4.復合材料制造的模具功能
如何加強甚至擴展制造過程的模具功能,特別是對工藝和質量有高要求的先進復合材料的制造,一直是模具技術研究的熱點。本節將相關研究分為兩部分介紹:1、側重于改進模具的傳統功能,如其機械和熱性能;2、嘗試在模具中實現新功能,如復合材料制造過程和產品的在線監控功能。
4.1改進現有功能
4.1.1自加熱功能
由于高壓釜或烘箱中復合材料生產的長期固化過程所需的高溫和/或壓力環境是通過加熱循環空氣或氮氣來提供的,因此需要連續加熱大量的空氣或氮氣(甚至達到幾千立方米),這是極其昂貴的,也限制了生產效率。該問題的一個較為流行的解決方案是開發具有自熱功能的模具,在過去十年中,已經在這一領域進行了許多試驗。在金屬成形領域開發具有加熱和冷卻功能的模具有著悠久的歷史,其使用內部有熱/冷水或油的管道系統來提供自加熱功能,這種技術也在復合材料制造中得到了長期的應用。韋伯制造技術公司開發了一種類似的模具,并將其應用于汽車中的復合材料制造,以降低成本,圖16(a)展示了一個樣品。另一種加熱方法為感應加熱,具有比傳統的熱水或油有更高的熱效率,也被用來建造自加熱模具,用于大批量制造復合材料產品。羅斯蒂公司通過將電磁感應加熱系統集成到模具內部,開發了一種自加熱模具,其與模具的形狀相匹配,如圖16(b)所示。據報道,它有能力將加熱固化的時間從高壓釜中的1小時減少到2分鐘,然而,在如此高的加熱速率下,溫度分布的均勻性可能是一個問題。另一個模具系統通過開發帶有電感器的局部加熱系統,進一步推動了該技術的發展,實現了組件不同區域的局部加熱/冷卻控制,實現了對具有不同厚度和形狀條件的組件的均勻熱控制。圖16(c)顯示了Surface Generation公司開發的演示模具。這些集成到模具中的額外加熱系統將顯著提高復合材料制造過程的適應性(自由和快速地控制溫度分布)和效率。然而,它們也會同時大大增加模具在結構和制造方面的復雜性,進而可能會帶來模具的可靠性問題,特別是對于航空航天工業中的大型和特大型部件的制造。
圖16(a)帶有冷卻管和加熱管的自加熱模具;(b)(c)感應加熱系統整體和局部說明
此外,開發具有直接嵌入加熱元件的新模具材料是實現自加熱功能的另一種方法,最近引起了大家越來越多的興趣。圖17顯示了Doyle等人報道的具有嵌入式加熱元件(電阻絲)的典型自加熱模具示意圖。電阻絲用低熱膨脹系數陶瓷膠結物嵌入,并添加高性能熱塑性聚合物(聚醚醚酮)的粘合劑層,以連接CF增強物和陶瓷組。熱塑性組件的加熱能力已有報道,然而,其在熱固性復合材料的長期高溫和高壓條件下固化中的應用還沒有報道,納米技術也被應用于使模具的自加熱功能,其中碳納米管由于其在電、熱甚至機械性能方面的改進而被使用。Boyce等人報道了一種自加熱模具,該模具由導電模具表面和分散的碳納米管組成,分布的鋁電極埋入并絕緣在纖維玻璃和樹脂復合材料的較低層中,通過向電極施加電壓,可以產生電流并通過碳納米管快速加熱模具表面。
自加熱模具為高效、低成本的復合材料制造提供了廣闊的前景。然而,目前自熱模具的方法和工藝仍然面臨一些問題:1、引入自熱元件將大大增加工藝的難度,也不利于模具的機械和真空性能,例如。例如,在基體中分散碳納米管的工藝困難,由于納米管/基體或電阻絲/復合材料界面的粘合度不足而造成分層;2、模具的熱穩定性和可靠性尚未得到驗證,例如,產生均勻溫度分布的能力尚未得到驗證;3、高成本和可能的健康、安全和環境問題是未來發展中要考慮的其他重要因素。
4.1.2 提高強度和使用壽命
除熱性能外,強度和壽命性能也是限制復合材料模具應用的關鍵因素。人們發現,納米技術是顯著提高復合材料強度和機械性能的潛在途徑, 近十年來已被用于硬化和延長復合材料模具的壽命。通過將這種納米結構合金涂覆到碳纖維復合材料制成的模具表面上,可以同時實現輕質、低熱膨脹系數和高耐久性。通過熱噴涂多孔因瓦合金粘結層,與復合材料模具底座之間實現了良好的粘結,如圖18所示。它是一種有前途的技術,可用于制造具有良好重量、熱和機械性能的模具,特別是用于航空航天工業。該材料仍在開發中,將進一步調整熱膨脹系數以實現與復合材料產品的合理匹配,優化涂層方法以實現復雜結構的均勻厚度表面,降低材料和工藝成本是未來的研究方向。
4.2實現附加功能
復合材料的特性使其在設計和實現新功能方面具有高度的靈活性。復合材料產品的在線傳感成為一個熱門話題,因為它為監測復合材料結構的制造過程和使用壽命性能提供了一種直接的方法,這對航空航天工業中復合材料結構的鑒定和應用非常重要。許多種類的傳感器已經得到開發和研究,它們可以被連接或嵌入到復合材料中進行在線監測。該領域已經發表了一些評論,對目前用于復合材料的傳感器進行了很好的介紹和總結。
嵌入/附著工藝在復合材料或結構上用于在線監測的侵入性傳感器的關鍵問題是它們可能對結構的性能和健康構成威脅。為了避免這個問題,應在模具中利用這些傳感器來監控復合材料的制造過程,并使復合材料結構的制造具備高質量和可靠性成為一個適當的選擇。耶Yenilmez等人報道了一種將電介質傳一個適當的選擇。Yenilmez等人報道了一種將電介質傳感器網格連接到模具上的方法,以在樹脂傳遞模塑過程中監測復合材料的填充和樹脂固化進度。電子時域反射測量傳感線也被整合到模具中,以實現對復合材料制造的流動和固化程度的非侵入性監測,圖19(a)中可以看到傳感器的附著演示。Dai等人開發了一種基于碳納米管的織物傳感器,該傳感器可以安裝在模具上,以實現二維流動和固化監測,如圖19(b)所示。
圖19(a)傳感器附著在模具上的示意圖;(b)基于碳納米管的織物傳感器安裝在模具上的示意圖
這些傳感器可以擴展傳統模具的功能,并可用于保證制造的質量和可靠性。然而,傳感器在循環高溫和高壓條件下的耐久性和可靠性需要進一步調查和驗證,保證其滿足在工業生產中的應用。高成本也是限制其在模具行業潛在應用的另一個主要問題。此外,使用增強碳纖維或碳納米管作為電極而不削弱材料強度的自檢測方法是功能復合材料的新發展趨勢,這也可能是模具材料發展的未來趨勢,使制造過程的在線監控能夠承受數千次固化循環。
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