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复合材料模具的制造
复合材料的使用已经不是什么新鲜事。到大英博物馆看一看就可以发现，古代埃及人已经采用简单但有效的稻草/泥土混合物建造他们的墓穴。下面是小编收集整理的复合材料模具的制造，欢迎阅读，希望大家能够喜欢。
现在，用于复合材料成型的模具也称为工具，可以采用任何材料制成。对于低温固化部件或原型部件来说，不需要严格控制尺寸的精确性，模具通常采用玻纤、高密度泡沫、可加工的环氧树脂板甚至粘土或木材制成。
对于高温固化部件来说，或者需要高尺寸精度时，或者模具要用于大量部件的生产时，模具必须具有更高的性能。这类模具所采用的材料包括因钢(一种镍/不锈钢合金)、钢、铝、镍和碳纤维。
模具材料的选择通常要参考热膨胀系数(CTE)、循环周期数、制品公差、表面质量要求、固化工艺、材料的玻璃化转变温度、固化设备和成本来进行。
钢和铝通常是高性能模具的首选材料，但它们在生产复合材料部件时也有重大缺陷。在高温固化过程中，模具和部件的CTE通常相差很远而无法相容。高价金属合金(例如因钢)具有更加相似的CTE，但其加工成本很高。对于大型部件来说，这类模具的尺寸和重量使其难以加工、移动和存储。
复合材料模具
如果复合材料模具的材料与最终产品的材料相近，那么即使无需昂贵的金属模具也可以得到高性能的制品。过去复合材料模具仅仅是专业的航空和F1技术人员所知的一种艺术，而现在已被赛车制造商到航空业领导者(例如波音和空客)广泛应用。经过几十年的发展和改进，复合材料模具制造已不再那么艺术，而成为一种更加稳定高效的工艺。
“工业复合材料的应用历史已经超过50年，”AMBER复合材料公司欧洲地区销售经理JEDILLSLEY说，“最初，树脂和织物的处理采用的是湿法手糊工艺，但这显然不是一种能够精确控制树脂用量的好方法。在高精度仪器严格控制浸渍条件的情况下，将织物用树脂浸渍后，就可以得到一种性能稳定的材料，也就是今天我们所熟知的预浸料。最近，模具预浸料已经成为高精度复合材料模具的标准制造方法。”
随着预浸料性能(包括可操作性、室温下的使用寿命和正确的粘度)的逐渐改进，这种模具制造方法现在已变得更加简便和经济。新一代复合材料正在越来越多的领域得以应用。
AMBER复合材料公司由一个小型的专家团队于1988年在英国创立，开发和生产高性能的复合材料预浸料。预浸料技术那时还处于初级阶段，早期的团队参与了预浸料商业化应用的一些研究。AMBER总部位于英国诺丁汉郡(革命性的工业织布和碳纤维工业的摇篮)，在那里他们与F1车队和其他许多高性能应用设计人员紧密合作。正是这些高要求客户的需求推动了今天的模具材料的发展。
今天，AMBER为全球众多行业提供服务，包括航空航天、汽车、船艇和通讯。
AMBER的低温固化环氧树脂模具预浸料HX50和HX70以及先进复合材料集团(ACG)的LTM系列现在已成为航空、汽车、船艇、工业和赛车行业的标准产品。不断的改进使得这些材料便于处理和使用，并赋予模具A级表面和极长的使用寿命。有些系统现在可以承受200℃的高温，一些最新的材料使得复合材料模具适用于更多的成型工艺。
ILLSEY提到了F1赛车生产商和美洲杯赛艇制造商：“F1车队需要大量小型但复杂的部件，而赛艇制造商可能会需要一个30米长的部件。两者都需要非常高的尺寸精度。”
今天的高性能赛艇模具通常采用模具预浸料制成的，就像军事和航天行业的模具一样。经过长期的发展，复合材料甚至被商业航空领域广泛采用。例如，A350的整个机翼将采用碳纤维制成，大量的模具将采用复合材料预浸料。波音新机型B787由50%以上的复合材料组成，一些非常大的生产模具也是由复合材料模具预浸料制成的。
最近，相关的一些公司开始通过开发无需高温高压处理或增加树脂用量的预浸料来开发低成本的复合材料模具。这种产品适用于制造大型部件和无法承受高温的部件。
复合材料模具的优势
复合材料模具相比传统金属模具的优势在于，复合材料模具具有较低的生产成本，而且便于处理和存储。对于需要精确尺寸的高性能部件来说，复合材料模具与部件的CTE更加接近，在固化过程有助于保持尺寸的完整性。
复合材料模具比几年前更加普遍和环保，加工效率也更高。现在的预浸料有各种粘度、固化温度和尺寸可选。
复合材料变得普遍的另一个原因在于复合材料系统的可用性，客户可以购买到全系列的材料，包括模具树脂糊或树脂板、胶粘剂、脱模剂和预浸料，所有这些都可以从一个供应商那里获得，而且所有材料都可以完美相容。AXSON是一个提供全方位服务的供应商，其整体解决方案系统增长迅速。
