（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300）

先進(jìn)復(fù)合材料以其比強(qiáng)度和比模量高、熱膨脹系數(shù)小、可設(shè)計性好、易于整體成型等一系列突出的優(yōu)點在航空航天結(jié)構(gòu)上得到了廣泛應(yīng)用，現(xiàn)已成為航空航天四大結(jié)構(gòu)材料之一[1]。復(fù)合材料在航空航天部門的廣泛應(yīng)用極大地促進(jìn)了航空航天技術(shù)的發(fā)展，反過來，也促進(jìn)了復(fù)合材料成型模具技術(shù)的進(jìn)步。模具是制造復(fù)合材料構(gòu)件的基礎(chǔ)，直接影響其最終狀態(tài)和質(zhì)量。復(fù)合材料構(gòu)件的外形、尺寸及與其他構(gòu)件的配合精度等要靠模具保證，這些都決定了模具在復(fù)合材料構(gòu)件制造過程中起著舉足輕重的作用。

1 復(fù)合材料模具

傳統(tǒng)復(fù)合材料成型模具由金屬材料制作，主要原因是金屬具有高強(qiáng)度、高剛度、尺寸穩(wěn)定性好、加工性好，適用于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點[2-3]。隨著復(fù)合材料構(gòu)件外形準(zhǔn)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(jīng)不能很好地滿足高精度成型模具的需要。在這種背景下，復(fù)合材料模具（本文指碳纖維復(fù)合材料模具）應(yīng)運(yùn)而生，并且得到了迅速發(fā)展。目前，在歐美發(fā)達(dá)國家的航空航天部門，復(fù)合材料模具的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍。在國內(nèi)，除了中航工業(yè)哈飛采用復(fù)合材料模具比較早、使用比較多之外，其他企業(yè)以及航天部門用得還比較少。但是，隨著高性能復(fù)合材料航空航天結(jié)構(gòu)件的大量應(yīng)用，各有關(guān)研究院所和企業(yè)積極研究和試驗使用復(fù)合材料模具，因此復(fù)合材料模具也很快會成為國內(nèi)復(fù)合材料構(gòu)件的主要成型模具。

2 復(fù)合材料模具的主要優(yōu)點

2.1 熱膨脹性能匹配

復(fù)合材料模具最大優(yōu)點是熱膨脹系數(shù)小，且與復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)比較相匹配，從而可以獲得外形準(zhǔn)確性和尺寸精度符合設(shè)計要求的構(gòu)件。為了更深入地認(rèn)識模具材料的熱膨脹性能對復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量的影響，首先分析在復(fù)合材料構(gòu)件固化成型過程中，模具與構(gòu)件之間相互關(guān)系發(fā)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(gòu)件坯料還是軟的，所以它也跟著模具一起增大；繼續(xù)升溫，在樹脂體系的凝膠溫度下，受熱膨脹的模具與構(gòu)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(dāng)加熱到最后的固化溫度時，模具和半固化的構(gòu)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(gòu)件中將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；在保溫階段，構(gòu)件在已經(jīng)膨脹到最大尺寸的模具中得到進(jìn)一步固化；保溫結(jié)束后，從固化溫度開始冷卻至室溫的過程中，模具和構(gòu)件都以各自的收縮率收縮。如果它們的收縮率不同，構(gòu)件的最后尺寸將與模具的尺寸不同。

從以上固化過程模具與構(gòu)件坯料之間關(guān)系的變化可以清楚地看出，當(dāng)模具與構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)之間存在差異時，將直接影響構(gòu)件的外形準(zhǔn)確性、尺寸精度和內(nèi)部質(zhì)量，實際生產(chǎn)中得到的數(shù)據(jù)清楚地說明了這一點。表1為長度為7m的復(fù)合材料構(gòu)件在200℃成型時，幾種常用模具材料受熱膨脹的尺寸增長數(shù)據(jù)。顯然，在選擇復(fù)合材料構(gòu)件成型模具的材料時，熱膨脹系數(shù)是必須考慮的首要因素，而且尺寸越大的復(fù)合材料構(gòu)件越是應(yīng)該選擇熱膨脹性能相匹配的復(fù)合材料模具。據(jù)報導(dǎo)，長達(dá)18m的Delta-Ⅲ型運(yùn)載火箭整流罩成型時，就是用了復(fù)合材料模具才保證了其要求非常高的外形準(zhǔn)確性和尺寸精度。

