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（四）

4.复合材料制造的模具功能

如何加强甚至扩展制造过程的模具功能，特别是对工艺和质量有高要求的先进复合材料的制造，一直是模具技术研究的热点。本节将相关研究分为两部分介绍：1、侧重于改进模具的传统功能，如其机械和热性能；2、尝试在模具中实现新功能，如复合材料制造过程和产品的在线监控功能。

4.1改进现有功能

4.1.1自加热功能

由于高压釜或烘箱中复合材料生产的长期固化过程所需的高温和/或压力环境是通过加热循环空气或氮气来提供的，因此需要连续加热大量的空气或氮气（甚至达到几千立方米），这是极其昂贵的，也限制了生产效率。该问题的一个较为流行的解决方案是开发具有自热功能的模具，在过去十年中，已经在这一领域进行了许多试验。在金属成形领域开发具有加热和冷却功能的模具有着悠久的历史，其使用内部有热/冷水或油的管道系统来提供自加热功能，这种技术也在复合材料制造中得到了长期的应用。韦伯制造技术公司开发了一种类似的模具，并将其应用于汽车中的复合材料制造，以降低成本，图16（a）展示了一个样品。另一种加热方法为感应加热，具有比传统的热水或油有更高的热效率，也被用来建造自加热模具，用于大批量制造复合材料产品。罗斯蒂公司通过将电磁感应加热系统集成到模具内部，开发了一种自加热模具，其与模具的形状相匹配，如图16（b）所示。据报道，它有能力将加热固化的时间从高压釜中的1小时减少到2分钟，然而，在如此高的加热速率下，温度分布的均匀性可能是一个问题。另一个模具系统通过开发带有电感器的局部加热系统，进一步推动了该技术的发展，实现了组件不同区域的局部加热/冷却控制，实现了对具有不同厚度和形状条件的组件的均匀热控制。图16（c）显示了Surface Generation公司开发的演示模具。这些集成到模具中的额外加热系统将显著提高复合材料制造过程的适应性（自由和快速地控制温度分布）和效率。然而，它们也会同时大大增加模具在结构和制造方面的复杂性，进而可能会带来模具的可靠性问题，特别是对于航空航天工业中的大型和特大型部件的制造。

图16（a）带有冷却管和加热管的自加热模具；（b）（c）感应加热系统整体和局部说明

此外，开发具有直接嵌入加热元件的新模具材料是实现自加热功能的另一种方法，最近引起了大家越来越多的兴趣。图17显示了Doyle等人报道的具有嵌入式加热元件（电阻丝）的典型自加热模具示意图。电阻丝用低热膨胀系数陶瓷胶结物嵌入，并添加高性能热塑性聚合物（聚醚醚酮）的粘合剂层，以连接CF增强物和陶瓷组。热塑性组件的加热能力已有报道，然而，其在热固性复合材料的长期高温和高压条件下固化中的应用还没有报道，纳米技术也被应用于使模具的自加热功能，其中碳纳米管由于其在电、热甚至机械性能方面的改进而被使用。Boyce等人报道了一种自加热模具，该模具由导电模具表面和分散的碳纳米管组成，分布的铝电极埋入并绝缘在纤维玻璃和树脂复合材料的较低层中，通过向电极施加电压，可以产生电流并通过碳纳米管快速加热模具表面。

自加热模具为高效、低成本的复合材料制造提供了广阔的前景。然而，目前自热模具的方法和工艺仍然面临一些问题：1、引入自热元件将大大增加工艺的难度，也不利于模具的机械和真空性能，例如。例如，在基体中分散碳纳米管的工艺困难，由于纳米管/基体或电阻丝/复合材料界面的粘合度不足而造成分层；2、模具的热稳定性和可靠性尚未得到验证，例如，产生均匀温度分布的能力尚未得到验证；3、高成本和可能的健康、安全和环境问题是未来发展中要考虑的其他重要因素。

4.1.2 提高强度和使用寿命

除热性能外，强度和寿命性能也是限制复合材料模具应用的关键因素。人们发现，纳米技术是显著提高复合材料强度和机械性能的潜在途径, 近十年来已被用于硬化和延长复合材料模具的寿命。通过将这种纳米结构合金涂覆到碳纤维复合材料制成的模具表面上，可以同时实现轻质、低热膨胀系数和高耐久性。通过热喷涂多孔因瓦合金粘结层，与复合材料模具底座之间实现了良好的粘结，如图18所示。它是一种有前途的技术，可用于制造具有良好重量、热和机械性能的模具，特别是用于航空航天工业。该材料仍在开发中，将进一步调整热膨胀系数以实现与复合材料产品的合理匹配，优化涂层方法以实现复杂结构的均匀厚度表面，降低材料和工艺成本是未来的研究方向。

4.2实现附加功能

复合材料的特性使其在设计和实现新功能方面具有高度的灵活性。复合材料产品的在线传感成为一个热门话题，因为它为监测复合材料结构的制造过程和使用寿命性能提供了一种直接的方法，这对航空航天工业中复合材料结构的鉴定和应用非常重要。许多种类的传感器已经得到开发和研究，它们可以被连接或嵌入到复合材料中进行在线监测。该领域已经发表了一些评论，对目前用于复合材料的传感器进行了很好的介绍和总结。

嵌入/附着工艺在复合材料或结构上用于在线监测的侵入性传感器的关键问题是它们可能对结构的性能和健康构成威胁。为了避免这个问题，应在模具中利用这些传感器来监控复合材料的制造过程，并使复合材料结构的制造具备高质量和可靠性成为一个适当的选择。耶Yenilmez等人报道了一种将电介质传一个适当的选择。Yenilmez等人报道了一种将电介质传感器网格连接到模具上的方法，以在树脂传递模塑过程中监测复合材料的填充和树脂固化进度。电子时域反射测量传感线也被整合到模具中，以实现对复合材料制造的流动和固化程度的非侵入性监测，图19(a)中可以看到传感器的附着演示。Dai等人开发了一种基于碳纳米管的织物传感器，该传感器可以安装在模具上，以实现二维流动和固化监测，如图19（b）所示。

图19（a）传感器附着在模具上的示意图；（b）基于碳纳米管的织物传感器安装在模具上的示意图

这些传感器可以扩展传统模具的功能，并可用于保证制造的质量和可靠性。然而，传感器在循环高温和高压条件下的耐久性和可靠性需要进一步调查和验证，保证其满足在工业生产中的应用。高成本也是限制其在模具行业潜在应用的另一个主要问题。此外，使用增强碳纤维或碳纳米管作为电极而不削弱材料强度的自检测方法是功能复合材料的新发展趋势，这也可能是模具材料发展的未来趋势，使制造过程的在线监控能够承受数千次固化循环。

此文由中国复合材料工业协会翻译，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。