【技術】淺談整體成型工藝

先進複合材料以其比強度和比模量高、熱膨脹係數小、可設計性好、易於整體成型等一系列突出的優點在航空航天結構上得到了廣泛應用, 現已成為航空航天四大結構材料之一。複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展，反過來，也促進了複合材料成型模具技術的進步。模具是製造複合材料構件的基礎，直接影響其最終狀態和質量。複合材料構件的外形、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複合材料構件製造過程中起著舉足輕重的作用。

傳統複合材料成型模具由金屬材料製作，主要原因是金屬具有高強度、高剛度、尺寸穩定性好、加工性好，適用於大批量生產等優點。隨著複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不能很好地滿足高精度成型模具的需要。在這種背景下，複合材料模具（本文指碳纖維複合材料模具）應運而生，並且得到了迅速發展。目前，在歐美髮達國家的航空航天部門，複合材料模具的應用已經相當普遍。在國內，除了中航工業哈飛採用複合材料模具比較早、使用比較多之外，其他企業以及航天部門用得還比較少。但是，隨著高性能複合材料航空航天結構件的大量應用，各有關研究院所和企業積極研究和試驗使用複合材料模具，因此複合材料模具也很快會成為國內複合材料構件的主要成型模具。

複合材料模具最大優點是熱膨脹係數小，且與複合材料的熱膨脹係數比較相匹配，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複合材料構件質量的影響，首先分析在複合材料構件固化成型過程中，模具與構件之間相互關係發生變化的過程：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；當加熱到最後的固化溫度時，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，構件中將產生內應力；在保溫階段，構件在已經膨脹到最大尺寸的模具中得到進一步固化；保溫結束後，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，構件的最後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係的變化可以清楚地看出，當模具與構件的熱膨脹係數之間存在差異時，將直接影響構件的外形準確性、尺寸精度和內部質量，實際生產中得到的數據清楚地說明了這一點。表1 為長度為7m 的複合材料構件在200℃成型時，幾種常用模具材料受熱膨脹的尺寸增長數據。顯然，在選擇複合材料構件成型模具的材料時，熱膨脹係數是必須考慮的首要因素，而且尺寸越大的複合材料構件越是應該選擇熱膨脹性能相匹配的複合材料模具。據報導，長達18m 的Delta- Ⅲ型運載火箭整流罩成型時，就是用了複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。

從表1 中可以看出，在常用的模具材料中，鋁合金的熱膨脹係數最大。而INVAR 合金的熱膨脹性能與碳纖維複合材料比較相近。由於INVAR 合金的熱膨脹係數很小，用它製作的成型模具與複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，特別是以聚醯亞胺、雙馬來醯亞胺等高溫樹脂為基體的複合材料構件多半採用這種材料製作的模具進行成型製造。INVAR 合金的主要問題是加工比較困難，而且價格昂貴。

複合材料的密度比較小，用其製造的模具質量比較輕。由於碳纖維複合材料具有高強度、高模量和低密度等特點（見表2），所以用它製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。因此即使是大型複雜的複合材料模具，其重量也非常輕，易於搬運，方便使用。曾有報導，歐洲空中客車公司的A320 飛機複合材料垂直尾翼原計劃採用低碳鋼製作其成型模具，但經過設計計算，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，後來改用複合材料模具，不但很好地解決了模具重量問題，而且高質量地製造出當時全球最大的民用客機複合材料構件。

與金屬模具對比，複合材料更輕。隨著複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。因此，許多製造商轉而採用複合材料模具以降低質量，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，複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製件。

熱容小

複合材料模具加熱固化時所需熱量比較小。碳纖維複合材料的比熱容一般大於金屬材料（見表3）。由於複合材料模具的質量比金屬材料要輕，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，複合材料模具所需要的熱量遠小於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完成複合材料構件的固化成型，從而可以節約能源和工時，降低製造成本。

可修復性好

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

複合材料模具的製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複雜和需要的模具數量比較多時，其成本會更加低。複合材料模具是在母模上成型出來的，而且一個母模可以成型多個模具。母模的製造成本基本上與模具的成本相當，但它的成本是非重複成本，一次性投入製造出母模之後，生產的模具數量越多，分攤在每個模具上的母模製造費用就越少，所以每個模具的製造成本就越低。

複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，脫離母模後，模具呈自由狀態下進行後固化後可以在高溫下使用。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範圍，使得一些價格低廉的材料，如石膏、木材等也可以用於母模的製造，從而降低母模的造價。

