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復合材料模具的制造
復合材料的使用已經(jīng)不是什么新鮮事。到大英博物館看一看就可以發(fā)現(xiàn)，古代埃及人已經(jīng)采用簡單但有效的稻草/泥土混合物建造他們的墓穴。下面是小編收集整理的復合材料模具的制造，歡迎閱讀，希望大家能夠喜歡。
現(xiàn)在，用于復合材料成型的模具也稱為工具，可以采用任何材料制成。對于低溫固化部件或原型部件來說，不需要嚴格控制尺寸的精確性，模具通常采用玻纖、高密度泡沫、可加工的環(huán)氧樹脂板甚至粘土或木材制成。
對于高溫固化部件來說，或者需要高尺寸精度時，或者模具要用于大量部件的生產(chǎn)時，模具必須具有更高的性能。這類模具所采用的材料包括因鋼(一種鎳/不銹鋼合金)、鋼、鋁、鎳和碳纖維。
模具材料的選擇通常要參考熱膨脹系數(shù)(CTE)、循環(huán)周期數(shù)、制品公差、表面質(zhì)量要求、固化工藝、材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、固化設(shè)備和成本來進行。
鋼和鋁通常是高性能模具的首選材料，但它們在生產(chǎn)復合材料部件時也有重大缺陷。在高溫固化過程中，模具和部件的CTE通常相差很遠而無法相容。高價金屬合金(例如因鋼)具有更加相似的CTE，但其加工成本很高。對于大型部件來說，這類模具的尺寸和重量使其難以加工、移動和存儲。
復合材料模具
如果復合材料模具的材料與最終產(chǎn)品的材料相近，那么即使無需昂貴的金屬模具也可以得到高性能的制品。過去復合材料模具僅僅是專業(yè)的航空和F1技術(shù)人員所知的一種藝術(shù)，而現(xiàn)在已被賽車制造商到航空業(yè)領(lǐng)導者(例如波音和空客)廣泛應用。經(jīng)過幾十年的發(fā)展和改進，復合材料模具制造已不再那么藝術(shù)，而成為一種更加穩(wěn)定高效的工藝。
“工業(yè)復合材料的應用歷史已經(jīng)超過50年，”AMBER復合材料公司歐洲地區(qū)銷售經(jīng)理JEDILLSLEY說，“最初，樹脂和織物的處理采用的是濕法手糊工藝，但這顯然不是一種能夠精確控制樹脂用量的好方法。在高精度儀器嚴格控制浸漬條件的情況下，將織物用樹脂浸漬后，就可以得到一種性能穩(wěn)定的材料，也就是今天我們所熟知的預浸料。最近，模具預浸料已經(jīng)成為高精度復合材料模具的標準制造方法�！�
隨著預浸料性能(包括可操作性、室溫下的使用壽命和正確的粘度)的逐漸改進，這種模具制造方法現(xiàn)在已變得更加簡便和經(jīng)濟。新一代復合材料正在越來越多的領(lǐng)域得以應用。
AMBER復合材料公司由一個小型的專家團隊于1988年在英國創(chuàng)立，開發(fā)和生產(chǎn)高性能的復合材料預浸料。預浸料技術(shù)那時還處于初級階段，早期的團隊參與了預浸料商業(yè)化應用的一些研究。AMBER總部位于英國諾丁漢郡(革命性的工業(yè)織布和碳纖維工業(yè)的搖籃)，在那里他們與F1車隊和其他許多高性能應用設(shè)計人員緊密合作。正是這些高要求客戶的需求推動了今天的模具材料的發(fā)展。
今天，AMBER為全球眾多行業(yè)提供服務(wù)，包括航空航天、汽車、船艇和通訊。
