復(fù)合材料應(yīng)用于航空航天材料加工模具中結(jié)構(gòu)和工藝的研究（三）
更新時(shí)間：2022-12-05 15:21:53
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3.復(fù)合材料制造的模具結(jié)構(gòu)
除了上述章節(jié)中回顧的材料之外，開(kāi)發(fā)新的模具結(jié)構(gòu)是另一個(gè)吸引實(shí)驗(yàn)室和行業(yè)越來(lái)越感興趣的方面，由此可同時(shí)提高復(fù)合材料制造模具的機(jī)械和熱性能。在本研究中，這些結(jié)構(gòu)被分為三類(lèi)，包括（i）單一材料的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，（ii）復(fù)合結(jié)構(gòu)和（iii）可重構(gòu)結(jié)構(gòu)。3.1單一材料的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)模具的整個(gè)結(jié)構(gòu)中由相同的材料制成，以消除可能出現(xiàn)的熱膨脹系數(shù)和其他性能不匹配的情況，特別是航空航天工業(yè)中具有高精度要求的復(fù)合材料產(chǎn)品。如第2節(jié)所述，每種模具的材料都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，不同的結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)出來(lái)用于加強(qiáng)其優(yōu)點(diǎn)和避免其缺點(diǎn)。對(duì)于因瓦合金和碳纖維復(fù)合材料模具，其常規(guī)結(jié)構(gòu)通常由兩部分組成：一個(gè)具有設(shè)計(jì)形狀的面板，以確保部件的尺寸精度。而對(duì)于具有良好的可加工性的材料，如第2.4.2 節(jié)中討論的碳泡沫，直接通過(guò)加工制備的單一結(jié)構(gòu)也是模具的一種選擇。 然而，由于模具材料的固有缺點(diǎn)，單一材料的傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)有其自身的局限性。通過(guò)基板+面板式因瓦合金模具這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在一定程度上獲得優(yōu)化的重量，但對(duì)于大型和超大型的集成部件，即在航空航天工業(yè)中日益受到關(guān)注的部件（如機(jī)翼和機(jī)身），其重量在復(fù)合材料制造過(guò)程中是一個(gè)大問(wèn)題。盡管碳纖維復(fù)合材料可以在很大程度上消除重量問(wèn)題，但目前的樹(shù)脂系統(tǒng)無(wú)法保證良好的密封性，也就無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前和未來(lái)航空航天部件的大規(guī)模生產(chǎn)。 為了解決單一材料的傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)中存在的問(wèn)題，如重量大或結(jié)構(gòu)缺陷，人們提出了結(jié)合不同材料的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)復(fù)合結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)期以來(lái)，由碳纖維復(fù)合材料表面和鋁蜂窩芯組成的夾層結(jié)構(gòu)被報(bào)道為復(fù)合材料制造模具的復(fù)合結(jié)構(gòu)廣泛研究。然而，夾層結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)比復(fù)合材料高得多，不能提供航空產(chǎn)品所需的足夠的尺寸公差，特別是對(duì)于大型/超大型產(chǎn)品，此外，由于碳纖維復(fù)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(shù)的模具材料組合，降低相界面帶給復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的缺陷，可以一定程度提高材料的結(jié)構(gòu)完整性。圖11列出了具有低熱膨脹系數(shù)的典型模具材料的優(yōu)點(diǎn)和局限性，包括碳泡沫、CF/EP（BMI）復(fù)合材料和因瓦合金，通過(guò)將這些材料組合在復(fù)合結(jié)構(gòu)中，有可能在復(fù)合材料制造的模具中實(shí)現(xiàn)平衡性能。