複合材料模具本身也是複合材料製品，使得其製造過程具有一定的複雜性。目前，複合材料模具存在的主要問題如下：

（1）複合材料模具的製造工藝複雜, 過程式控制制要求嚴格, 不同工藝方法甚至不同批次產品質量差異相對較大；

（2）複合材料模具表面密封性較差, 特別是當存在製造缺陷（如孔隙率過高）時, 極容易出現真空泄漏問題；

（3）複合材料模具的表面硬度較低, 易產生機械損傷, 膠衣或者鍍層易脫落，另外, 在起吊、搬運過程中受撞擊後容易產生分層、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, 複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, 國外也有質量良好的複合材料模具使

用近千次仍未出現問題的實例；

（5）複合材料模具的製造成本比普通金屬模具要高出不少。

複合材料模具一般用預浸料製作，具有高的纖維體積分數，低的熱膨脹係數，易加工和極小的毒性等優點。國外已成功將低溫固化高溫使用的樹脂體系製成各種纖維織物增強的預浸料，然後將預浸料鋪放於事先製作好的石膏或手糊成型的母模之上。這些母模通常製作價格低廉，在能夠保證母模的結構強度及剛度的溫度範圍內（一般不高於90℃）初步固化成型。然後將複合材料模具從母模脫離，在逐漸升溫條件下保持形態進一步固化，直至完全固化。這樣製作複合材料模具可降低對母模材料的耐溫要求。此工藝製作的複合材料模具氣密性好、尺寸精度高、表面質量高、耐用。

另外，HEXCEL 公司新近推出了一種可以代替傳統模具材料的高性能複合材料模具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/ 環氧預浸帶構成的模壓成型氈。製作模具時，先將該種預浸料鋪放在具有所需形狀和尺寸的母模上，然後置於熱壓罐中固化得到一個模具的毛坯，該預浸料固化後可通過機械加工滿足模具所需尺寸和表面精度要求，並且通過拋光處理達到模具所需的表面要求。這種方式製作的複合材料模具相對於金屬模具具有更輕的質量、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，熱膨脹係數和碳纖維/環氧複合材料匹配，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）。據悉，這種材料已用於未來空中客車A350XWB 的複合材料機身面板模具，美國某公司也經選用該種材料和工藝為波音787 的一個項目製作模具。

複合材料模具技術的發展是以提高其使用壽命、降低製造成本為總目標。目前，各家複合材料模具材料製造公司都為實現這個總目標而從母模材料、模具預浸料以及模具設計與製造工藝等方面投入相當的資金和人力，積極開展研究與開發。

新材料研究

新材料的出現能夠簡化複合材料模具製造工藝, 降低成本, 提高模具質量。在這方面英國先進複合材料公司（ ACG）開展了大量研究工作,該公司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製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。採用這種預浸料製成的複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異, 比常規預浸料節約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 預浸料已大量用於製造複合材料製品及其成型模具, 取到了良好的效果。採用碳氈製作複合材料模具也是一種可行的途徑。與傳統複合材料相比, 易於實現模具表面尺寸的變化與過渡, 因而更適於製造各種形狀複雜的模具。同時由於便於機械加工和修補, 也適合製造批量化產品的複合材料模具。

英國Amber 公司、ACG 公司、美國Cytec 公司、瑞士Gurit 公司均開發了專門用於製造複合材料模具的中、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, 脫模後經高溫後處理, 可在180~240℃的環境溫度下連續使用且保持較高穩定性。

美國Comtool Tech 公司用SiO2 為基體研製 C/SiO2 模具預浸料, 其使用溫度甚至可達1150℃。

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象, 常見的方法是塗覆膠衣或者金屬膜層。

ACG 公司開發了一種超高硬度的膠衣層材料, 並塗覆在複合材料模具表面, 這將大大提高複合材料模具表面抗摩擦和衝擊損傷的能力。

複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。根據實際經驗, 在模具工作面的坯料疊層內嵌入氣密性較好的彈性薄膜, 並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。

母模材料有木材、石膏、玻璃纖維複合材料、高密度硬質聚胺酯泡沫塑料和環氧樹脂泡沫塑料等。為降低母模的製造成本並縮短生產周期, 國外正在研發性能更好，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, 使其製造成本進一步降低。

為了進一步提高複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節進行研究, 進一步提高模具的製造質量; 另一方面, 需要研究複合材料模具工作表面進行後加工的可能性,即模具固化成型後, 再對其成型表面進行精密或超精加工, 以滿足高精度產品的固化成型需要。

結束語

複合材料模具已逐漸形成產業, 並處在高速發展階段。複合材料模具的應用使得生產複合材料構件的工藝得到優化，生產周期隨之縮短，產品質量得到提升，複合材料生產步入了更快的發展階段。未來，複合材料模具將代替更多金屬模具，並將更廣泛應地用於航空航天領域。