AMBER的低溫固化環(huán)氧樹脂模具預浸料HX50和HX70以及先進復合材料集團(ACG)的LTM系列現(xiàn)在已成為航空、汽車、船艇、工業(yè)和賽車行業(yè)的標準產(chǎn)品。不斷的改進使得這些材料便于處理和使用，并賦予模具A級表面和極長的使用壽命。有些系統(tǒng)現(xiàn)在可以承受200℃的高溫，一些最新的材料使得復合材料模具適用于更多的成型工藝。
ILLSEY提到了F1賽車生產(chǎn)商和美洲杯賽艇制造商：“F1車隊需要大量小型但復雜的部件，而賽艇制造商可能會需要一個30米長的部件。兩者都需要非常高的尺寸精度�！�
今天的高性能賽艇模具通常采用模具預浸料制成的，就像軍事和航天行業(yè)的模具一樣。經(jīng)過長期的發(fā)展，復合材料甚至被商業(yè)航空領(lǐng)域廣泛采用。例如，A350的整個機翼將采用碳纖維制成，大量的模具將采用復合材料預浸料。波音新機型B787由50%以上的復合材料組成，一些非常大的生產(chǎn)模具也是由復合材料模具預浸料制成的。
最近，相關(guān)的一些公司開始通過開發(fā)無需高溫高壓處理或增加樹脂用量的預浸料來開發(fā)低成本的復合材料模具。這種產(chǎn)品適用于制造大型部件和無法承受高溫的部件。
復合材料模具的優(yōu)勢
復合材料模具相比傳統(tǒng)金屬模具的優(yōu)勢在于，復合材料模具具有較低的生產(chǎn)成本，而且便于處理和存儲。對于需要精確尺寸的高性能部件來說，復合材料模具與部件的CTE更加接近，在固化過程有助于保持尺寸的完整性。
復合材料模具比幾年前更加普遍和環(huán)保，加工效率也更高�，F(xiàn)在的預浸料有各種粘度、固化溫度和尺寸可選。
復合材料變得普遍的另一個原因在于復合材料系統(tǒng)的可用性，客戶可以購買到全系列的材料，包括模具樹脂糊或樹脂板、膠粘劑、脫模劑和預浸料，所有這些都可以從一個供應商那里獲得，而且所有材料都可以完美相容。AXSON是一個提供全方位服務(wù)的供應商，其整體解決方案系統(tǒng)增長迅速。
AXSON技術(shù)公司CEOLIONELPUGET說：“最近我們?yōu)榈聡患以齑瑥S的賽艇生產(chǎn)提供了一系列的模具材料，包括SC175環(huán)氧樹脂糊、EC85表面膠衣、HX50模具預浸料和EG42膠衣，從而幫助其以較低成本，快速生產(chǎn)出高精度高性能的賽艇�！�
樹脂糊在這類部件，特別是大型模具的生產(chǎn)中起著重要作用。采用樹脂糊，可以使用成本相對較低的數(shù)控銑床粗略切割一個低成本低密度的樣品;然后在其上方覆蓋一層環(huán)氧樹脂或聚氨酯樹脂糊;樹脂糊固化后，可以將其加工成所需的尺寸，形成一個低成本模具樣品;然后模具預浸料被鋪放在精確切割好的樹脂糊上形成模具。
這種模具制造方法顯著縮短了大型精確部件的制造時間和成本。
最新的模具預浸料(例如HX90N)可以滿足低溫固化的特殊需求，同時具有極好的表面質(zhì)量。HX90N具有很低的熱膨脹率(比同等材料低60-70%)、極好的表面質(zhì)量以及耐高溫性能。
HX90N的這種優(yōu)異性能使其非常適用于對模具預浸料有嚴格要求的一些領(lǐng)域，并以幫助模具制造商滿足了航空、汽車和交通運輸行業(yè)越來越嚴格的各種應用需求。
大型和小型復合材料結(jié)構(gòu)比以往更快速、更便宜，也更精確，設(shè)計者可以利用復合材料的這些優(yōu)勢將其用于越來越多的高性能應用中。
拓展：復合材料無損檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)
