1.概述

碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料(CFRP)以其優(yōu)異的強(qiáng)度，重量輕和抗疲勞性能高等特點(diǎn)逐步在成為航空航天工業(yè)結(jié)構(gòu)的主要材料之一。一些主流的商用飛機(jī)（例如波音787和空客350）的制造中大約50%的結(jié)構(gòu)采用碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料，其主框架、機(jī)身/機(jī)翼等均由CFRP制造，如圖1(a)所示。此外，如圖1(b)所示，無(wú)人飛行器(UAV)制造中CFRP的結(jié)構(gòu)重量已經(jīng)達(dá)到60-90%。日益增長(zhǎng)的性能要求(包括機(jī)械性能和空氣動(dòng)力學(xué)性能)正推動(dòng)這些復(fù)合材料結(jié)構(gòu)向具有復(fù)雜形狀和高尺寸精度的大型或超大型整體結(jié)構(gòu)發(fā)展，這大大增加了相應(yīng)制造技術(shù)的難度。

航空航天工業(yè)中最廣泛使用的碳纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的典型制造工藝是利用高壓釜使其在壓力和熱環(huán)境下固化。一般來(lái)說(shuō)，此項(xiàng)技術(shù)制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的尺寸精度主要受四個(gè)方面的影響:I)熱膨脹系數(shù)(CTE)中的纖維-基體不匹配，特別是考慮到在固化過(guò)程中其相變狀態(tài)將從粘性變成橡膠狀，并最終變成固體；ii)固化過(guò)程中由于化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的收縮；iii)在具有不同熱傳遞的介質(zhì)(空氣或氮?dú)?中，模具的材料、幾何形狀、結(jié)構(gòu)以及熱交換方式相關(guān)的固化過(guò)程中的溫度梯度變化；iv)模具-零件相互作用，主要是由于組件、工具和脫模劑之間的CTE(受厚度、鉚接順序和層方向變化的影響)不匹配(特別是對(duì)于薄零件生產(chǎn)條件)。

圖1 商用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中CFRP的應(yīng)用

另兩個(gè)因素是由所使用的模具決定的制造業(yè)決定，指出模具在影響復(fù)合材料產(chǎn)品準(zhǔn)確性方面的關(guān)鍵作用。此外，考慮到用機(jī)器代替手工鋪層預(yù)浸料的新趨勢(shì)，例如用于復(fù)合材料制造的自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)(AFP)。特別是對(duì)于大型整體部件，嚴(yán)格要求模具重量輕，使用壽命長(zhǎng)，以符合自動(dòng)化機(jī)器和所需介質(zhì)的承載能力。

由于模具在復(fù)合材料制造中的重要性，與模具制造的相關(guān)技術(shù)經(jīng)歷了持續(xù)的發(fā)展，從20世紀(jì)80年代開始，復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展持續(xù)了幾十年。各種材料(金屬和非金屬）和結(jié)構(gòu)已經(jīng)被開發(fā)并使用在復(fù)合材料生產(chǎn)方面，與此同時(shí)，研究人員將注意力集中放在復(fù)合材料附加功能的研究，以提高它們?cè)趹?yīng)用中的表現(xiàn)。另外，通過(guò)引入新技術(shù)控制復(fù)合材料制造過(guò)程中的基體和增強(qiáng)體，用此項(xiàng)技術(shù)研發(fā)的原型模具目前正處于實(shí)驗(yàn)階段。用新的材料和結(jié)構(gòu)，廣泛探索以低成本制造高性能模具的方法，縮短制造時(shí)間同時(shí)提高模具質(zhì)量。然而，目前縱觀工業(yè)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)領(lǐng)域，關(guān)于模具制造工藝的的新型相關(guān)技術(shù)依舊匱乏。

2、模具制造中的復(fù)合材料2.1 模具材料的主要規(guī)格

模具制造都經(jīng)歷相同的熱循環(huán)和負(fù)載循環(huán)，復(fù)合材料制品在固化過(guò)程中的性能以及模具所使用的材料直接影響制造過(guò)程和相應(yīng)產(chǎn)品的性能。

熱膨脹系數(shù)(CTE)與材料形狀精度。據(jù)研究報(bào)道，模具材料在確定復(fù)合材料產(chǎn)品的形狀精度方面起著重要作用，其中，模具材料的CTE是關(guān)鍵因素，模具材料與復(fù)合產(chǎn)品材料之間的CTE差異導(dǎo)致模具和產(chǎn)品之間相互作用，使之在加熱固化循環(huán)后發(fā)生不可避免的變形。有研究指出，在特定的固化復(fù)合材料產(chǎn)品中，與具有低CTE的因瓦合金相比，在使用鋼作為模具材料時(shí)可以獲得具有高殘余應(yīng)力的回彈尺寸（超過(guò)20%）。

可加工性與效率和成本。模具的可加工性，本研究中所使用的材料主要是指表面質(zhì)量產(chǎn)品，準(zhǔn)備模具所需的時(shí)間和費(fèi)用。模具所需加工成具有表面圖案高度準(zhǔn)確性的復(fù)合材料產(chǎn)品成型質(zhì)量。

