复合材料应用于航空航天材料加工模具中结构和工艺的研究（一）

1.概述

碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)以其优异的强度，重量轻和抗疲劳性能高等特点逐步在成为航空航天工业结构的主要材料之一。一些主流的商用飞机（例如波音787和空客350）的制造中大约50%的结构采用碳纤维增强聚合物基复合材料，其主框架、机身/机翼等均由CFRP制造，如图1(a)所示。此外，如图1(b)所示，无人飞行器(UAV)制造中CFRP的结构重量已经达到60-90%。日益增长的性能要求(包括机械性能和空气动力学性能)正推动这些复合材料结构向具有复杂形状和高尺寸精度的大型或超大型整体结构发展，这大大增加了相应制造技术的难度。

航空航天工业中最广泛使用的碳纤维增强热固性复合材料的典型制造工艺是利用高压釜使其在压力和热环境下固化。一般来说，此项技术制造复合材料结构的尺寸精度主要受四个方面的影响:I)热膨胀系数(CTE)中的纤维-基体不匹配，特别是考虑到在固化过程中其相变状态将从粘性变成橡胶状，并最终变成固体；ii)固化过程中由于化学反应导致的收缩；iii)在具有不同热传递的介质(空气或氮气)中，模具的材料、几何形状、结构以及热交换方式相关的固化过程中的温度梯度变化；iv)模具-零件相互作用，主要是由于组件、工具和脱模剂之间的CTE(受厚度、铆接顺序和层方向变化的影响)不匹配(特别是对于薄零件生产条件)。

图1 商用飞机结构中CFRP的应用

另两个因素是由所使用的模具决定的制造业决定，指出模具在影响复合材料产品准确性方面的关键作用。此外，考虑到用机器代替手工铺层预浸料的新趋势，例如用于复合材料制造的自动纤维铺放技术(AFP)。特别是对于大型整体部件，严格要求模具重量轻，使用寿命长，以符合自动化机器和所需介质的承载能力。

由于模具在复合材料制造中的重要性，与模具制造的相关技术经历了持续的发展，从20世纪80年代开始，复合材料在工业领域和学术领域的发展持续了几十年。各种材料(金属和非金属）和结构已经被开发并使用在复合材料生产方面，与此同时，研究人员将注意力集中放在复合材料附加功能的研究，以提高它们在应用中的表现。另外，通过引入新技术控制复合材料制造过程中的基体和增强体，用此项技术研发的原型模具目前正处于实验阶段。用新的材料和结构，广泛探索以低成本制造高性能模具的方法，缩短制造时间同时提高模具质量。然而，目前纵观工业领域和学术领域，关于模具制造工艺的的新型相关技术依旧匮乏。

2.1 模具材料的主要规格

模具制造都经历相同的热循环和负载循环，复合材料制品在固化过程中的性能以及模具所使用的材料直接影响制造过程和相应产品的性能。图2总结了与复合材料制造工艺和产品性能相关的模具材料的关键性能和规格，具体在下文中讨论。

热膨胀系数(CTE)与材料形状精度。据研究报道，模具材料在确定复合材料产品的形状精度方面起着重要作用，其中，模具材料的CTE是关键因素，模具材料与复合产品材料之间的CTE差异导致模具和产品之间相互作用，使之在加热固化循环后发生不可避免的变形。有研究指出，在特定的固化复合材料产品中，与具有低CTE的因瓦合金相比，在使用钢作为模具材料时可以获得具有高残余应力的回弹尺寸（超过20%）。

可加工性与效率和成本。模具的可加工性，本研究中所使用的材料主要是指表面质量产品，准备模具所需的时间和费用。模具所需加工成具有表面图案高度准确性的复合材料产品成型质量。

比刚度与可移动性。由于模具加工过程必须移入和移出高压釜，因此可移动性是模具的另一个关键特性，这直接由模具的重量决定。虽然对于一个模具特定结构要求，特定刚度的模具对其直接称重就可得出材料的比刚度(刚度与密度之比)。此外，由于新开发的工艺，例如AFP工艺，模具需要在AFP机器上旋转，这进一步推动了高性能模具材料的发展和更高的比刚度需求(较低的密度和较高的刚度)。

紧密度和硬度与使用寿命。对于固化模具，尤其是对于生产大批量产品时，要求其使用寿命是至关重要的。与模具使用寿命相关材料的两个关键因素，一是硬度，硬度决定了对模具具的疲劳、腐蚀和磨损导致断裂的抵抗力，二是由于固化过程中需要真空完整性，因此模具材料的紧密度是模具使用寿命的另一个关键因素。

导热率和热容量与效率。模具材料的导热系数和导热能力表征了完成固化过程中达到目标温度所需的能量和时间，这对于工艺效率至关重要，尤其在大型航空航天工业中的尺寸元件的制造方面。