1、概述
復合材料之所以能夠成為20 世紀迅速地在工業(yè)部門推廣應用的新材料、新結(jié)構(gòu)， 無損檢測技術(shù)發(fā)揮了十分重要的推動作用， 反過來， 復合材料也為無損檢測技術(shù)的迅速發(fā)展帶來了更多的研究空間。一些過去在金屬材料無損檢測中因技術(shù)障礙而面臨困境的檢測技術(shù)， 在復合材料對無損檢測技術(shù)的需求牽引下， 得到了新的飛速發(fā)展。如針對初期基于金屬材料及其結(jié)構(gòu)在負載作用下產(chǎn)生應力波的物理現(xiàn)象的聲發(fā)射檢測技術(shù)、基于物理波相干原理的激光全息干涉檢測技術(shù)、激光超聲檢測技術(shù)等， 幾乎都是70 年代問世， 80 年代在應用中由于物理信號特征解釋困難、環(huán)境條件要求苛刻或技術(shù)上有待進一步突破等原因， 難以在工程上找到用武之地， 自90 年代后則得到了迅速的應用發(fā)展。
由于復合材料的先進性與其質(zhì)量的離散性和高成本并存， 在實際應用中， 即使是經(jīng)過研究和試驗制訂的合理工藝， 在結(jié)構(gòu)件的制造過程中還可能會產(chǎn)生缺陷，引起質(zhì)量問題， 嚴重時還會導致整個結(jié)構(gòu)件的報廢， 造成重大經(jīng)濟損失。因此， 國外自70 年代以來， 就針對復合材料的研究、應用開展了全方位的無損檢測技術(shù)研究。早期主要是沿用金屬材料所采取的一些檢測方法， 進行復合材料的無損檢測技術(shù)探索， 隨著研究工作的深入， 人們對復合材料的內(nèi)部規(guī)律和缺陷特征有了更深的認識， 發(fā)現(xiàn)完全采用常規(guī)金屬材料無損檢測的方法不能解決復合材料的無損檢測問題。因此， 進入80 年代后， 才真正走向復合材料無損檢測， 研究出了許多適應復合材料特點的無損檢測新技術(shù)、新方法， 從而為解決復合材料的無損檢測、促進復合材料的推廣應用發(fā)揮了重要作用。
目前復合材料無損檢測已經(jīng)應用于材料、結(jié)構(gòu)件和服役無損檢測3 個方面。技術(shù)上已從初期的檢測方法探索發(fā)展到目前的檢測方法研究、信號處理技術(shù)、傳感器技術(shù)、缺陷識別技術(shù)、成像顯示技術(shù)、儀器設(shè)備技術(shù)、結(jié)構(gòu)件檢測技術(shù)、定量檢測與評估、服役結(jié)構(gòu)壽命評估、強度評估和性能測試等。無損檢測技術(shù)已經(jīng)成為復合材料研究和應用中的一項關(guān)鍵技術(shù)， 融入復合材料從研究到最終裝機應用的全過程。
2、復合材料無損檢測技術(shù)的應用范圍
復合材料無損檢測主要應用于以下3 個方面:(1)材料無損檢測;(2)結(jié)構(gòu)無損檢測;(3)服役無損檢測。
2.1 材料無損檢測
材料無損檢測主要解決材料研究中面臨的問題，進行諸如材料內(nèi)部缺陷表征、性能測試、缺陷基本判據(jù)的建立、無損檢測物理數(shù)學模型的建立等研究。其檢測對象主要是試樣、試片， 采用精細無損檢測技術(shù)， 面對材料研究過程， 重視無損檢測物理數(shù)學模型的建立，重點開展新的檢測方法研究。采用高分辨率超聲成像檢測技術(shù)得到的復合材料內(nèi)部3 個不同深度位置的超聲層析掃描檢測結(jié)果， 被檢測試樣為正交鋪層的碳纖維層壓結(jié)構(gòu)， 厚度為1 .5 mm 。從圖中可以看出碳纖維束的取向， 即使是一些位于纖維束之間的細小缺陷也能較好地檢測出來，箭頭所指的白色區(qū)域即為纖維束間的細小缺陷。從中還能清晰地看出， 試樣近表面層靠近左側(cè)纖維束的走向似乎不如右側(cè)有規(guī)律。這些信息的獲得對材料和工藝研究非常有益， 為得到這種微細缺陷信息， 必須采用高精度的超聲掃描檢測技術(shù)。