圖11.低熱膨脹系數(shù)的典型工具材料的優(yōu)勢(shì)和局限性，以及不同材料組合時(shí)相應(yīng)的復(fù)合優(yōu)勢(shì)。 天臣國(guó)際醫(yī)療科技股份有限公司開(kāi)發(fā)了一種以碳泡沫為基底、碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料為面板的復(fù)合結(jié)構(gòu)模具系統(tǒng)，其中使用由連續(xù)和短切碳纖維增強(qiáng)的高溫樹(shù)脂（包括EP和BMI）作為面板，以緩解多孔碳泡沫的結(jié)構(gòu)缺陷。圖12（a）比較了使用和不使用粘結(jié)碳纖維復(fù)合材料面板的模具表面狀況。盧卡斯等人報(bào)道了“碳泡沫芯+碳纖維復(fù)合材料”復(fù)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(jù)報(bào)道，它具有良好的耐久性，但未報(bào)告量化數(shù)據(jù)，理論上，其使用壽命會(huì)受到面板材料結(jié)構(gòu)完整性的限制。此外，碳泡沫的開(kāi)放性孔隙結(jié)構(gòu)使高溫樹(shù)脂相對(duì)容易滲透，有助于實(shí)現(xiàn)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(fù)合系統(tǒng)。代替碳纖維復(fù)合材料面板的是一種填充材料，如高溫樹(shù)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(kāi)孔結(jié)構(gòu)，填料和碳泡沫材料之間可以獲得良好的結(jié)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(yīng)的碳纖維復(fù)合材料相比，填充物樹(shù)脂的機(jī)械性能較低，以及填充物和碳泡沫之間的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的。
圖12. (a) 帶有碳泡沫的單一模具和帶有碳泡沫+復(fù)合材料制造的模具比較；(b) 談泡沫與復(fù)合材料界面的復(fù)合模具SEM顯微圖；(c) 填充材料與碳泡沫基材之間結(jié)合的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。 隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在航空航天工業(yè)中變得越來(lái)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(jīng)受數(shù)千次固化循環(huán)，但更輕、更便宜。因此，最近提出了將因瓦合金和復(fù)合材料相結(jié)合的復(fù)合模具結(jié)構(gòu)，使其擁有良好耐久性的同時(shí)減輕重量。Remmele工程公司開(kāi)發(fā)了一種復(fù)合因瓦合金/復(fù)合材料復(fù)合模具，其特點(diǎn)是因瓦合金面板厚度減小，并具有互鎖的CF/BMI復(fù)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(dāng)。由于熱膨脹系數(shù)相似，因瓦合金板和復(fù)合材料基底的連接采用榫舌和凹槽粘結(jié)的方法，如圖13（a）所示。 此外，Ascent航空公司還開(kāi)發(fā)了另一種 "因瓦合金基地+復(fù)合材料面板"的復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖13(b)所示。
圖13 使用因瓦合金和復(fù)合材料的兩組復(fù)合模具概念的比較（a）復(fù)合材料基底+因瓦合金面板和（b）因瓦合金基底+復(fù)合材料面板。 薄的因瓦合金面板用于保證材料結(jié)構(gòu)完整性，而復(fù)合材料則用于減輕重量，為加工提供更好的適應(yīng)性，并使臺(tái)面的修復(fù)成為可能，避免像傳統(tǒng)因瓦合金模具那樣需要更換整個(gè)模具。據(jù)稱(chēng)，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)可以減少50%的重量，縮短20%的制造時(shí)間。 圖14比較了具有復(fù)合材料和單一材料（如因瓦合金和CF/BMI復(fù)合材料）的模具的性能。通過(guò)將碳泡沫與復(fù)合材料相結(jié)合，由于碳泡沫具有良好的可加工性，復(fù)合材料模具的效率可以提高，但由于復(fù)合材料面板的特性，其溫度和壽命性能仍然受到限制。
圖14不同模具材料結(jié)構(gòu)和性能比較。 對(duì)于采用因瓦合金和復(fù)合材料制造的模具，可以在使用壽命、可移動(dòng)性和效率之間取得良好的平衡，使其成為未來(lái)在航空航天工業(yè)中應(yīng)用的極具前途的模具結(jié)構(gòu)。 本節(jié)系統(tǒng)地介紹和討論了航空航天工業(yè)中復(fù)合材料制造模具的材料及結(jié)構(gòu)。單一材料是目前使用最廣泛的，結(jié)合不同材料優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合材料則顯示出更好的材料性能，不久將來(lái)會(huì)成為模具材料的不二選擇。
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