复合材料总结

1. 模具材料

铝合金是复合材料制件固化模具用的最早、最多的材料。它有良好的导热性，成形和加工工艺性也很好，比钢轻，具有一定的使用寿命。但是，铝的热胀系数大,因此其使用受到了一定的限制。普遍用于尺寸精度要求不高和无协调尺寸要求的平板零件或单曲度零件。

钢作为固化模具的材料应用比较普遍，与铝合金相比，它的导热性差、比重大、造价高。但是钢的热胀系数比铝合金低，使用寿命长。因此常常用作细长模具的材料，以及一些对尺寸精度要求较高的材料。

以石墨预浸料为代表的复合材料无热胀系数匹配的问题（热胀系数很小），重量最轻，易于塑造成形。适于用来作模具材料，但它的造价高、寿命短。目前，美国Airtech公司的Toolmaster模具材料体系，其工作温度为210度，经过800多次使用循环后，仍不会有渗漏、龟裂和分层缺陷。

对于造价昂贵、外形复杂、制作困难的模具可用电铸镍模具。 合成橡胶模具（也称弹性模具），就是用橡胶模具零件产生模压压力或者作为压力强化件来增压，以制造复合材料制品。近年来开发应用了热膨胀模压工艺，这是一种新工艺。它是将合成橡胶模压零件紧紧地固定在刚性模体中，在固化周期内，靠热膨胀产生压实压力。

复合材料?（玻璃纤维或碳纤维增强的复合材料）

材料质轻，可以塑造出需要的型面，得到优良的部件外形。用玻璃纤维制做模具的框架既起到加强碳纤维复合材料型面板的作用，又可以降低成本，也不存在热胀匹配的问题。

但这种材料热传导性能不理想，使用温度限制在基体树脂允许的耐温范围内。

2. 模具结构

所有的固化模具其工作表面应光滑、平整、致密、无龟裂和渗漏，模具上应标有制件轮廓尺寸、叠层块定位基准、各层铺叠区间、纤维取向、测温点位置、蜂窝夹芯位置。在非工作表面上应合理布置一定数量的真空接头和随炉件安放的位置、模具厚度应均匀，制件各部分在热压罐中应尽可能使其处于迎风方向，尽量避免热风吹不到的死角。模具应有吊装机构和安放基准。 （1） 铸造模

铸造模一般是铝模。模板厚度为20～30mm。为保证足够的刚度，沿模具长度方向铸有加强筋。铸铝模容易加工、成本低，缺点是铸造时容易出现砂眼，模具十分笨重。 薄加筋板框架式模具

用得较广泛的是用铝材。模板厚度一般为5～8mm，由辊型、焊接、数控精加工而成。（2）模板弦向由铝型材或厚铝板制成加强筋，采用干涉配合铆接或胶铆的方法密封连接模板和加强筋。沿着模板的展向用角材或拉杆连接。模具结构重量轻，制造周期短、模板厚度均匀、厚度薄、升温快。

框架式结构内部空心，因而热容量小，热空气可以在模板内外表面畅通流动，温度易于均匀，且自重小，运输方便。这种结构常用于热压罐成型和真空袋、压力袋成型。

复合材料成型模及过渡模

模体材料为复合材料。其优点在于模体热膨胀系数与产品基本相同，成型出的产品外形更准确；另外外观质量好。

常由预浸料铺叠形成模具型面，由玻璃纤维型材构成框架的复合模具。型面在成型后可按样板做任意的修补，因而可将模具制造得十分精确。

复合材料成型模本身需按过渡模制造，因此过渡模对复合材料成型模是至关重要的。

过渡模按材料可分为两类：由泡沫制成的过渡模和用环氧树脂加铝粉制成的过渡模。

2.4 模压成形用模具 工艺描述

? 热固性塑料模压成形是将模压料直接加入高温的压模型腔和加料室，然后以一定的

速度将模具闭合，模压料在热和压力的作用下熔融流动，并很快充满整个型腔，树脂与固化剂作用发生交联反应，生成不熔不溶的体型化合物，固化成形为一定形状的制品。当制品完全定型并具有最佳性能时，即开启模具取出制品。

对成形用模具应满足下面一些要求：

? 能承受20-80Mpa的高压；

? 能耐成形时模压料对模具的摩擦；

? 在175-200℃温度时，其硬度应无显著下降； ? 能耐模压料及脱模剂的化学腐蚀； ? 表面光滑；

? 尺寸符合制品要求；

? 在结构上要有利于模压料的流动及制品的取出，并能满足工艺操作上的要求。 2. 模具结构形式：

碳纤维复合材料模压成形的模具，一般都采用钢模。对于形状复杂，表面光洁的产品，模具的工作表面最好镀铬。模具结构特点如下： 组合式模具 脱模机构 流胶槽 限位块

回弹量的考虑：

3 压模分类：

按压模上下模的闭合形式分类如下：

密闭式压模

密闭式压模结构有利于把模压料有效地压到各成形部位。所压制的制品机械强度较高，毛边垫量小，在模压生产中得到较广泛的应用。

缺点:压模配合面磨损较严重，制品高度方向精度差,模具结构复杂。

敞开式压模

它是一种不带加料室的压模，只有在上下模完全闭合时才相互吻合。常用来压制布、毡及织物型模压料的制品，尤其是大型薄壁壳体、板、片状零件。其设计制造周期短、造价低，一般严格控制压模完全闭合，在制品高度方向上也有较准确尺寸。