表1 幾種常用模具材料熱膨脹系數(shù)及相應(yīng)條件下尺寸的增長數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，在常用的模具材料中，鋁合金的熱膨脹系數(shù)最大。而INVAR合金的熱膨脹性能與碳纖維復(fù)合材料比較相近。由于INVAR合金的熱膨脹系數(shù)很小，用它制作的成型模具與復(fù)合材料構(gòu)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，特別是以聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺等高溫樹脂為基體的復(fù)合材料構(gòu)件多半采用這種材料制作的模具進(jìn)行成型制造。INVAR合金的主要問題是加工比較困難，而且價格昂貴。

2.2 密度小

復(fù)合材料的密度比較小，用其制造的模具質(zhì)量比較輕。由于碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量和低密度等特點（見表2），所以用它制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。因此即使是大型復(fù)雜的復(fù)合材料模具，其重量也非常輕，易于搬運(yùn)，方便使用。曾有報導(dǎo)，歐洲空中客車公司的A320飛機(jī)復(fù)合材料垂直尾翼原計劃采用低碳鋼制作其成型模具，但經(jīng)過設(shè)計計算，鋼模具太重，超過了德國MBB公司當(dāng)時的熱壓罐和起吊設(shè)備的承受能力，后來改用復(fù)合材料模具，不但很好地解決了模具重量問題，而且高質(zhì)量地制造出當(dāng)時全球最大的民用客機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件。

表2 幾種常用材料的密度和拉伸性能

與金屬模具對比，復(fù)合材料更輕。隨著復(fù)合材料構(gòu)件越來越大，金屬模具過重問題給加工廠帶來了新的挑戰(zhàn)。因此，許多制造商轉(zhuǎn)而采用復(fù)合材料模具以降低質(zhì)量，同時避免較高的鎳鋼加工成本。在材料技術(shù)日新月異的今天，復(fù)合材料模具在不久的將來就可能替代相當(dāng)部分的金屬模具成型大型制件。

2.3 熱容小

復(fù)合材料模具加熱固化時所需熱量比較小。碳纖維復(fù)合材料的比熱容一般大于金屬材料（見表3）。由于復(fù)合材料模具的質(zhì)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，復(fù)合材料模具所需要的熱量遠(yuǎn)小于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(jìn)行加熱固化，可以在較短的固化周期內(nèi)完成復(fù)合材料構(gòu)件的固化成型，從而可以節(jié)約能源和工時，降低制造成本。

表3 幾種常用模具材料的比熱容

2.4 可修復(fù)性好

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

2.5 制造成本相對較低

復(fù)合材料模具的制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復(fù)雜和需要的模具數(shù)量比較多時，其成本會更加低。復(fù)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。母模的制造成本基本上與模具的成本相當(dāng)，但它的成本是非重復(fù)成本，一次性投入制造出母模之后，生產(chǎn)的模具數(shù)量越多，分?jǐn)傇诿總€模具上的母模制造費(fèi)用就越少，所以每個模具的制造成本就越低。

2.6 低溫固化高溫使用

復(fù)合材料模具預(yù)浸料具有低溫固化高溫使用的特點。目前的模具預(yù)浸料一般可以在60℃甚至更低的溫度下進(jìn)行固化，脫離母模后，模具呈自由狀態(tài)下進(jìn)行后固化后可以在高溫下使用。模具預(yù)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范圍，使得一些價格低廉的材料，如石膏、木材等也可以用于母模的制造，從而降低母模的造價。

3 復(fù)合材料模具存在的主要問題

復(fù)合材料模具本身也是復(fù)合材料制品，使得其制造過程具有一定的復(fù)雜性。目前，復(fù)合材料模具存在的主要問題如下：

（1）復(fù)合材料模具的制造工藝復(fù)雜，過程控制要求嚴(yán)格，不同工藝方法甚至不同批次產(chǎn)品質(zhì)量差異相對較大；

（2）復(fù)合材料模具表面密封性較差，特別是當(dāng)存在制造缺陷（如孔隙率過高）時，極容易出現(xiàn)真空泄漏問題；

（3）復(fù)合材料模具的表面硬度較低，易產(chǎn)生機(jī)械損傷，膠衣或者鍍層易脫落，另外，在起吊、搬運(yùn)過程中受撞擊后容易產(chǎn)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， 復(fù)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(dāng)然，國外也有質(zhì)量良好的復(fù)合材料模具使用近千次仍未出現(xiàn)問題的實例；

