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（三）
更新时间：2022-12-05 15:21:53
编辑：秘书处
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3.复合材料制造的模具结构
除了上述章节中回顾的材料之外，开发新的模具结构是另一个吸引实验室和行业越来越感兴趣的方面，由此可同时提高复合材料制造模具的机械和热性能。在本研究中，这些结构被分为三类，包括（i）单一材料的传统结构，（ii）复合结构和（iii）可重构结构。3.1单一材料的传统结构
传统模具的整个结构中由相同的材料制成，以消除可能出现的热膨胀系数和其他性能不匹配的情况，特别是航空航天工业中具有高精度要求的复合材料产品。如第2节所述，每种模具的材料都有其优点和缺点，不同的结构被设计出来用于加强其优点和避免其缺点。对于因瓦合金和碳纤维复合材料模具，其常规结构通常由两部分组成：一个具有设计形状的面板，以确保部件的尺寸精度。而对于具有良好的可加工性的材料，如第2.4.2 节中讨论的碳泡沫，直接通过加工制备的单一结构也是模具的一种选择。 然而，由于模具材料的固有缺点，单一材料的传统模具结构有其自身的局限性。通过基板+面板式因瓦合金模具这样的结构设计，可以在一定程度上获得优化的重量，但对于大型和超大型的集成部件，即在航空航天工业中日益受到关注的部件（如机翼和机身），其重量在复合材料制造过程中是一个大问题。尽管碳纤维复合材料可以在很大程度上消除重量问题，但目前的树脂系统无法保证良好的密封性，也就无法满足当前和未来航空航天部件的大规模生产。 为了解决单一材料的传统模具结构中存在的问题，如重量大或结构缺陷，人们提出了结合不同材料的优势设计复合结构。长期以来，由碳纤维复合材料表面和铝蜂窝芯组成的夹层结构被报道为复合材料制造模具的复合结构广泛研究。然而，夹层结构的热膨胀系数比复合材料高得多，不能提供航空产品所需的足够的尺寸公差，特别是对于大型/超大型产品，此外，由于碳纤维复合材料表皮通常非常薄，密封性能不能得到很好的保证，具有相似热膨胀系数的模具材料组合，降低相界面带给复合材料结构的缺陷，可以一定程度提高材料的结构完整性。图11列出了具有低热膨胀系数的典型模具材料的优点和局限性，包括碳泡沫、CF/EP（BMI）复合材料和因瓦合金，通过将这些材料组合在复合结构中，有可能在复合材料制造的模具中实现平衡性能。
图11.低热膨胀系数的典型工具材料的优势和局限性，以及不同材料组合时相应的复合优势。 天臣国际医疗科技股份有限公司开发了一种以碳泡沫为基底、碳纤维增强塑料复合材料为面板的复合结构模具系统，其中使用由连续和短切碳纤维增强的高温树脂（包括EP和BMI）作为面板，以缓解多孔碳泡沫的结构缺陷。图12（a）比较了使用和不使用粘结碳纤维复合材料面板的模具表面状况。卢卡斯等人报道了“碳泡沫芯+碳纤维复合材料”复合模具的案例研究，其中研究了该模具在低成本、快速制造性能方面的有效性。据报道，它具有良好的耐久性，但未报告量化数据，理论上，其使用寿命会受到面板材料结构完整性的限制。此外，碳泡沫的开放性孔隙结构使高温树脂相对容易渗透，有助于实现良好的粘合界面，如下图12（b）所示。 CFOAM LLC提出了另一种用于原型模具的低成本复合系统。代替碳纤维复合材料面板的是一种填充材料，如高温树脂，它在高温下耐用且易于加工，直接沉积在碳泡沫基底上。由于开孔结构，填料和碳泡沫材料之间可以获得良好的结合，如图12（c）所示。然而，其使用寿命非常有限，这可能是由于与相应的碳纤维复合材料相比，填充物树脂的机械性能较低，以及填充物和碳泡沫之间的热膨胀系数不匹配导致的。
图12. (a) 带有碳泡沫的单一模具和带有碳泡沫+复合材料制造的模具比较；(b) 谈泡沫与复合材料界面的复合模具SEM显微图；(c) 填充材料与碳泡沫基材之间结合的微观结构。 随着复合材料结构在航空航天工业中变得越来越大，人们迫切需要新的模具，这种模具可以像因瓦合金那样经受数千次固化循环，但更轻、更便宜。因此，最近提出了将因瓦合金和复合材料相结合的复合模具结构，使其拥有良好耐久性的同时减轻重量。Remmele工程公司开发了一种复合因瓦合金/复合材料复合模具，其特点是因瓦合金面板厚度减小，并具有互锁的CF/BMI复合材料基底，与因瓦合金模具相比，重量减少了50%，成本和使用寿命相当。由于热膨胀系数相似，因瓦合金板和复合材料基底的连接采用榫舌和凹槽粘结的方法，如图13（a）所示。 此外，Ascent航空公司还开发了另一种 "因瓦合金基地+复合材料面板"的复合结构，如图13(b)所示。
图13 使用因瓦合金和复合材料的两组复合模具概念的比较（a）复合材料基底+因瓦合金面板和（b）因瓦合金基底+复合材料面板。 薄的因瓦合金面板用于保证材料结构完整性，而复合材料则用于减轻重量，为加工提供更好的适应性，并使台面的修复成为可能，避免像传统因瓦合金模具那样需要更换整个模具。据称，这种复合结构可以减少50%的重量，缩短20%的制造时间。 图14比较了具有复合材料和单一材料（如因瓦合金和CF/BMI复合材料）的模具的性能。通过将碳泡沫与复合材料相结合，由于碳泡沫具有良好的可加工性，复合材料模具的效率可以提高，但由于复合材料面板的特性，其温度和寿命性能仍然受到限制。
对于采用因瓦合金和复合材料制造的模具，可以在使用寿命、可移动性和效率之间取得良好的平衡，使其成为未来在航空航天工业中应用的极具前途的模具结构。 本节系统地介绍和讨论了航空航天工业中复合材料制造模具的材料及结构。单一材料是目前使用最广泛的，结合不同材料优点的复合材料则显示出更好的材料性能，不久将来会成为模具材料的不二选择。
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