AXSON技术公司CEOLIONELPUGET说：“最近我们为德国一家造船厂的赛艇生产提供了一系列的模具材料，包括SC175环氧树脂糊、EC85表面胶衣、HX50模具预浸料和EG42胶衣，从而帮助其以较低成本，快速生产出高精度高性能的赛艇。”
树脂糊在这类部件，特别是大型模具的生产中起着重要作用。采用树脂糊，可以使用成本相对较低的数控铣床粗略切割一个低成本低密度的样品;然后在其上方覆盖一层环氧树脂或聚氨酯树脂糊;树脂糊固化后，可以将其加工成所需的尺寸，形成一个低成本模具样品;然后模具预浸料被铺放在精确切割好的树脂糊上形成模具。
这种模具制造方法显著缩短了大型精确部件的制造时间和成本。
最新的模具预浸料(例如HX90N)可以满足低温固化的特殊需求，同时具有极好的表面质量。HX90N具有很低的热膨胀率(比同等材料低60-70%)、极好的表面质量以及耐高温性能。
HX90N的这种优异性能使其非常适用于对模具预浸料有严格要求的一些领域，并以帮助模具制造商满足了航空、汽车和交通运输行业越来越严格的各种应用需求。
大型和小型复合材料结构比以往更快速、更便宜，也更精确，设计者可以利用复合材料的这些优势将其用于越来越多的高性能应用中。
拓展：复合材料无损检测技术的现状与发
1、概述
复合材料之所以能够成为20 世纪迅速地在工业部门推广应用的新材料、新结构， 无损检测技术发挥了十分重要的推动作用， 反过来， 复合材料也为无损检测技术的迅速发展带来了更多的研究空间。一些过去在金属材料无损检测中因技术障碍而面临困境的检测技术， 在复合材料对无损检测技术的需求牵引下， 得到了新的飞速发展。如针对初期基于金属材料及其结构在负载作用下产生应力波的物理现象的声发射检测技术、基于物理波相干原理的激光全息干涉检测技术、激光超声检测技术等， 几乎都是70 年代问世， 80 年代在应用中由于物理信号特征解释困难、环境条件要求苛刻或技术上有待进一步突破等原因， 难以在工程上找到用武之地， 自90 年代后则得到了迅速的应用发展。
由于复合材料的先进性与其质量的离散性和高成本并存， 在实际应用中， 即使是经过研究和试验制订的合理工艺， 在结构件的制造过程中还可能会产生缺陷，引起质量问题， 严重时还会导致整个结构件的报废， 造成重大经济损失。因此， 国外自70 年代以来， 就针对复合材料的研究、应用开展了全方位的无损检测技术研究。早期主要是沿用金属材料所采取的一些检测方法， 进行复合材料的无损检测技术探索， 随着研究工作的深入， 人们对复合材料的内部规律和缺陷特征有了更深的认识， 发现完全采用常规金属材料无损检测的方法不能解决复合材料的无损检测问题。因此， 进入80 年代后， 才真正走向复合材料无损检测， 研究出了许多适应复合材料特点的无损检测新技术、新方法， 从而为解决复合材料的无损检测、促进复合材料的推广应用发挥了重要作用。
目前复合材料无损检测已经应用于材料、结构件和服役无损检测3 个方面。技术上已从初期的检测方法探索发展到目前的检测方法研究、信号处理技术、传感器技术、缺陷识别技术、成像显示技术、仪器设备技术、结构件检测技术、定量检测与评估、服役结构寿命评估、强度评估和性能测试等。无损检测技术已经成为复合材料研究和应用中的一项关键技术， 融入复合材料从研究到最终装机应用的全过程。
2、复合材料无损检测技术的应用范围
复合材料无损检测主要应用于以下3 个方面:(1)材料无损检测;(2)结构无损检测;(3)服役无损检测。
2.1 材料无损检测
材料无损检测主要解决材料研究中面临的问题，进行诸如材料内部缺陷表征、性能测试、缺陷基本判据的建立、无损检测物理数学模型的建立等研究。其检测对象主要是试样、试片， 采用精细无损检测技术， 面对材料研究过程， 重视无损检测物理数学模型的建立，重点开展新的检测方法研究。采用高分辨率超声成像检测技术得到的复合材料内部3 个不同深度位置的超声层析扫描检测结果， 被检测试样为正交铺层的碳纤维层压结构， 厚度为1 .5 mm 。从图中可以看出碳纤维束的取向， 即使是一些位于纤维束之间的细小缺陷也能较好地检测出来，箭头所指的白色区域即为纤维束间的细小缺陷。从中还能清晰地看出， 试样近表面层靠近左侧纤维束的走向似乎不如右侧有规律。这些信息的获得对材料和工艺研究非常有益， 为得到这种微细缺陷信息， 必须采用高精度的超声扫描检测技术。
2.2 结构无损检测
结构无损检测主要解决结构在工艺制订、结构件制造过程中面临的问题， 如对各种结构件进行无损检测所需的仪器设备等检测手段的建立、信号处理技术、缺陷判别、标准建立与完善等。检测的对象是各种装机应用的工程结构件， 需要工程化检测技术， 面对结构件制造过程， 重视无损检测手段的建立， 重点开展高效可靠的检测技术研究。图4 是一种典型的针对复合材料结构的超声检测设备， 可以用于多种复合材料结构的自动扫描检测。