比剛度與可移動(dòng)性。由于模具加工過(guò)程必須移入和移出高壓釜，因此可移動(dòng)性是模具的另一個(gè)關(guān)鍵特性，這直接由模具的重量決定。雖然對(duì)于一個(gè)模具特定結(jié)構(gòu)要求，特定剛度的模具對(duì)其直接稱重就可得出材料的比剛度(剛度與密度之比)。此外，由于新開發(fā)的工藝，例如AFP工藝，模具需要在AFP機(jī)器上旋轉(zhuǎn)，這進(jìn)一步推動(dòng)了高性能模具材料的發(fā)展和更高的比剛度需求(較低的密度和較高的剛度)。

緊密度和硬度與使用壽命。對(duì)于固化模具，尤其是對(duì)于生產(chǎn)大批量產(chǎn)品時(shí)，要求其使用壽命是至關(guān)重要的。與模具使用壽命相關(guān)材料的兩個(gè)關(guān)鍵因素，一是硬度，硬度決定了對(duì)模具具的疲勞、腐蝕和磨損導(dǎo)致斷裂的抵抗力，二是由于固化過(guò)程中需要真空完整性，因此模具材料的緊密度是模具使用壽命的另一個(gè)關(guān)鍵因素。

導(dǎo)熱率和熱容量與效率。模具材料的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)熱能力表征了完成固化過(guò)程中達(dá)到目標(biāo)溫度所需的能量和時(shí)間，這對(duì)于工藝效率至關(guān)重要，尤其在大型航空航天工業(yè)中的尺寸元件的制造方面。

材料/工藝價(jià)格與成本。模具成本是復(fù)合材料制造的主要成本之一，包括材料和工藝成本(成型、設(shè)備等)。航空航天工業(yè)中用因瓦合金模具制造某些特殊大型復(fù)雜部件的復(fù)合材料制造的成本最高可達(dá)到成本總值的20%。

有了這些因素，當(dāng)前和開發(fā)對(duì)用于制造復(fù)合材料產(chǎn)品的模具材料可以以量化的方式進(jìn)行評(píng)估，并將在后文詳述。

2.2 模具材料的發(fā)展

隨著對(duì)材料性能和精度要求的不斷提高，在航空航天工業(yè)中的復(fù)合材料產(chǎn)品中，模具材料在過(guò)去的四十年里不斷進(jìn)化。制造業(yè)復(fù)合材料模具使用材料的發(fā)展趨勢(shì)，可以分為三個(gè)階段。

第一階段是在20世紀(jì)80年代左右，先進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)品在航空航天和非航空航天工業(yè)中的應(yīng)用中增長(zhǎng)較快。用于傳統(tǒng)模具材料包括木材、石膏和石墨，此外鋁和鋼也是傳統(tǒng)的模具材料，有著成本低和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于高精度的產(chǎn)品要求，玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(GF/EP)由于它們的CTE接近復(fù)合材料組分的CTE而被選擇。然而，這些模具材料耐久性差，一個(gè)模具只可以制造大約10到50個(gè)部件。

20世紀(jì)90年代，隨著全球?qū)︼w機(jī)需求量的顯著增長(zhǎng)，大規(guī)模生產(chǎn)具有精確氣動(dòng)表面的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成為一項(xiàng)新的挑戰(zhàn)。提出了對(duì)模具有類似復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和CTE的模具材料固化和耐久性研究。1896年發(fā)現(xiàn)的具有“因瓦效應(yīng)”的鎳鐵合金，其在特定鎳含量下可實(shí)現(xiàn)非常低的CTE，成為航空航天工業(yè)中復(fù)合材料制造的合適工具材料。然而，因瓦合金的缺點(diǎn)是重量大，在模具制造和應(yīng)用中，難加工和成本高等問(wèn)題，特別是對(duì)于低成本的大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)要求，使得研究人員重新尋找新的輕型并具有更長(zhǎng)固化時(shí)間的復(fù)合材料。2000年左右，新型碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和改性樹脂被專門開發(fā)用于復(fù)合材料模具，例如雙馬來(lái)酰亞胺樹脂基的復(fù)合材料Hexcel M61模具，在高達(dá)175–180°C的溫度下，能夠承受300次以上的固化循環(huán)。

從2010年開始，一些新型先進(jìn)材料陸續(xù)有用模具材料的開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)更高的性能和多功能性，包括碳泡沫，形狀記憶合金、納米纖維/顆粒填充復(fù)合材料等。

2.3.傳統(tǒng)和當(dāng)前的模具材料

下面討論工業(yè)生產(chǎn)中所使用的模具材料的發(fā)展和特性，包括金屬材料(如鋁合金、鋼和因瓦合金)和非金屬材料(例如石墨、GF/EP復(fù)合材料和CF/EP復(fù)合材料)。

航空航天復(fù)合材料產(chǎn)品的關(guān)鍵要求之一是精準(zhǔn)度高。根據(jù)這一要求，復(fù)合材料中的模具材料制造業(yè)從鋁和鋼發(fā)展到因瓦合金和復(fù)合材料的模具，與復(fù)合材料CTE更接近的產(chǎn)品。Smith等人已經(jīng)給出了長(zhǎng)度為4.9m并加熱至177 ?C時(shí)不同模具材料的總熱膨脹，如圖4所示。從結(jié)果中可以看出，鋁合金模具引起的變形約為10mm，約為因瓦合金或石墨環(huán)氧樹脂的兩倍。

