浅谈先进复合材料构件成型模具和工装技术发展趋势

　　复合材料已成为与钛合金、铝合金、合金钢并驾齐驱的四大航空结构材料之一(在B787结构上的用量达总重的50%，A350XWB结构上的用量达总重的52%)，其中应用最为广泛的仍然是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维等高性能纤维增强的先进树脂基复合材料(以下简称先进复合材料)。基于先进复合材料的反应特性和满足先进复合材料构件内部质量的特定需求，在先进复合材料构件成型过程中，需要加热、加压和抽真空等外在工艺条件。先进复合材料特别突出的成型特点就是材料成型和构件成型最终同时完成，这就决定了先进复合材料构件的形位精度主要依靠模具工装来保证，而且模具材料和模具结构必须满足易于传热、传压和真空完整性好等要求。
　　1 基于成型工艺条件的模具发展趋势
　　1.1 成型压力
　　无论是先进热固性树脂基复合材料，还是先进热塑性树脂基复合材料，其成型过程都需要施加外界压力的压实过程，以排出构件中的空气、压实空隙并实现增强纤维的均匀分布。施加外界压力有几种工艺方式：(1)构件的一面为刚性模具，另一面为依赖气体或液体传压的弹性模具(例如传统热压罐工艺)或依赖机械传压的刚性模具(例如传统模压工艺)，这是最常用的方式;(2)以热胀材料为芯模，刚性材料为阴模，构件置于芯模和阴模之间，这种方式用于DC-10飞机方向舵后上段和海豚直升机的水平尾翼;(3)以热膨胀系数高的材料为芯模，热膨胀系数低的材料为阴模，构件置于热膨胀系数差异比较大的芯模和阴模之间;(4)以刚性材料为芯模，热收缩材料为包覆袋，构件置于热膨胀系数差异比较大的芯模和包覆袋之间。
　　1.2 成型温度
　　不管是热固性树脂基复合材料固化，还是热塑性树脂基复合材料熔化，都需要加热以达到合适的成型温度。复合材料构件的成型模具应当满足加热构件的升温效率和构件温度场分布的均匀性，这种模具按加热方式来划分有几种结构形式：(1)以加热的空气或者惰性气体为传热载体，对蛋框式模具加热(以对流换热方式为主，温度较高时热辐射占的份额也比较大);(2)把热电阻和循环水管直接埋入成型模具中，传热方式以热传导为主。
　　1.3 真空度
　　降低先进复合材料构件的空隙率，需要提供合适的真空度工艺条件。目前工程上提供真空的方式大致有：(1)用腻子密封好的一次性使用真空袋连接真空贮气罐，贮气罐与真空泵相连或者真空袋与真空泵直接相连;(2)用可多次重复使用的真空袋连接真空贮气罐，贮气罐与真空泵相连或者真空袋与真空泵直接相连。
　　2 基于构件成型质量的模具发展趋势
　　在先进复合材料构件的成型过程中，如果模具材料与复合材料的热膨胀系数不匹配，就会对构件的成型质量产生明显影响。第一，成型过程要经历升温、保温和降温阶段，复合材料与模具热膨胀系数不匹配会使构件与模具接触区域由于摩擦力而产生固化变形。第二，在降温过程中模具比复合材料构件收缩量大很多，带有型面的构件会在制造过程中产生损伤。第三，在升温过程中，复合材料构件尺寸随着模具的热膨胀而变化;在保温过程中，复合材料构件尺寸变化比较小;在降温过程中，复合材料构件尺寸随着模具的热收缩而变化;在整个热历程中，如果模具材料与复合材料的热膨胀系数不匹配，复合材料构件的尺寸偏差会比较大。因此，先进复合材料构件(特别是大型、复杂构件)成型模具应尽可能选用热膨胀系数与复合材料相近的材料，如殷钢、碳泡沫、碳毡等。
　　2.1 殷钢
　　殷钢作为复合材料成型模具材料，其特点包括：(1)与复合材料匹配的热膨胀系数(CoefficientofThermalExpansion，CTE)低;(2)耐温性能好，适合复合材料高温成型;(3)真空完整性好，适合复合材料真空封装成型;(4)热传导良好，能够提高复合材料热历程成型效率;(5)机械加工性能好，不需要大量额外的技术投入;(6)材料成本高昂。殷钢材料应用于航空复合材料构件的成型模具。
