复合材料在航空航天材料加工模具中结构和工艺的应用

　　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 模具制造中的复合材料

 

　　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。

 

　　

 

　　图2 模具制造中的关键材料规格及其对工艺性能的影响以及产品特性示意图

 

　　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。

 

　　2.2 模具材料的发展

 

　　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。

 

　　图3制造业复合材料模具使用材料的发展趋势

 

　　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。

 

　　

 

　　图4长度为4.9m并加热至177 ◦C时不同模具材料的总热膨胀

 

　　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。

 

　　

 

　　

 

　　图5 复合材料制造工艺中不同传统模具材料的性能比较

 

　　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。

 

　　

 

　　图6 (a)因瓦合金(b)复合材料作为模具材料的应用于航空航天工业实例

 

　　2.4 新型模具材料

 

　　随着对效率、成本和使用寿命的要求越来越高，先进航空航天工业复合材料制造模具发展越来越快，新型模具材料层出不穷。这些为模具开发的新材料可分为三类。a)新一代复合材料，如改性树脂体系复合材料。b)碳泡沫。c)形状记忆聚合物(SMP)。

 

　　2.4.1 新型树脂复合材料

 

　　为了解决模具使用寿命短，使用温度低和储存等限制问题，许多新型高性能复合材料结构的大量生产，近十年来，复合材料得到了快速的发展。

 

　　双马来酰亚胺树脂因其具有更好的热性能已被用作航空航天工业中的先进复合材料，比环氧树脂更稳定。这使得它们被用作模具材料时使大规模生产CF/EP复合材料成为可能。同时，双马来酰亚胺树脂不像一般复合材料结构，需要连续纤维来增强，只具有随机分布的短纤维，使其作为模具材料时，具有更好的机械加工性。一些CF/BMI模具材料已经商业化并在航空航天工业中得到使用。

 

　　20世纪40年代合成的苯并噁嗪树脂，最近已成为航空航天结构部件的新型树脂材料。工业上，由于苯并噁嗪树脂在耐高温应用方面的优势， 优异的耐火性和室温储存性能，使得它们也有可能作为模具材料使用。Airtech提供的模具预浸料包含苯并噁嗪树脂，命名为β预浸料。除了长达六个月的环境储存寿命之外，相比其他树脂材料，它还拥有更低的收缩率和回弹性能(> 70%)。

 

　　耐高温热塑性树脂材料也被报道为CF/EP复合材料的使用的模具材料结构。最近，CFP复合材料公司开发了一种新的模具材料，该材料由短切碳纤维与PA66树脂混合制成，据报道，PA66树脂可承受高达200°C的热循环，且完全可加工。然而，热塑性树脂的CTE比热固性树脂的高，这对材料制造精度是有害的。此外，对其成本和热性能的相关研究相对较少，其大规模生产能力也没有相关报道。

 

　　另一种改善树脂性能的方法是通过纳米填充物适当地改变其组成。一种纳米填充环氧树脂已被开发并用于模具材料，命名为HX90N。据报道，它拥有极低的热膨胀(比同类产品低60–70%)和更高的使用温度(180°C ），而传统环氧基工具材料的温度为150 ℃（例如 Hexcel M81） 。发现通过调节二氧化硅微粒与环氧树脂的比例，可以增加复合材料的强度和弹性模量，并降低材料的CTE。Nelson等人进一步研究了纳米二氧化硅添加到环氧树脂基预浸料坯，并报道了40%(添加量)的纳米二氧化硅预浸料坯，可以实现降低40%的CTE和50%的收缩率。此外，它还提供更好的耐刮擦性和更低的放热性能，可以提高模具的使用寿命和热性能。

 

　　这些新开发的高性能树脂从各个方面提高了复合材料模具的性能。此外，对于已经商业化并成功应用于航空航天工业的新型CF增强复合材料，实验验证它们的使用寿命和固化期间在循环热和压力条件下的稳定和成本，与传统的CF/EP材料相比，具有更好的使用潜力。

 

　　2.4.2 碳泡沫

 

　　由于碳具有良好的CTE相容性、导热性和热稳定性，因此碳用来制作模具材料时在高温下的尺寸稳定性高。然而，随着航空航天工业生产中结构部件的尺寸越来越大，单片石墨由于其较高的密度导致其用作模具材料时存在质量大的问题。

 