（5）復(fù)合材料模具的制造成本比普通金屬模具要高出不少。

4 復(fù)合材料模具制造工藝

復(fù)合材料模具一般用預(yù)浸料制作，具有高的纖維體積分?jǐn)?shù)，低的熱膨脹系數(shù)，易加工和極小的毒性等優(yōu)點。國外已成功將低溫固化高溫使用的樹脂體系制成各種纖維織物增強(qiáng)的預(yù)浸料，然后將預(yù)浸料鋪放于事先制作好的石膏或手糊成型的母模之上。這些母模通常制作價格低廉，在能夠保證母模的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度的溫度范圍內(nèi)（一般不高于90℃）初步固化成型。然后將復(fù)合材料模具從母模脫離，在逐漸升溫條件下保持形態(tài)進(jìn)一步固化，直至完全固化。這樣制作復(fù)合材料模具可降低對母模材料的耐溫要求。此工藝制作的復(fù)合材料模具氣密性好、尺寸精度高、表面質(zhì)量高、耐用。

另外，HEXCEL公司新近推出了一種可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)模具材料的高性能復(fù)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(huán)氧預(yù)浸帶構(gòu)成的模壓成型氈。制作模具時，先將該種預(yù)浸料鋪放在具有所需形狀和尺寸的母模上，然后置于熱壓罐中固化得到一個模具的毛坯，該預(yù)浸料固化后可通過機(jī)械加工滿足模具所需尺寸和表面精度要求，并且通過拋光處理達(dá)到模具所需的表面要求。這種方式制作的復(fù)合材料模具相對于金屬模具具有更輕的質(zhì)量、更快的加熱和冷卻速率，可像金屬一樣進(jìn)行機(jī)器加工，加工性能好，熱膨脹系數(shù)和碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料匹配，氣密性好，易修補(bǔ)。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(jù)悉，這種材料已用于未來空中客車A350XWB的復(fù)合材料機(jī)身面板模具，美國某公司也經(jīng)選用該種材料和工藝為波音787的一個項目制作模具。

5 復(fù)合材料模具發(fā)展動向

復(fù)合材料模具技術(shù)的發(fā)展是以提高其使用壽命、降低制造成本為總目標(biāo)。目前，各家復(fù)合材料模具材料制造公司都為實現(xiàn)這個總目標(biāo)而從母模材料、模具預(yù)浸料以及模具設(shè)計與制造工藝等方面投入相當(dāng)?shù)馁Y金和人力，積極開展研究與開發(fā)。

5.1 新材料研究

新材料的出現(xiàn)能夠簡化復(fù)合材料模具制造工藝，降低成本，提高模具質(zhì)量。在這方面英國先進(jìn)復(fù)合材料公司 （ACG）開展了大量研究工作，該公司開發(fā)的一種商品名為zpreg的預(yù)浸料，是一種通過條形浸漬工藝制成的新型織物預(yù)浸料。這種預(yù)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。采用這種預(yù)浸料制成的復(fù)合材料模具表面光潔、孔隙率低、密封性好。此外，這種預(yù)浸料的鋪貼性能優(yōu)異， 比常規(guī)預(yù)浸料節(jié)約1/2以上的鋪貼時間，且無需進(jìn)行真空排除氣泡和預(yù)壓實等操作。目前，zpreg預(yù)浸料已大量用于制造復(fù)合材料制品及其成型模具，取到了良好的效果。

采用碳?xì)种谱鲝?fù)合材料模具也是一種可行的途徑。與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比，易于實現(xiàn)模具表面尺寸的變化與過渡，因而更適于制造各種形狀復(fù)雜的模具。同時由于便于機(jī)械加工和修補(bǔ)，也適合制造批量化產(chǎn)品的復(fù)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(fā)了專門用于制造復(fù)合材料模具的中、低溫固化高溫使用的預(yù)浸料。有的材料在60～80℃甚至更低溫度下固化，脫模后經(jīng)高溫后處理，可在180～240℃的環(huán)境溫度下連續(xù)使用且保持較高穩(wěn)定性。美國Comtool Tech公司用SiO2為基體研制 C/SiO2模具預(yù)浸料，其使用溫度甚至可達(dá)1150℃。