　　2.2 碳泡沫
　　碳泡沫是一种刚开发出来的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，CTE匹配得相当好，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)易于快速成形，易于机械加工和胶接成形，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。碳泡沫用作典型航空复合材料构件的模具材料。
　　2.3 碳毡
　　近几年开始了关于应用碳毡作为复合材料成型的模具材料的研究，其特点包括：(1)与金属材料相比，因重量更轻而易于搬运，并且下部基础结构投资少，因升降温速率更快而节省能源消耗和制造周期，易于机械加工和修理，可以更改模具尺寸而适于复合材料构件研制;(2)与传统复合材料相比，适于制造复杂形状模具，易于改变模具表面尺寸;(3)碳毡适合制造小批量复合材料构件的成型模具。
　　3 满足复杂构件脱模的功能模具发展趋势
　　有些航空复合材料构件的几何外形非常复杂，如翼面类的纵横加筋壁板、机身类的M形加筋壁板和S形进气道非开敞结构等。这些复杂构件成型和脱模对模具材料和模具结构都有特殊要求，近几年出现了一些能够满足这些要求的具有特殊功能的模具结构和模具材料，主要有2类：一类是易溶模具，以水溶性模具为代表;另一类是易变形模具，以形状记忆高分子模具为代表。
　　3.1 易溶模具
　　易溶模具是指采用在某种溶剂中易于溶解的材料运用浇铸法或模压法制成空心或实心的模具。复合材料构件依赖这种模具成型后，从开口处通入合适温度的溶剂，使模具材料溶解进而从构件中流出。流出的溶体和砂子经清理后可重复使用。比较有代表性的是用水做溶剂，即水溶性模具，国外已有把水溶性模具用于共固化成型复合材料副翼的研究。
　　3.2 易变形模具
　　易变形模具是指这种模具在某一种物理状态下保持一定模具形状，在另一种物理状态下变成另外的模具形状。比较有代表性的易变形模具是形状记忆高分子模具，这种模具通常由记忆成型构件原始形状的固定相和随温度变化能发生可逆软化与硬化变化的可逆相组成。固定相的作用是记忆与回复成型构件原始形状，而可逆相的作用则是发生与固定形变。国外已有研究把形状记忆高分子模具用于缠绕成型S形复合材料构件。
　　4 满足低成本/短周期的工装发展趋势
　　针对近几年先进复合材料结构尺度大、形状复杂的特点，对先进复合材料构件制造提出了低成本/短周期的要求。为了满足这些需求，在成型工装方面呈现柔性化发展趋势。
　　柔性工装是指针对几何形状相似的一类工装，基于灵活的工装设计和工装制造理念，运用先进的工装设计和工装制造技术，在成熟的刚性工装技术基础上，对工装的型腔或者成型表面进行快速的再利用、再组合、再加工的工装。近几年，国外发展了SPT(SubtractivePinTooling)技术，通过分块组合和细杆调节型面高度的方式来快速、低成本地制造同一类相似工装。柔性工装理念和技术可用于先进复合材料构件制造定位和固化后切边夹持等工序。
　　5 结束语
　　近几年来，先进复合材料构件成型的模具材料和模具结构出现了许多形式，为复合材料构件制造提供了更多的手段和方法。先进复合材料构件对成型的压力、温度和真空条件有具体要求，从模具材料和模具结构方面可以采用适当方式来满足。这些新模具材料和新模具结构技术，有的已经进入可批量生产状态(如殷钢)，有的尚处于研究阶段(如形状记忆高分子模具)，所以需要分情况、按要求地选择运用这些新模具材料和新模具结构技术。