復合材料應用于航空航天材料加工模具中結構和工藝的研究（三）
更新時間：2022-12-05 15:21:53
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3.復合材料制造的模具結構
除了上述章節中回顧的材料之外，開發新的模具結構是另一個吸引實驗室和行業越來越感興趣的方面，由此可同時提高復合材料制造模具的機械和熱性能。在本研究中，這些結構被分為三類，包括（i）單一材料的傳統結構，（ii）復合結構和（iii）可重構結構。3.1單一材料的傳統結構
傳統模具的整個結構中由相同的材料制成，以消除可能出現的熱膨脹系數和其他性能不匹配的情況，特別是航空航天工業中具有高精度要求的復合材料產品。如第2節所述，每種模具的材料都有其優點和缺點，不同的結構被設計出來用于加強其優點和避免其缺點。對于因瓦合金和碳纖維復合材料模具，其常規結構通常由兩部分組成：一個具有設計形狀的面板，以確保部件的尺寸精度。而對于具有良好的可加工性的材料，如第2.4.2 節中討論的碳泡沫，直接通過加工制備的單一結構也是模具的一種選擇。 然而，由于模具材料的固有缺點，單一材料的傳統模具結構有其自身的局限性。通過基板+面板式因瓦合金模具這樣的結構設計，可以在一定程度上獲得優化的重量，但對于大型和超大型的集成部件，即在航空航天工業中日益受到關注的部件（如機翼和機身），其重量在復合材料制造過程中是一個大問題。盡管碳纖維復合材料可以在很大程度上消除重量問題，但目前的樹脂系統無法保證良好的密封性，也就無法滿足當前和未來航空航天部件的大規模生產。 為了解決單一材料的傳統模具結構中存在的問題，如重量大或結構缺陷，人們提出了結合不同材料的優勢設計復合結構。長期以來，由碳纖維復合材料表面和鋁蜂窩芯組成的夾層結構被報道為復合材料制造模具的復合結構廣泛研究。然而，夾層結構的熱膨脹系數比復合材料高得多，不能提供航空產品所需的足夠的尺寸公差，特別是對于大型/超大型產品，此外，由于碳纖維復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的模具材料組合，降低相界面帶給復合材料結構的缺陷，可以一定程度提高材料的結構完整性。圖11列出了具有低熱膨脹系數的典型模具材料的優點和局限性，包括碳泡沫、CF/EP（BMI）復合材料和因瓦合金，通過將這些材料組合在復合結構中，有可能在復合材料制造的模具中實現平衡性能。
圖11.低熱膨脹系數的典型工具材料的優勢和局限性，以及不同材料組合時相應的復合優勢。 天臣國際醫療科技股份有限公司開發了一種以碳泡沫為基底、碳纖維增強塑料復合材料為面板的復合結構模具系統，其中使用由連續和短切碳纖維增強的高溫樹脂（包括EP和BMI）作為面板，以緩解多孔碳泡沫的結構缺陷。圖12（a）比較了使用和不使用粘結碳纖維復合材料面板的模具表面狀況。盧卡斯等人報道了“碳泡沫芯+碳纖維復合材料”復合模具的案例研究，其中研究了該模具在低成本、快速制造性能方面的有效性。據報道，它具有良好的耐久性，但未報告量化數據，理論上，其使用壽命會受到面板材料結構完整性的限制。此外，碳泡沫的開放性孔隙結構使高溫樹脂相對容易滲透，有助于實現良好的粘合界面，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合系統。代替碳纖維復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。由于開孔結構，填料和碳泡沫材料之間可以獲得良好的結合，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的碳纖維復合材料相比，填充物樹脂的機械性能較低，以及填充物和碳泡沫之間的熱膨脹系數不匹配導致的。
圖12. (a) 帶有碳泡沫的單一模具和帶有碳泡沫+復合材料制造的模具比較；(b) 談泡沫與復合材料界面的復合模具SEM顯微圖；(c) 填充材料與碳泡沫基材之間結合的微觀結構。 隨著復合材料結構在航空航天工業中變得越來越大，人們迫切需要新的模具，這種模具可以像因瓦合金那樣經受數千次固化循環，但更輕、更便宜。因此，最近提出了將因瓦合金和復合材料相結合的復合模具結構，使其擁有良好耐久性的同時減輕重量。Remmele工程公司開發了一種復合因瓦合金/復合材料復合模具，其特點是因瓦合金面板厚度減小，并具有互鎖的CF/BMI復合材料基底，與因瓦合金模具相比，重量減少了50%，成本和使用壽命相當。由于熱膨脹系數相似，因瓦合金板和復合材料基底的連接采用榫舌和凹槽粘結的方法，如圖13（a）所示。 此外，Ascent航空公司還開發了另一種 "因瓦合金基地+復合材料面板"的復合結構，如圖13(b)所示。
圖13 使用因瓦合金和復合材料的兩組復合模具概念的比較（a）復合材料基底+因瓦合金面板和（b）因瓦合金基底+復合材料面板。 薄的因瓦合金面板用于保證材料結構完整性，而復合材料則用于減輕重量，為加工提供更好的適應性，并使臺面的修復成為可能，避免像傳統因瓦合金模具那樣需要更換整個模具。據稱，這種復合結構可以減少50%的重量，縮短20%的制造時間。 圖14比較了具有復合材料和單一材料（如因瓦合金和CF/BMI復合材料）的模具的性能。通過將碳泡沫與復合材料相結合，由于碳泡沫具有良好的可加工性，復合材料模具的效率可以提高，但由于復合材料面板的特性，其溫度和壽命性能仍然受到限制。
對于采用因瓦合金和復合材料制造的模具，可以在使用壽命、可移動性和效率之間取得良好的平衡，使其成為未來在航空航天工業中應用的極具前途的模具結構。 本節系統地介紹和討論了航空航天工業中復合材料制造模具的材料及結構。單一材料是目前使用最廣泛的，結合不同材料優點的復合材料則顯示出更好的材料性能，不久將來會成為模具材料的不二選擇。
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