圖4長(zhǎng)度為4.9m并加熱至177 ?C時(shí)不同模具材料的總熱膨脹

表1總結(jié)了與復(fù)合材料制造工藝相關(guān)的傳統(tǒng)模具材料的主要特性?；诒?中的數(shù)據(jù)，可以量化模具的詳細(xì)性能 通過(guò)2.1中列出的相應(yīng)材料屬性，例如，CTE與精確度、比剛度與可移動(dòng)性、緊密度和硬度與使用壽命，導(dǎo)熱率和熱容量與效率等。圖5比較了傳統(tǒng)和用于復(fù)合材料制造的現(xiàn)有模具材料，可以將列出的所有材料中的最大值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化 。例如，CF/EP模具可以實(shí)現(xiàn)最高的精度，其精度值設(shè)為1，然后基于CF/EP的CTE對(duì)其他材料的精度值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；而最大壽命和溫度值分別設(shè)定為1000次循環(huán)和500°C 性能優(yōu)于那些的材料，它們的值被設(shè)置為1。此外，另一個(gè)性能變量“使用水平”也被估算并包含在圖中，它代表技術(shù)的成熟度以及在實(shí)際工業(yè)中用于模具材料的普及性。

圖5 復(fù)合材料制造工藝中不同傳統(tǒng)模具材料的性能比較

由于鋁和因瓦合金等金屬材料抵抗真空條件的良好密封性和良好的表面硬度，可以避免在制造過(guò)程中產(chǎn)生變形，因此具有較長(zhǎng)的使用壽命。然而，在高固化溫度制造條件下，鋁合金模具精確度較低，而鋼模具可以在高溫下保持一定的精度，成為當(dāng)前復(fù)合材料工業(yè)的廣泛應(yīng)用的模具之一。與復(fù)合材料擁有類似CTE的因瓦合金可以實(shí)現(xiàn)高精度，但是由于具有較差的可加工性和較大的密度導(dǎo)致高成本、低效率和可移動(dòng)性差等問(wèn)題，因此使其不適用于大型或超大型復(fù)合材料產(chǎn)品(例如波音787機(jī)身部分的制造）。

非金屬材料包括石墨、玻璃纖維、環(huán)氧樹脂和碳纖維、環(huán)氧樹脂等低密度和與復(fù)合材料產(chǎn)品具有相似的CTE，可以使這類模具具有較高精度和制造效率，但是模具的使用壽命是有限的，不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要。此外，為制造具有常規(guī)復(fù)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，已有相關(guān)一些案例報(bào)道。因此，新的聚合物體系具有專為模具材料設(shè)計(jì)（如Hexcel M81和 XT200）。

因此，使用因瓦合金和其他先進(jìn)的復(fù)合材料是制造航天工業(yè)中復(fù)合材料的關(guān)鍵。目前，殷鋼是中小型模具材料一個(gè)不錯(cuò)的選擇，而對(duì)于大尺寸或超大尺寸的結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料正成為模具材料選擇的趨勢(shì)。圖6總結(jié)了一些模具材料的應(yīng)用案例。

圖6 (a)因瓦合金(b)復(fù)合材料作為模具材料的應(yīng)用于航空航天工業(yè)實(shí)例

2.4 新型模具材料

隨著對(duì)效率、成本和使用壽命的要求越來(lái)越高，先進(jìn)航空航天工業(yè)復(fù)合材料制造模具發(fā)展越來(lái)越快，新型模具材料層出不窮。這些為模具開發(fā)的新材料可分為三類。a)新一代復(fù)合材料，如改性樹脂體系復(fù)合材料。b)碳泡沫。c)形狀記憶聚合物(SMP)。

2.4.1 新型樹脂復(fù)合材料

為了解決模具使用壽命短，使用溫度低和儲(chǔ)存等限制問(wèn)題，許多新型高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的大量生產(chǎn)，近十年來(lái)，復(fù)合材料得到了快速的發(fā)展。

雙馬來(lái)酰亞胺樹脂因其具有更好的熱性能已被用作航空航天工業(yè)中的先進(jìn)復(fù)合材料，比環(huán)氧樹脂更穩(wěn)定。這使得它們被用作模具材料時(shí)使大規(guī)模生產(chǎn)CF/EP復(fù)合材料成為可能。同時(shí)，雙馬來(lái)酰亞胺樹脂不像一般復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，需要連續(xù)纖維來(lái)增強(qiáng)，只具有隨機(jī)分布的短纖維，使其作為模具材料時(shí)，具有更好的機(jī)械加工性。一些CF/BMI模具材料已經(jīng)商業(yè)化并在航空航天工業(yè)中得到使用。

20世紀(jì)40年代合成的苯并噁嗪樹脂，最近已成為航空航天結(jié)構(gòu)部件的新型樹脂材料。工業(yè)上，由于苯并噁嗪樹脂在耐高溫應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)， 優(yōu)異的耐火性和室溫儲(chǔ)存性能，使得它們也有可能作為模具材料使用。Airtech提供的模具預(yù)浸料包含苯并噁嗪樹脂，命名為β預(yù)浸料。除了長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月的環(huán)境儲(chǔ)存壽命之外，相比其他樹脂材料，它還擁有更低的收縮率和回彈性能(> 70%)。