2.3 服役无损检测
服役无损检测主要研究装机结构件在服役过程中所需的无损检测方法、手段等， 包括提供有关结构件残余寿命、剩余强度、损伤扩展等综合信息的评估。检测的对象是装机后的各种服役结构件， 采用易实现、快速可行的外场检测技术， 面对产品结构的安全服役全过程， 重视外场检测技术与结构件的安全服役的质量保证， 重点开展外场检测技术研究。如中国航空工业制造工程研究所研制生产的FCC 外场复合材料检测仪，是目前用于外场复合材料服役结构件无损检测的主要仪器， 具有很高的检测分辨率。
3、复合材料无损检测技术现状
经过不断的研究、发展和完善， 目前超声和X 射线照相法检测已成为2 种最主要和成熟的复合材料无损检测技术。特别是超声检测技术， 由于被检测物理量与复合材料内部缺陷存在最为良好的可精确表述的物理数学关系， 因此， 通常复合材料构件都要求采用超声方法进行100 %无损检测。大量的研究和应用也表明， 超声是目前国内外复合材料无损检测最为实用有效、应用最为广泛的无损检测技术， 它能可靠地检测出复合材料中的分层、疏松、孔隙等大部分危害性缺陷。基于超声反射回波原理， 目前可以检测到复合材料内部微细缺陷信息， 采用超声层析检测技术还可以得到复合材料结构内部不同深度、不同截面位置的C 扫描、T扫描和B 扫描检测结果。对于一些特殊的复合材料结构， 或者特殊缺陷(如夹层结构中的芯缺陷)及重要部位(如连接接头和较为受力部位)， 则采用X 射线照相法辅助检测。利用X 射线衰减原理， 可以检测出引起材料厚度或密度1 %～ 2 %变化的缺陷， 但对于碳纤维/树脂基复合材料， 由于其密度小、缺陷大多位于铺层之间， 缺陷的存在引起的厚度变化非常小， 因此， X 射线照相法一般不用于这类复合材料的无损检测， 它主要用于夹层结构的无损检测。
声显微和超声层析是揭示复合材料内部微细规律的精细无损检测技术。
在众多的无损检测方法中， 目视检测、敲击法检测、超声谐振法检测是最为廉价的复合材料无损检测方法。
超声相关、X 射线背散射、声-超声、声发射等检测技术， 都在复合材料无损检测中寻找应用空间， 但在复合材料研究和结构件制造过程中， 目前还较难找到应用场合。
未来的复合材料无损检测将更加追求快速高效，因此， 基于干涉原理和温度场分布原理的激光全息干涉检测技术和热/红外成像检测技术， 因其具有非接触、可大面积扫描、快速等特点， 将成为复合材料结构无损检测的良好技术。但目前还必须突破一些技术难题， 赋予这些检测技术新的工程应用内涵， 才能使其广泛用于复合材料结构的无损检测。
4、复合材料无损检测技术的发展
未来复合材料的无损检测技术应围绕以下几个方面开展研究。
(1)针对复合材料装机结构件的快速高效无损检测技术。
赋予传统复合材料无损检测新的技术内涵， 使之更适合未来复合材料的低成本设计、制造和装机应用主流， 通过提高传统检测技术的功效， 达到提高检测效率、降低检测成本的目的。开展无损检测新技术和新方法的研究， 探索研究适合复合材料的快速高效无损检测技术和方法。美国等复合材料用量较大的国家，自90 年代后期已经开始将复合材料无损检测技术研究的重点转移到快速高效的无损检测方向， 而且有了初步应用成果。
(2)针对新型复合材料的无损检测技术。
与发达国家相比， 目前我国复合材料无损检技术的研究深度和发挥作用的程度还远远不够。在复合材料及其应用研究过程中， 如果能很好地掌握其内部微细规律， 对复合材料工艺制订、结构制造等将具有重要的作用和意义。复合材料的一个重要结构特征就是内部各组分之间物理界面复杂， 如果能利用无损检测技术得到这些界面的全部信息， 将会对材料研究和工艺分析起十分重要的指导作用。
(3)复合材料无损检测技术的升华。
未来复合材料无损检测只有与材料的性能、结构件的寿命和剩余强度密切结合， 才能发挥更大的作用。近年来国外已经在这方面开展了大量的研究工作。
(4)国内复合材料无损检测硬件的自主建设。
复合材料无损检测也是一个技术产业， 其研究成果和效益在很大程度上是通过为复合材料应用部门提供无损检测硬件平台和技术支持来实现的。必须经过自身的努力和投入才能得到一流的技术， 形成自己的技术产业， 发挥效益， 复合材料无损检测行业也不例外， 真正的技术和手段必须通过自主研究和开发， 当然， 可以充分利用国际技术平台， 但不应盲目地采购实物。
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