材料/工艺价格与成本。模具成本是复合材料制造的主要成本之一，包括材料和工艺成本(成型、设备等)。航空航天工业中用因瓦合金模具制造某些特殊大型复杂部件的复合材料制造的成本最高可达到成本总值的20%。

有了这些因素，当前和开发对用于制造复合材料产品的模具材料可以以量化的方式进行评估，并将在后文详述。

随着对材料性能和精度要求的不断提高，在航空航天工业中的复合材料产品中，模具材料在过去的四十年里不断进化。图3总结了制造业复合材料模具使用材料的发展趋势，可以分为三个阶段。

第一阶段是在20世纪80年代左右，先进复合材料产品在航空航天和非航空航天工业中的应用中增长较快。用于传统模具材料包括木材、石膏和石墨，此外铝和钢也是传统的模具材料，有着成本低和使用寿命长等优点。对于高精度的产品要求，玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(GF/EP)由于它们的CTE接近复合材料组分的CTE而被选择。然而，这些模具材料耐久性差，一个模具只可以制造大约10到50个部件。

20世纪90年代，随着全球对飞机需求量的显著增长，大规模生产具有精确气动表面的复合材料结构成为一项新的挑战。提出了对模具有类似复合材料结构和CTE的模具材料固化和耐久性研究。1896年发现的具有“因瓦效应”的镍铁合金，其在特定镍含量下可实现非常低的CTE，成为航空航天工业中复合材料制造的合适工具材料。然而，因瓦合金的缺点是重量大，在模具制造和应用中，难加工和成本高等问题，特别是对于低成本的大型复合材料结构要求，使得研究人员重新寻找新的轻型并具有更长固化时间的复合材料。2000年左右，新型碳纤维增强复合材料和改性树脂被专门开发用于复合材料模具，例如双马来酰亚胺树脂基的复合材料Hexcel M61模具，在高达175–180°C的温度下，能够承受300次以上的固化循环。

从2010年开始，一些新型先进材料陆续有用模具材料的开发，以实现更高的性能和多功能性，包括碳泡沫，形状记忆合金、纳米纤维/颗粒填充复合材料等。

2.3.传统和当前的模具材料

下面讨论工业生产中所使用的模具材料的发展和特性，包括金属材料(如铝合金、钢和因瓦合金)和非金属材料(例如石墨、GF/EP复合材料和CF/EP复合材料)。

航空航天复合材料产品的关键要求之一是精准度高。根据这一要求，复合材料中的模具材料制造业从铝和钢发展到因瓦合金和复合材料的模具，与复合材料CTE更接近的产品。Smith等人已经给出了长度为4.9m并加热至177 ◦C时不同模具材料的总热膨胀，如图4所示。从结果中可以看出，铝合金模具引起的变形约为10mm，约为因瓦合金或石墨环氧树脂的两倍。

表1总结了与复合材料制造工艺相关的传统模具材料的主要特性。基于表1中的数据，可以量化模具的详细性能 通过2.1中列出的相应材料属性，例如，CTE与精确度、比刚度与可移动性、紧密度和硬度与使用寿命，导热率和热容量与效率等。图5比较了传统和用于复合材料制造的现有模具材料，可以将列出的所有材料中的最大值进行标准化 。例如，CF/EP模具可以实现最高的精度，其精度值设为1，然后基于CF/EP的CTE对其他材料的精度值进行标准化；而最大寿命和温度值分别设定为1000次循环和500°C 性能优于那些的材料，它们的值被设置为1。此外，另一个性能变量“使用水平”也被估算并包含在图中，它代表技术的成熟度以及在实际工业中用于模具材料的普及性。

由于铝和因瓦合金等金属材料抵抗真空条件的良好密封性和良好的表面硬度，可以避免在制造过程中产生变形，因此具有较长的使用寿命。然而，在高固化温度制造条件下，铝合金模具精确度较低，而钢模具可以在高温下保持一定的精度，成为当前复合材料工业的广泛应用的模具之一。与复合材料拥有类似CTE的因瓦合金可以实现高精度，但是由于具有较差的可加工性和较大的密度导致高成本、低效率和可移动性差等问题，因此使其不适用于大型或超大型复合材料产品(例如波音787机身部分的制造）。

非金属材料包括石墨、玻璃纤维、环氧树脂和碳纤维、环氧树脂等低密度和与复合材料产品具有相似的CTE，可以使这类模具具有较高精度和制造效率，但是模具的使用寿命是有限的，不能满足大规模生产的需要。此外，为制造具有常规复合材料的模具，材料需要具有低的 CTE，例如因瓦合金也被用于母模制造，已有相关一些案例报道。因此，新的聚合物体系具有专为模具材料设计（如Hexcel M81和 XT200）。

因此，使用因瓦合金和其他先进的复合材料是制造航天工业中复合材料的关键。目前，殷钢是中小型模具材料一个不错的选择，而对于大尺寸或超大尺寸的结构，复合材料正成为模具材料选择的趋势。图6总结了一些模具材料的应用案例。

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