耐高溫?zé)崴苄詷渲牧弦脖粓?bào)道為CF/EP復(fù)合材料的使用的模具材料結(jié)構(gòu)。最近，CFP復(fù)合材料公司開發(fā)了一種新的模具材料，該材料由短切碳纖維與PA66樹脂混合制成，據(jù)報(bào)道，PA66樹脂可承受高達(dá)200°C的熱循環(huán)，且完全可加工。然而，熱塑性樹脂的CTE比熱固性樹脂的高，這對(duì)材料制造精度是有害的。此外，對(duì)其成本和熱性能的相關(guān)研究相對(duì)較少，其大規(guī)模生產(chǎn)能力也沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。

另一種改善樹脂性能的方法是通過(guò)納米填充物適當(dāng)?shù)馗淖兤浣M成。一種納米填充環(huán)氧樹脂已被開發(fā)并用于模具材料，命名為HX90N。據(jù)報(bào)道，它擁有極低的熱膨脹(比同類產(chǎn)品低60–70%)和更高的使用溫度(180°C ），而傳統(tǒng)環(huán)氧基工具材料的溫度為150 ℃（例如 Hexcel M81） 。發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)節(jié)二氧化硅微粒與環(huán)氧樹脂的比例，可以增加復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量，并降低材料的CTE。Nelson等人進(jìn)一步研究了納米二氧化硅添加到環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料坯，并報(bào)道了40%(添加量)的納米二氧化硅預(yù)浸料坯，可以實(shí)現(xiàn)降低40%的CTE和50%的收縮率。此外，它還提供更好的耐刮擦性和更低的放熱性能，可以提高模具的使用壽命和熱性能。

這些新開發(fā)的高性能樹脂從各個(gè)方面提高了復(fù)合材料模具的性能。此外，對(duì)于已經(jīng)商業(yè)化并成功應(yīng)用于航空航天工業(yè)的新型CF增強(qiáng)復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證它們的使用壽命和固化期間在循環(huán)熱和壓力條件下的穩(wěn)定和成本，與傳統(tǒng)的CF/EP材料相比，具有更好的使用潛力。

2.4.2 碳泡沫

由于碳具有良好的CTE相容性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性，因此碳用來(lái)制作模具材料時(shí)在高溫下的尺寸穩(wěn)定性高。然而，隨著航空航天工業(yè)生產(chǎn)中結(jié)構(gòu)部件的尺寸越來(lái)越大，單片石墨由于其較高的密度導(dǎo)致其用作模具材料時(shí)存在質(zhì)量大的問(wèn)題。

碳泡沫在預(yù)設(shè)的高壓和高溫條件下的顯微結(jié)構(gòu)如圖7（a）和7（b）所示。碳泡沫的關(guān)鍵性能之一時(shí)通過(guò)控制分解過(guò)程，以獲得不同的孔徑，例如密度、導(dǎo)熱率、強(qiáng)度和成本均可根據(jù)模具的需求定制。圖7(c)指出通過(guò)調(diào)節(jié)碳泡沫的添加量，可以使復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了接近因瓦合金的CTE 范圍的溫度特性。此外，碳泡沫作為大尺寸復(fù)合材料的模具制造也有相關(guān)報(bào)道。

盡管碳泡沫的特性可以調(diào)整，但需要注意的是，這些屬性的變化很大程度上取決于材料石墨化的程度。例如，材料密度可以從0.03 × 103至0.6 × 103 kg/m3 ，強(qiáng)度可以從0.2到6.3 Mpa，熱電導(dǎo)率可以從0.1到250 W/m oC。這些特性會(huì)影響模具與組件交互的性能。目前的研究不足以設(shè)計(jì)合適的碳泡沫作為特定應(yīng)用的模具材料，導(dǎo)致復(fù)合材料制造過(guò)程中的回彈性能不好。此外，由于碳泡沫具有開孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的孔隙可能導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)缺陷，導(dǎo)致不適用于復(fù)合材料高溫高壓固化模具的制作。此外，碳泡沫必須逐層粘合，以保證模具結(jié)構(gòu)堅(jiān)固和完整，從而增加了模具設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本。

（a）、（b）碳泡沫在預(yù)設(shè)的高壓和高溫條件下的顯微結(jié)構(gòu)（c）碳泡沫的添加量與復(fù)合材料CTE的關(guān)系
2.4.3 形狀記憶聚合物（SMP）

SMP是一種智能材料，它可以通過(guò)外部因素的改變（如溫度、光和電）從臨時(shí)形狀轉(zhuǎn)變?yōu)樵夹螤?。由于它們的形狀記憶特性、低密度、變形率高以及與CFRC相似的CTE，使這些材料有極大可能應(yīng)用在模具制造選材方面。

聚合物的原始形狀和在轉(zhuǎn)變溫度下將改變其相態(tài)，如又橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)，從而獲得臨時(shí)形狀。SMP的形狀記憶效應(yīng)如圖8(a)所示。當(dāng)將SMP加熱到轉(zhuǎn)變溫度時(shí)（臨界變形溫度），可以變?yōu)榕R時(shí)形狀，并且當(dāng)冷卻到室溫時(shí)保持不變。這種暫時(shí)的形狀，可用作復(fù)合材料后續(xù)固化的特定形狀的模具制造。再次加熱到臨界變形溫度以上后，SMP變成可變形狀態(tài)并恢復(fù)到原來(lái)的形狀。杜等人報(bào)道了一個(gè)風(fēng)管構(gòu)件的SMP模具研究，如所示 圖8 (b ),對(duì)于臨界變形溫度在55oC的SMP模具恢復(fù)過(guò)程約150 s，材料成型后模具可以很容易的從風(fēng)管部件表面脫除。