2.2 結(jié)構(gòu)無損檢測
結(jié)構(gòu)無損檢測主要解決結(jié)構(gòu)在工藝制訂、結(jié)構(gòu)件制造過程中面臨的問題， 如對各種結(jié)構(gòu)件進行無損檢測所需的儀器設(shè)備等檢測手段的建立、信號處理技術(shù)、缺陷判別、標準建立與完善等。檢測的對象是各種裝機應用的工程結(jié)構(gòu)件， 需要工程化檢測技術(shù)， 面對結(jié)構(gòu)件制造過程， 重視無損檢測手段的建立， 重點開展高效可靠的檢測技術(shù)研究。圖4 是一種典型的針對復合材料結(jié)構(gòu)的超聲檢測設(shè)備， 可以用于多種復合材料結(jié)構(gòu)的自動掃描檢測。
2.3 服役無損檢測
服役無損檢測主要研究裝機結(jié)構(gòu)件在服役過程中所需的無損檢測方法、手段等， 包括提供有關(guān)結(jié)構(gòu)件殘余壽命、剩余強度、損傷擴展等綜合信息的評估。檢測的對象是裝機后的各種服役結(jié)構(gòu)件， 采用易實現(xiàn)、快速可行的外場檢測技術(shù)， 面對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的安全服役全過程， 重視外場檢測技術(shù)與結(jié)構(gòu)件的安全服役的質(zhì)量保證， 重點開展外場檢測技術(shù)研究。如中國航空工業(yè)制造工程研究所研制生產(chǎn)的FCC 外場復合材料檢測儀，是目前用于外場復合材料服役結(jié)構(gòu)件無損檢測的主要儀器， 具有很高的檢測分辨率。
3、復合材料無損檢測技術(shù)現(xiàn)狀
經(jīng)過不斷的研究、發(fā)展和完善， 目前超聲和X 射線照相法檢測已成為2 種最主要和成熟的復合材料無損檢測技術(shù)。特別是超聲檢測技術(shù)， 由于被檢測物理量與復合材料內(nèi)部缺陷存在最為良好的可精確表述的物理數(shù)學關(guān)系， 因此， 通常復合材料構(gòu)件都要求采用超聲方法進行100 %無損檢測。大量的研究和應用也表明， 超聲是目前國內(nèi)外復合材料無損檢測最為實用有效、應用最為廣泛的無損檢測技術(shù)， 它能可靠地檢測出復合材料中的分層、疏松、孔隙等大部分危害性缺陷�；诔暦瓷浠夭ㄔ�， 目前可以檢測到復合材料內(nèi)部微細缺陷信息， 采用超聲層析檢測技術(shù)還可以得到復合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同深度、不同截面位置的C 掃描、T掃描和B 掃描檢測結(jié)果。對于一些特殊的復合材料結(jié)構(gòu)， 或者特殊缺陷(如夾層結(jié)構(gòu)中的芯缺陷)及重要部位(如連接接頭和較為受力部位)， 則采用X 射線照相法輔助檢測。利用X 射線衰減原理， 可以檢測出引起材料厚度或密度1 %～ 2 %變化的缺陷， 但對于碳纖維/樹脂基復合材料， 由于其密度小、缺陷大多位于鋪層之間， 缺陷的存在引起的厚度變化非常小， 因此， X 射線照相法一般不用于這類復合材料的無損檢測， 它主要用于夾層結(jié)構(gòu)的無損檢測。