缺点：制品压实程度差，制品壁厚均匀性差，外形和强度一致性差；溢料多，飞边厚，原材料浪费较严重，制品后加工量大。

半密闭式和半密闭逆式压模

型腔以上有加料腔，其径向尺寸大于型腔，分界处有环形拉压面。这种压模压制的制品会产生较大的热量，压力损失较大，制品经常出现不够致密的现象。所以，只有当制品

尺寸形状极为复杂，而采用密闭式压模相当困难，或在压制工艺上有特殊需要时，才采用这两种压模。

2.5 拉挤成形技术

拉挤工艺是一种连续生产复合材料型材的方法，它是将纱架上的无捻玻璃纤维粗纱和其它连续增强材料、聚脂表面毡等进行树脂浸渍，然后通过保持一定截面形状的成型模具，并使其在模内固化成型后连续出模，由此形成拉挤制品的一种自动化生产工艺。

2.5.1自动铺带技术Automated Tape laying

采用有隔离衬纸单向预浸带，剪裁、定位、铺叠、辊压均采用数控技术自动完成，由自动铺带机实现。

? FTLM：4个运动轴，采用150mm和300mm宽的预浸带，主要用于平板铺放；

? CTLM：5个运动轴，主要采用75mm和150mm宽的预浸带，适于小曲率壁板的铺

放，如机翼蒙皮、大尺寸机身壁板等部件。

平面铺带FTLM 曲面铺带CTLM 2.5.2 自动铺丝技术

自动铺丝技术(Fiber placement)：综合了自动铺带和纤维缠绕技术的优点，铺丝头把缠绕技术中不同预浸纱独立输送和自动铺带技术的压实、切割、重送功能结合在一起。由铺丝头将数根预浸纱在压辊下集束成为一条宽度可变的预浸带（宽度变化由程序控制预浸纱根数自动调整)后铺放在芯模表面、加热软化预浸纱并压实定型。

与自动铺带对比，自动铺丝技术有两个突出的优点：

①采用多组预浸纱，具有增减纱束根数的功能；根据构件形

状自动切纱适应边界，几乎没有废料、且不需要隔离纸； 可以完成局部加厚／混杂、加筋、铺层递减和开口铺层补 强等来满足多种设计要求。

②由于各预浸纱独立输送，不受自动铺带中“Natural path” 轨迹限制，铺放轨迹自由度更大、可以实现连续变角度铺 放(Fiber steer技术)，适合大曲率复杂构件成型。

自动铺丝技术优点：

①采用机器手系统和多组预浸纱束，具有增减纱束根数的功能；可以完成局部加厚/混杂、加筋、铺层递减和开口铺层补强来满足多种设计要求。

②成型压力由压辊提供，采用计算机控制，均匀稳定，可以成形凹曲面；带宽可变、可以实现连续变角度铺放（Fiber Steer技术），适应大曲率复杂构件成型而又具有接近自动铺带的效率。

③对制品的适应性极强，通过铺放压实可以精确控制外型面且表面光洁。

④高度自动化，落纱铺层方向准确，可实现复合材料构件敏捷制造，迅速形成批量生产；生产速度快、产品质量稳定性、可靠性高，真正实现“低成本、高性能”。

⑤采用CAD/CAM及仿真技术，提供了最大的设计空间，可以实现复合材料设计成形一体化和数字化。

⑥可以采用机器人绝对坐标定位系统，实现制品在线形位测量、原位重复成形与二次加工，降低产品报废率和辅助材料消耗。

由于采用独立多丝束铺丝成型，自动铺丝的工艺设计和结构设计有相当大的自由度，设计师可以设计任意铺层角度，特别使连续变角度铺放（Fiber steer）技术的出现，突破了传统的复合材料铺层设计理念，可以实现多种优化设计。下图是典型的铺丝轨迹和铺放的层合板，研究表明：采用连续变角度铺放可以提高层合板的抗屈曲能力20％以上。

2.6 整体构件制造技术

整体构件制造指在成形模具内一次固化过程中完成各零件的成形及相互有关零件的连接，最后达到一个坚实的整体。整体制造技术也称为共固化制造技术。

共固化法的特点

用通常的方法制造壁板件，需有两次以上的固化过程，而共固化只需一次固化过程。 用通常的制造方法，组件的装配是在零件已具有很好刚度条件下进行，但固化后零件的外形不易做到非常准确，而零件间的装配协调要求却较高。尤其对于复杂结构，零件数量多，形状复杂，给装配带来很多困难，难以保证质量。当采用共固化法时，零件在固化