圖8 （a）SMP的形狀記憶效應(yīng)（b）SMP模具用于風(fēng)管部件的制造工藝

雖然SMP對(duì)復(fù)雜和整體有很高的適應(yīng)性復(fù)合結(jié)構(gòu)，但它們?nèi)匀皇艿揭恍?yīng)用的限制。第一個(gè)限制是與其他復(fù)合材料相比，SMP固化溫度對(duì)于航空復(fù)合材料部件的要求（120-180oC）仍然非常低。越來(lái)越多的研究是為了制備突破溫度限制的SMP材料。例如最近開發(fā)的氰酸酯SMP（變形溫度達(dá)到135–230oC）和馬來(lái)酰亞胺基SMP（變形溫度達(dá)到150–270oC）改善了這一性能。此外，一些熱塑性樹脂也被專為SMP開發(fā)。Shi等人開發(fā)了一種基于磺化聚離聚物的熱塑性SMP，據(jù)報(bào)道變形溫度可達(dá)到250°C。

SMP模具另一個(gè)使用受限的因素使是它們的韌性不夠，足以承受循環(huán)固化過(guò)程中苛刻的力學(xué)條件，這將顯著降低模具的精度和壽命。近十年的研究試圖開發(fā)形狀記憶聚合物復(fù)合材料（SMPC），通過(guò)彈性材料或纖維增強(qiáng)材料被混入純的SMP來(lái)克服SMP的韌性問(wèn)題。據(jù)報(bào)道，具有玻璃纖維或碳纖維的SMPC具有高強(qiáng)度和模量，伸長(zhǎng)率和可回收率較差，影響模具使用的耐久性和精確性。具有彈性材料的SMPC得到改善。然而，比純SMP更低的模量對(duì)于保持高精度的模具是有害的，特別是對(duì)于航空航天應(yīng)用領(lǐng)域。

這些新開發(fā)的SMP和SMPC在先進(jìn)復(fù)合材料制造方面有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)模具基本溫度和機(jī)械性能的要求。然而，它們的使用壽命和熱性能和壓力循環(huán)中的尺寸公差問(wèn)題仍需解決，這些材料的商業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)一段路要走。

3.復(fù)合材料制造的模具結(jié)構(gòu)

除了上述章節(jié)中回顧的材料之外，開發(fā)新的模具結(jié)構(gòu)是另一個(gè)吸引實(shí)驗(yàn)室和行業(yè)越來(lái)越感興趣的方面，由此可同時(shí)提高復(fù)合材料制造模具的機(jī)械和熱性能。在本研究中，這些結(jié)構(gòu)被分為三類，包括（i）單一材料的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，（ii）復(fù)合結(jié)構(gòu)和（iii）可重構(gòu)結(jié)構(gòu)。

3.1單一材料的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)模具的整個(gè)結(jié)構(gòu)中由相同的材料制成，以消除可能出現(xiàn)的熱膨脹系數(shù)和其他性能不匹配的情況，特別是航空航天工業(yè)中具有高精度要求的復(fù)合材料產(chǎn)品。如第2節(jié)所述，每種模具的材料都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，不同的結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)出來(lái)用于加強(qiáng)其優(yōu)點(diǎn)和避免其缺點(diǎn)。對(duì)于因瓦合金和碳纖維復(fù)合材料模具，其常規(guī)結(jié)構(gòu)通常由兩部分組成：一個(gè)具有設(shè)計(jì)形狀的面板，以確保部件的尺寸精度。而對(duì)于具有良好的可加工性的材料，如第2.4.2 節(jié)中討論的碳泡沫，直接通過(guò)加工制備的單一結(jié)構(gòu)也是模具的一種選擇。

然而，由于模具材料的固有缺點(diǎn)，單一材料的傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)有其自身的局限性。通過(guò)基板+面板式因瓦合金模具這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在一定程度上獲得優(yōu)化的重量，但對(duì)于大型和超大型的集成部件，即在航空航天工業(yè)中日益受到關(guān)注的部件（如機(jī)翼和機(jī)身），其重量在復(fù)合材料制造過(guò)程中是一個(gè)大問(wèn)題。盡管碳纖維復(fù)合材料可以在很大程度上消除重量問(wèn)題，但目前的樹脂系統(tǒng)無(wú)法保證良好的密封性，也就無(wú)法滿足當(dāng)前和未來(lái)航空航天部件的大規(guī)模生產(chǎn)。

3.2復(fù)合結(jié)構(gòu)

