先进复合材料构件成型模具和工装技术

    复合材料模具多采用碳纤维或玻璃纤维复合材料制成，模具的热膨胀系数与成型构件的热膨胀系数大致相匹配，很好地保证了产品尺寸和型面精度，且模具重量轻。缺点是模具的制造工艺复杂、表面密封性较差、表面硬度较低、与金属模具相比使用寿命较短，且制造成本高。
 
    整体石墨模具具有热膨胀系数低、热导率高、热容量低和尺寸稳定的优点。缺点主要有升温慢和易碎，通常需要表面涂层。

    陶瓷模具热膨胀系数较低，同时还是优良的绝缘体，但是成本高、难加工、热导率低、易碎。

    碳泡沫是一种新型复合材料成型模具材料，其特点包括：（1）与碳纤维复合材料同属于碳材料，热膨胀匹配好，尺寸稳定性好；（2）重量轻，适合大尺寸复合材料构件成型；（3）耐高温，适合复合材料成型；（4）易于快速成型，易于机械加工和胶接成型，成本较低；（5）满足气密性需要特殊处理；（6）碳泡沫适合制造小批量复合材料构件的成型模具。

    硅橡胶模具是利用硅橡胶受热膨胀的原理，使压力通过硅橡胶传递到制件上，达到对制件加压的作用。
丙烯酸酯胶片是通过将丙烯酸酯做成所需模具的形状，经硫化后即可使用。该模具同硅橡胶模具相同，也是同金属模具配合使用。若制件的结构尺寸及表面要求较高时，则需在丙烯酸酯内铺纤维预浸料或其它加强材料，并且最好用金属模具硫化，以保证硫化后模具的尺寸稳定及表面质量。
 

    低熔点合金模具的种类很多，如铅锌模、秘锡模、锌基合金模等，其特点是熔点低、易于制模，其难点在于控制其凝固收缩率。美国从20世纪70年代开始研制符合生产复合材料制品的锌基合金模具。锌基合金用于复合材料制件成型模具有突出优点，如制模简便、制造周期短、生产成本低，并具有足够的强度、刚度、硬度、光洁度、气密性，使用寿命长，导热率高等。美国在20世纪80年代研制的Kirksite锌基合金模具，成功地制成了波音737尾部整流罩等复合材料大型结构件[9]。

    模具和工装制造方法

    采用殷钢包络板框架式焊接结构，型面一般采用10 mm厚的殷钢板焊接。由于型板只有10 mm厚，需要解决漏气问题，减少焊接变形和内应力，保证模具密封性。

    非金属模具一般采用多工步完成，用复合材料制造模具的常规顺序为：采用石膏制作基准模型，而后进行数控加工；在基准模型上增加塑胶层；采用湿法铺贴或预浸料铺贴，将石墨/环氧铺层或玻璃编织布或碳纤维编织布铺贴在塑胶面石膏模上，并采用真空烘箱和热压罐压实技术制造生产用模具。

    电沉积镍模具是通过电沉积方法，在芯模或塑料模具上形成一层可镀金属层，然后将芯模等去掉。

    气相沉积镍模具是通过气相沉积的方法，在聚酰亚胺上沉积一层金属镍，如图8所示。

    金属喷涂模具含有一层热喷涂金属壳，采用一些低成本材料结构作支撑，如木材、石膏或模具蜡。这些模具在简单的液压或气压下可以整体加热，因此能够提高生产效率，降低能耗成本。

    对于RTM模具，主要采用数控加工，其型腔表面的光洁度越高，做出产品的表面质量也就越好，产品脱模时也就更加容易，不过相应的加工费用也会提高。

    结束语

    近年来，先进复合材料构件成型模具和工装技术发展迅速。国外在自容式模具系统、易变形模具、易溶模芯、以及连续挤压成型等模具结构方面已经大量应用，并且在殷钢、碳泡沫、形状记忆高分子材料等新材料方面和电沉积镍、气相沉积镍等模具制造技术方面已成熟应用，虽然有些技术我国已开始起步，但应用的范围和成熟度还满足不了生产需求，急需在这方面加大研发力度，提升复合材料模具和工装技术水平，为加快型号研制提供制造基础技术保障。