聲顯微和超聲層析是揭示復合材料內(nèi)部微細規(guī)律的精細無損檢測技術(shù)。
在眾多的無損檢測方法中， 目視檢測、敲擊法檢測、超聲諧振法檢測是最為廉價的復合材料無損檢測方法。
超聲相關(guān)、X 射線背散射、聲-超聲、聲發(fā)射等檢測技術(shù)， 都在復合材料無損檢測中尋找應用空間， 但在復合材料研究和結(jié)構(gòu)件制造過程中， 目前還較難找到應用場合。
未來的復合材料無損檢測將更加追求快速高效，因此， 基于干涉原理和溫度場分布原理的激光全息干涉檢測技術(shù)和熱/紅外成像檢測技術(shù)， 因其具有非接觸、可大面積掃描、快速等特點， 將成為復合材料結(jié)構(gòu)無損檢測的良好技術(shù)。但目前還必須突破一些技術(shù)難題， 賦予這些檢測技術(shù)新的工程應用內(nèi)涵， 才能使其廣泛用于復合材料結(jié)構(gòu)的無損檢測。
4、復合材料無損檢測技術(shù)的發(fā)展
未來復合材料的無損檢測技術(shù)應圍繞以下幾個方面開展研究。
(1)針對復合材料裝機結(jié)構(gòu)件的快速高效無損檢測技術(shù)。
賦予傳統(tǒng)復合材料無損檢測新的技術(shù)內(nèi)涵， 使之更適合未來復合材料的低成本設(shè)計、制造和裝機應用主流， 通過提高傳統(tǒng)檢測技術(shù)的功效， 達到提高檢測效率、降低檢測成本的目的。開展無損檢測新技術(shù)和新方法的研究， 探索研究適合復合材料的快速高效無損檢測技術(shù)和方法。美國等復合材料用量較大的國家，自90 年代后期已經(jīng)開始將復合材料無損檢測技術(shù)研究的重點轉(zhuǎn)移到快速高效的無損檢測方向， 而且有了初步應用成果。
(2)針對新型復合材料的無損檢測技術(shù)。
與發(fā)達國家相比， 目前我國復合材料無損檢技術(shù)的研究深度和發(fā)揮作用的程度還遠遠不夠。在復合材料及其應用研究過程中， 如果能很好地掌握其內(nèi)部微細規(guī)律， 對復合材料工藝制訂、結(jié)構(gòu)制造等將具有重要的作用和意義。復合材料的一個重要結(jié)構(gòu)特征就是內(nèi)部各組分之間物理界面復雜， 如果能利用無損檢測技術(shù)得到這些界面的全部信息， 將會對材料研究和工藝分析起十分重要的指導作用。
(3)復合材料無損檢測技術(shù)的升華。
未來復合材料無損檢測只有與材料的性能、結(jié)構(gòu)件的壽命和剩余強度密切結(jié)合， 才能發(fā)揮更大的作用。近年來國外已經(jīng)在這方面開展了大量的研究工作。
(4)國內(nèi)復合材料無損檢測硬件的自主建設(shè)。
復合材料無損檢測也是一個技術(shù)產(chǎn)業(yè)， 其研究成果和效益在很大程度上是通過為復合材料應用部門提供無損檢測硬件平臺和技術(shù)支持來實現(xiàn)的。必須經(jīng)過自身的努力和投入才能得到一流的技術(shù)， 形成自己的技術(shù)產(chǎn)業(yè)， 發(fā)揮效益， 復合材料無損檢測行業(yè)也不例外， 真正的技術(shù)和手段必須通過自主研究和開發(fā)， 當然， 可以充分利用國際技術(shù)平臺， 但不應盲目地采購實物。
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