為了解決單一材料的傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)中存在的問(wèn)題，如重量大或結(jié)構(gòu)缺陷，人們提出了結(jié)合不同材料的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)復(fù)合結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)期以來(lái)，由碳纖維復(fù)合材料表面和鋁蜂窩芯組成的夾層結(jié)構(gòu)被報(bào)道為復(fù)合材料制造模具的復(fù)合結(jié)構(gòu)廣泛研究。然而，夾層結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)比復(fù)合材料高得多，不能提供航空產(chǎn)品所需的足夠的尺寸公差，特別是對(duì)于大型/超大型產(chǎn)品，此外，由于碳纖維復(fù)合材料表皮通常非常薄，密封性能不能得到很好的保證，具有相似熱膨脹系數(shù)的模具材料組合，降低相界面帶給復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的缺陷，可以一定程度提高材料的結(jié)構(gòu)完整性。圖11列出了具有低熱膨脹系數(shù)的典型模具材料的優(yōu)點(diǎn)和局限性，包括碳泡沫、CF/EP（BMI）復(fù)合材料和因瓦合金，通過(guò)將這些材料組合在復(fù)合結(jié)構(gòu)中，有可能在復(fù)合材料制造的模具中實(shí)現(xiàn)平衡性能。

圖11.低熱膨脹系數(shù)的典型工具材料的優(yōu)勢(shì)和局限性，以及不同材料組合時(shí)相應(yīng)的復(fù)合優(yōu)勢(shì)。

3.2.1碳纖維復(fù)合材料

天臣國(guó)際醫(yī)療科技股份有限公司開發(fā)了一種以碳泡沫為基底、碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料為面板的復(fù)合結(jié)構(gòu)模具系統(tǒng)，其中使用由連續(xù)和短切碳纖維增強(qiáng)的高溫樹脂（包括EP和BMI）作為面板，以緩解多孔碳泡沫的結(jié)構(gòu)缺陷。圖12（a）比較了使用和不使用粘結(jié)碳纖維復(fù)合材料面板的模具表面狀況。盧卡斯等人報(bào)道了“碳泡沫芯+碳纖維復(fù)合材料”復(fù)合模具的案例研究，其中研究了該模具在低成本、快速制造性能方面的有效性。據(jù)報(bào)道，它具有良好的耐久性，但未報(bào)告量化數(shù)據(jù)，理論上，其使用壽命會(huì)受到面板材料結(jié)構(gòu)完整性的限制。此外，碳泡沫的開放性孔隙結(jié)構(gòu)使高溫樹脂相對(duì)容易滲透，有助于實(shí)現(xiàn)良好的粘合界面，如下圖12（b）所示。

CFOAM LLC提出了另一種用于原型模具的低成本復(fù)合系統(tǒng)。代替碳纖維復(fù)合材料面板的是一種填充材料，如高溫樹脂，它在高溫下耐用且易于加工，直接沉積在碳泡沫基底上。由于開孔結(jié)構(gòu)，填料和碳泡沫材料之間可以獲得良好的結(jié)合，如圖12（c）所示。然而，其使用壽命非常有限，這可能是由于與相應(yīng)的碳纖維復(fù)合材料相比，填充物樹脂的機(jī)械性能較低，以及填充物和碳泡沫之間的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的。

圖12. (a) 帶有碳泡沫的單一模具和帶有碳泡沫+復(fù)合材料制造的模具比較；(b) 談泡沫與復(fù)合材料界面的復(fù)合模具SEM顯微圖；(c) 填充材料與碳泡沫基材之間結(jié)合的微觀結(jié)構(gòu)。

3.2.2因瓦合金復(fù)合材料

隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在航空航天工業(yè)中變得越來(lái)越大，人們迫切需要新的模具，這種模具可以像因瓦合金那樣經(jīng)受數(shù)千次固化循環(huán)，但更輕、更便宜。因此，最近提出了將因瓦合金和復(fù)合材料相結(jié)合的復(fù)合模具結(jié)構(gòu)，使其擁有良好耐久性的同時(shí)減輕重量。Remmele工程公司開發(fā)了一種復(fù)合因瓦合金/復(fù)合材料復(fù)合模具，其特點(diǎn)是因瓦合金面板厚度減小，并具有互鎖的CF/BMI復(fù)合材料基底，與因瓦合金模具相比，重量減少了50%，成本和使用壽命相當(dāng)。由于熱膨脹系數(shù)相似，因瓦合金板和復(fù)合材料基底的連接采用榫舌和凹槽粘結(jié)的方法，如圖13（a）所示。

此外，Ascent航空公司還開發(fā)了另一種 "因瓦合金基地+復(fù)合材料面板"的復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖13(b)所示。

圖13 使用因瓦合金和復(fù)合材料的兩組復(fù)合模具概念的比較（a）復(fù)合材料基底+因瓦合金面板和（b）因瓦合金基底+復(fù)合材料面板。

薄的因瓦合金面板用于保證材料結(jié)構(gòu)完整性，而復(fù)合材料則用于減輕重量，為加工提供更好的適應(yīng)性，并使臺(tái)面的修復(fù)成為可能，避免像傳統(tǒng)因瓦合金模具那樣需要更換整個(gè)模具。據(jù)稱，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)可以減少50%的重量，縮短20%的制造時(shí)間。

圖14比較了具有復(fù)合材料和單一材料（如因瓦合金和CF/BMI復(fù)合材料）的模具的性能。通過(guò)將碳泡沫與復(fù)合材料相結(jié)合，由于碳泡沫具有良好的可加工性，復(fù)合材料模具的效率可以提高，但由于復(fù)合材料面板的特性，其溫度和壽命性能仍然受到限制。

