合材料模具的使用壽命,而在復合材料的使用中,當孔隙過多,復合材料的強度就會下降,因此提高使用壽命的方法主要就是提高模具的硬度和強度來提高復合材料的抗損傷能力,并且減少孔隙對復合材料的影響,常見的方法就是涂覆膠衣或者金屬膜。復合材料的孔隙主要包括泛樹脂空隙,夾層孔隙,未浸潤孔隙和小分子氣化孔隙等,其中在固化工程中樹脂中小分子氣化中帶入的空氣是復合材料構件孔隙形成的主要因素。因此在實際操作中往往嵌入氣密性良好的彈性薄膜來解決空氣進入產生孔隙的問題。
      (三)成本的降低
      復合材料模具都是由母模所制成,一個母??梢灾圃煸S多的模具,當固定成本一定時,生產的模具越多,復合材料模具本身的成本也就越低,其次在選擇模具時應選擇最適合生產復合材料的,要對復合材料的性能及其使用壽命進行一個了解,選擇合適的模具也可以降低制造成本,還能降低生產周期,避免復合材料生產的浪費。
      (四)復合材料模具結構的改進
      在復合材料的生產中,由于成型模具和構件之間在壓力罐的作用下始終緊緊合在一起,因此成型模具表面的溫度變化對構件的影響很大,如果復合材料上存在溫度梯度,就會產生溫度的不均勻,導致其構件固化不一致,形成殘余應力,嚴重則可能導致材料的報廢。目前將改進復合材料的結構來減小復合材料上溫度梯度的產生,根據花蕾蕾等人的實驗,其采用階梯形非等厚型板通過在高溫區域將板的厚度進行階梯形降低,而不采用突變,可以較大限度地減小溫度的突變,改善均勻性,降低表面溫差,降低溫度梯度對復合材料構件所產生的影響,使溫度均勻性達到最佳狀態,避免溫差過大使得構件力學性能降低。

      五、結語
      先進復合材料屬于新型材料,與普通材料相比,它擁有高強度、抗疲勞性高、較好的抗腐蝕性,因此在20復合材料的推動下,復合材料模具已經逐漸形成產業,目前碳纖維預浸料復合材料模具已經用于制造雷達罩,B757 發動機殼體,A320 垂尾,B747 排放滑動接頭等材料。隨著航空航天的發展,復合材料模具會取代金屬模具并被廣泛用于各種領域,而復合材料模具的發展將提高復合材料產品的質量和精度。在未來的發展中,復合材料模具能得到更好的、精度更高的復合材料模具,縮短材料生產周期,為國家建設起到意想不到的收獲。

      參考文獻
      [1] 烏云其其格,郭揚.高性能復合材料成型用模具材料[J].玻璃鋼/復合材料,1997(1):19-21.
      [2] 匡載平,梁憲珠,張西偉,等.復合材料模具技術[J].航空制造技術,2016,59(17):86- 89.
      [3] 章令暉,李甲申,韓宇,等.復合材料成型模具研究進展[J].航天制造技術,2013(1):13- 17.