　　碳泡沫在预设的高压和高温条件下的显微结构如图7（a）和7（b）所示。碳泡沫的关键性能之一时通过控制分解过程，以获得不同的孔径，例如密度、导热率、强度和成本均可根据模具的需求定制。图7(c)指出通过调节碳泡沫的添加量，可以使复合材料实现了接近因瓦合金的CTE 范围的温度特性。此外，碳泡沫作为大尺寸复合材料的模具制造也有相关报道。

 

　　尽管碳泡沫的特性可以调整，但需要注意的是，这些属性的变化很大程度上取决于材料石墨化的程度。例如，材料密度可以从0.03 × 103至0.6 × 103 kg/m3 ，强度可以从0.2到6.3 Mpa，热电导率可以从0.1到250 W/m oC。这些特性会影响模具与组件交互的性能。目前的研究不足以设计合适的碳泡沫作为特定应用的模具材料，导致复合材料制造过程中的回弹性能不好。此外，由于碳泡沫具有开孔结构，内部的孔隙可能导致材料结构缺陷，导致不适用于复合材料高温高压固化模具的制作。此外，碳泡沫必须逐层粘合，以保证模具结构坚固和完整，从而增加了模具设计的复杂性和成本。

 

　　图7 （a）、（b）碳泡沫在预设的高压和高温条件下的显微结构（c）碳泡沫的添加量与复合材料CTE的关系

 

　　2.4.3 形状记忆聚合物（SMP）

 

　　SMP是一种智能材料，它可以通过外部因素的改变（如温度、光和电）从临时形状转变为原始形状。由于它们的形状记忆特性、低密度、变形率高以及与CFRC相似的CTE，使这些材料有极大可能应用在模具制造选材方面。

 

　　聚合物的原始形状和在转变温度下将改变其相态，如又橡胶态转变为玻璃态，从而获得临时形状。SMP的形状记忆效应如图8(a)所示。当将SMP加热到转变温度时（临界变形温度），可以变为临时形状，并且当冷却到室温时保持不变。这种暂时的形状，可用作复合材料后续固化的特定形状的模具制造。再次加热到临界变形温度以上后，SMP变成可变形状态并恢复到原来的形状。杜等人报道了一个风管构件的SMP模具研究，如所示 图8 (b ),对于临界变形温度在55oC的SMP模具恢复过程约150 s，材料成型后模具可以很容易的从风管部件表面脱除。

 

　　

 

　　图8 （a）SMP的形状记忆效应（b）SMP模具用于风管部件的制造工艺

 

　　虽然SMP对复杂和整体有很高的适应性复合结构，但它们仍然受到一些应用的限制。第一个限制是与其他复合材料相比，SMP固化温度对于航空复合材料部件的要求（120-180oC）仍然非常低。越来越多的研究是为了制备突破温度限制的SMP材料。例如最近开发的氰酸酯SMP（变形温度达到135–230oC）和马来酰亚胺基SMP（变形温度达到150–270oC）改善了这一性能。此外，一些热塑性树脂也被专为SMP开发。Shi等人开发了一种基于磺化聚离聚物的热塑性SMP，据报道变形温度可达到250°C。

 

　　SMP模具另一个使用受限的因素使是它们的韧性不够，足以承受循环固化过程中苛刻的力学条件，这将显著降低模具的精度和寿命。近十年的研究试图开发形状记忆聚合物复合材料（SMPC），通过弹性材料或纤维增强材料被混入纯的SMP来克服SMP的韧性问题。据报道，具有玻璃纤维或碳纤维的SMPC具有高强度和模量，伸长率和可回收率较差，影响模具使用的耐久性和精确性。具有弹性材料的SMPC得到改善。然而，比纯SMP更低的模量对于保持高精度的模具是有害的，特别是对于航空航天应用领域。

 

　　这些新开发的SMP和SMPC在先进复合材料制造方面有可能实现对模具基本温度和机械性能的要求。然而，它们的使用寿命和热性能和压力循环中的尺寸公差问题仍需解决，这些材料的商业化应用还有很长一段路要走。

 

　　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。

 

　　3.2复合结构

 

　　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。

 

　　3.2.1碳纤维复合材料

 

　　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。

 

　　3.2.2因瓦合金复合材料

 

　　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。

 

　　

 

　　图14不同模具材料结构和性能比较。

 

　　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。

 

　　3.3小结

 

　　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。

 

　　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

 

　　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。

 

　　

 

　　图17 带有嵌入式加热元件的自加热模具组成示意图

 

　　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。

 

　　

 

　　图18 由因瓦合金和复合材料组成的模具结构示意图

 

　　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。