圖14不同模具材料結(jié)構(gòu)和性能比較。

對(duì)于采用因瓦合金和復(fù)合材料制造的模具，可以在使用壽命、可移動(dòng)性和效率之間取得良好的平衡，使其成為未來(lái)在航空航天工業(yè)中應(yīng)用的極具前途的模具結(jié)構(gòu)。

3.3小結(jié)

本節(jié)系統(tǒng)地介紹和討論了航空航天工業(yè)中復(fù)合材料制造模具的材料及結(jié)構(gòu)。單一材料是目前使用最廣泛的，結(jié)合不同材料優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合材料則顯示出更好的材料性能，不久將來(lái)會(huì)成為模具材料的不二選擇。

4.復(fù)合材料制造的模具功能

如何加強(qiáng)甚至擴(kuò)展制造過(guò)程的模具功能，特別是對(duì)工藝和質(zhì)量有高要求的先進(jìn)復(fù)合材料的制造，一直是模具技術(shù)研究的熱點(diǎn)。本節(jié)將相關(guān)研究分為兩部分介紹：1、側(cè)重于改進(jìn)模具的傳統(tǒng)功能，如其機(jī)械和熱性能；2、嘗試在模具中實(shí)現(xiàn)新功能，如復(fù)合材料制造過(guò)程和產(chǎn)品的在線監(jiān)控功能。

4.1改進(jìn)現(xiàn)有功能4.1.1自加熱功能

由于高壓釜或烘箱中復(fù)合材料生產(chǎn)的長(zhǎng)期固化過(guò)程所需的高溫和/ 或壓力環(huán)境是通過(guò)加熱循環(huán)空氣或氮?dú)鈦?lái)提供的，因此需要連續(xù)加熱大量的空氣或氮?dú)猓ㄉ踔吝_(dá)到幾千立方米），這是極其昂貴的，也限制了生產(chǎn)效率。該問(wèn)題的一個(gè)較為流行的解決方案是開發(fā)具有自熱功能的模具，在過(guò)去十年中，已經(jīng)在這一領(lǐng)域進(jìn)行了許多試驗(yàn)。在金屬成形領(lǐng)域開發(fā)具有加熱和冷卻功能的模具有著悠久的歷史，其使用內(nèi)部有熱/ 冷水或油的管道系統(tǒng)來(lái)提供自加熱功能，這種技術(shù)也在復(fù)合材料制造中得到了長(zhǎng)期的應(yīng)用。韋伯制造技術(shù)公司開發(fā)了一種類似的模具，并將其應(yīng)用于汽車中的復(fù)合材料制造，以降低成本，圖16 （a ）展示了一個(gè)樣品。另一種加熱方法為感應(yīng)加熱，具有比傳統(tǒng)的熱水或油有更高的熱效率，也被用來(lái)建造自加熱模具，用于大批量制造復(fù)合材料產(chǎn)品。羅斯蒂公司通過(guò)將電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)集成到模具內(nèi)部，開發(fā)了一種自加熱模具，其與模具的形狀相匹配，如圖16 （b ）所示。據(jù)報(bào)道，它有能力將加熱固化的時(shí)間從高壓釜中的1 小時(shí)減少到2 分鐘，然而，在如此高的加熱速率下，溫度分布的均勻性可能是一個(gè)問(wèn)題。另一個(gè)模具系統(tǒng)通過(guò)開發(fā)帶有電感器的局部加熱系統(tǒng)，進(jìn)一步推動(dòng)了該技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了組件不同區(qū)域的局部加熱/ 冷卻控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)具有不同厚度和形狀條件的組件的均勻熱控制。圖16 （c ）顯示了Surface Generation 公司開發(fā)的演示模具。這些集成到模具中的額外加熱系統(tǒng)將顯著提高復(fù)合材料制造過(guò)程的適應(yīng)性（自由和快速地控制溫度分布）和效率。然而，它們也會(huì)同時(shí)大大增加模具在結(jié)構(gòu)和制造方面的復(fù)雜性，進(jìn)而可能會(huì)帶來(lái)模具的可靠性問(wèn)題，特別是對(duì)于航空航天工業(yè)中的大型和特大型部件的制造。

圖16（a）帶有冷卻管和加熱管的自加熱模具；（b）（c）感應(yīng)加熱系統(tǒng)整體和局部說(shuō)明

此外，開發(fā)具有直接嵌入加熱元件的新模具材料是實(shí)現(xiàn)自加熱功能的另一種方法，最近引起了大家越來(lái)越多的興趣。圖17 顯示了Doyle 等人報(bào)道的具有嵌入式加熱元件（電阻絲）的典型自加熱模具示意圖。電阻絲用低熱膨脹系數(shù)陶瓷膠結(jié)物嵌入，并添加高性能熱塑性聚合物（聚醚醚酮）的粘合劑層，以連接CF 增強(qiáng)物和陶瓷組。熱塑性組件的加熱能力已有報(bào)道，然而，其在熱固性復(fù)合材料的長(zhǎng)期高溫和高壓條件下固化中的應(yīng)用還沒(méi)有報(bào)道，納米技術(shù)也被應(yīng)用于使模具的自加熱功能，其中碳納米管由于其在電、熱甚至機(jī)械性能方面的改進(jìn)而被使用。Boyce 等人報(bào)道了一種自加熱模具，該模具由導(dǎo)電模具表面和分散的碳納米管組成，分布的鋁電極埋入并絕緣在纖維玻璃和樹脂復(fù)合材料的較低層中，通過(guò)向電極施加電壓，可以產(chǎn)生電流并通過(guò)碳納米管快速加熱模具表面。