5.2 提高使用壽命

提高模具的使用壽命，主要是提高模具工作面的硬度和強(qiáng)度以提高其抗損傷能力，降低孔隙率以消除真空泄漏現(xiàn)象，常見的方法是涂覆膠衣或者金屬膜層。ACG公司開發(fā)了一種超高硬度的膠衣層材料，并涂覆在復(fù)合材料模具表面，這將大大提高復(fù)合材料模具表面抗摩擦和沖擊損傷的能力。

復(fù)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(nèi)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(jù)實際經(jīng)驗，在模具工作面的坯料疊層內(nèi)嵌入氣密性較好的彈性薄膜，并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。

5.3 降低制造成本

母模材料有木材、石膏、玻璃纖維復(fù)合材料、高密度硬質(zhì)聚胺酯泡沫塑料和環(huán)氧樹脂泡沫塑料等。為降低母模的制造成本并縮短生產(chǎn)周期，國外正在研發(fā)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(shè)計概念，使其制造成本進(jìn)一步降低[4]。

5.4 提高型面精度

為了進(jìn)一步提高復(fù)合材料模具的尺寸準(zhǔn)確性和形位精確度，一方面需要從設(shè)計、材料和成型工藝等環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，進(jìn)一步提高模具的制造質(zhì)量;另一方面，需要研究復(fù)合材料模具工作表面進(jìn)行后加工的可能性，即模具固化成型后，再對其成型表面進(jìn)行精密或超精加工，以滿足高精度產(chǎn)品的固化成型需要。

6 結(jié)束語

復(fù)合材料模具已逐漸形成產(chǎn)業(yè)，并處在高速發(fā)展階段。復(fù)合材料模具的應(yīng)用使得生產(chǎn)復(fù)合材料構(gòu)件的工藝得到優(yōu)化，生產(chǎn)周期隨之縮短，產(chǎn)品質(zhì)量得到提升，復(fù)合材料生產(chǎn)步入了更快的發(fā)展階段。未來，復(fù)合材料模具將代替更多金屬模具，并將更廣泛應(yīng)地用于航空航天領(lǐng)域。

[1]周睿.復(fù)合材料成型先進(jìn)模具的開發(fā)與應(yīng)用[C]//中國硅酸鹽學(xué)會玻璃鋼分會.第十七屆玻璃鋼/復(fù)合材料學(xué)術(shù)年會論文集.北京：中國硅酸鹽學(xué)會玻璃鋼分會， 2008：209-211.

ZHOU Rui.Exploiture and application of advanced mould in producing composites[C]//Fiberglass Branch of the Chinese Ceramic Society.Proceedings of the Seventeenth Annual Conference on Glass Fiber Reinforced Plastics/Composites.Beijing： Fiberglass Branch of the Chinese Ceramic Society， 2008：209-211.

[2]王菲，楊博，陳永清，等.大尺寸復(fù)合材料翼梁的研制[J].航空制造技術(shù)， 2015(S1)：55-60.

WANG Fei，YANG Bo，CHEN Yonqing，et al.Manufacturing of large scale composites spar[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2015(S1)：55-60.

[3]臺元月，邱啟艷，陳靜，等.提高膠粘劑質(zhì)量一致性檢驗準(zhǔn)確率的相關(guān)研究[J].航空制造技術(shù)， 2014(15)： 98-100.

TAI Yuanyue，QIU Qiyan，CHEN Jing，et al.Research on improvement of accuracy rate of adhesives inspection[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2014(15)：98-100.

[4]白樹城，曲建直，王清海.低成本先進(jìn)復(fù)合材料模具制造技術(shù)探索[C]//中國硅酸鹽學(xué)會玻璃鋼分會.第十六屆玻璃鋼/復(fù)合材料學(xué)術(shù)年會論文集.北京：中國硅酸鹽學(xué)會玻璃鋼分會，2006：182-183.

BAI Shucheng， QU Jianzhi， WANG Qinghai.Investigation of low price advanced composite mould design and manufacturing technique[C]//Fiberglass Branch of the Chinese Ceramic Society.Proceedings of the Sixteenth Annual Conference on Glass Fiber Reinforced Plastics/Composites.Beijing： Fiberglass Branch of the Chinese Ceramic Society，2006：182-183.