圖17 帶有嵌入式加熱元件的自加熱模具組成示意圖

自加熱模具為高效、低成本的復(fù)合材料制造提供了廣闊的前景。然而，目前自熱模具的方法和工藝仍然面臨一些問(wèn)題：1、引入自熱元件將大大增加工藝的難度，也不利于模具的機(jī)械和真空性能，例如。例如，在基體中分散碳納米管的工藝?yán)щy，由于納米管/基體或電阻絲/復(fù)合材料界面的粘合度不足而造成分層；2、模具的熱穩(wěn)定性和可靠性尚未得到驗(yàn)證，例如，產(chǎn)生均勻溫度分布的能力尚未得到驗(yàn)證；3、高成本和可能的健康、安全和環(huán)境問(wèn)題是未來(lái)發(fā)展中要考慮的其他重要因素。

4.1.2 提高強(qiáng)度和使用壽命

除熱性能外，強(qiáng)度和壽命性能也是限制復(fù)合材料模具應(yīng)用的關(guān)鍵因素。人們發(fā)現(xiàn)，納米技術(shù)是顯著提高復(fù)合材料強(qiáng)度和機(jī)械性能的潛在途徑, 近十年來(lái)已被用于硬化和延長(zhǎng)復(fù)合材料模具的壽命。通過(guò)將這種納米結(jié)構(gòu)合金涂覆到碳纖維復(fù)合材料制成的模具表面上，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)、低熱膨脹系數(shù)和高耐久性。通過(guò)熱噴涂多孔因瓦合金粘結(jié)層，與復(fù)合材料模具底座之間實(shí)現(xiàn)了良好的粘結(jié)，如圖18所示。它是一種有前途的技術(shù)，可用于制造具有良好重量、熱和機(jī)械性能的模具，特別是用于航空航天工業(yè)。該材料仍在開發(fā)中，將進(jìn)一步調(diào)整熱膨脹系數(shù)以實(shí)現(xiàn)與復(fù)合材料產(chǎn)品的合理匹配，優(yōu)化涂層方法以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的均勻厚度表面，降低材料和工藝成本是未來(lái)的研究方向。

4.2 實(shí)現(xiàn)附加功能

復(fù)合材料的特性使其在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)新功能方面具有高度的靈活性。復(fù)合材料產(chǎn)品的在線傳感成為一個(gè)熱門話題，因?yàn)樗鼮楸O(jiān)測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程和使用壽命性能提供了一種直接的方法，這對(duì)航空航天工業(yè)中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的鑒定和應(yīng)用非常重要。許多種類的傳感器已經(jīng)得到開發(fā)和研究，它們可以被連接或嵌入到復(fù)合材料中進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。該領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)表了一些評(píng)論，對(duì)目前用于復(fù)合材料的傳感器進(jìn)行了很好的介紹和總結(jié)。

嵌入/ 附著工藝在復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)上用于在線監(jiān)測(cè)的侵入性傳感器的關(guān)鍵問(wèn)題是它們可能對(duì)結(jié)構(gòu)的性能和健康構(gòu)成威脅。為了避免這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)在模具中利用這些傳感器來(lái)監(jiān)控復(fù)合材料的制造過(guò)程，并使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造具備高質(zhì)量和可靠性成為一個(gè)適當(dāng)?shù)倪x擇。耶Yenilmez 等人報(bào)道了一種將電介質(zhì)傳一個(gè)適當(dāng)?shù)倪x擇。Yenilmez 等人報(bào)道了一種將電介質(zhì)傳感器網(wǎng)格連接到模具上的方法，以在樹脂傳遞模塑過(guò)程中監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的填充和樹脂固化進(jìn)度。電子時(shí)域反射測(cè)量傳感線也被整合到模具中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料制造的流動(dòng)和固化程度的非侵入性監(jiān)測(cè)，圖19(a) 中可以看到傳感器的附著演示。Dai 等人開發(fā)了一種基于碳納米管的織物傳感器，該傳感器可以安裝在模具上，以實(shí)現(xiàn)二維流動(dòng)和固化監(jiān)測(cè)，如圖19 （b ）所示。

圖19 （a ）傳感器附著在模具上的示意圖；（b ）基于碳納米管的織物傳感器安裝在模具上的示意圖

這些傳感器可以擴(kuò)展傳統(tǒng)模具的功能，并可用于保證制造的質(zhì)量和可靠性。然而，傳感器在循環(huán)高溫和高壓條件下的耐久性和可靠性需要進(jìn)一步調(diào)查和驗(yàn)證，保證其滿足在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。高成本也是限制其在模具行業(yè)潛在應(yīng)用的另一個(gè)主要問(wèn)題。此外，使用增強(qiáng)碳纖維或碳納米管作為電極而不削弱材料強(qiáng)度的自檢測(cè)方法是功能復(fù)合材料的新發(fā)展趨勢(shì)，這也可能是模具材料發(fā)展 的未來(lái)趨勢(shì)，使制造過(guò)程的在線監(jiān)控能夠承受數(shù)千次固化循環(huán)。

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