碳纖維模具 市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告

　 2 模具作為工業(yè)生產(chǎn)的工藝裝備，隨時(shí)產(chǎn)品精細(xì)化發(fā)展，當(dāng)今制造模具的新材料新工藝層次不窮。本次調(diào)研主要針對(duì) 碳纖維模具進(jìn)行說(shuō)明。

　本文主要闡述模具 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)主要使用單位，模具優(yōu)劣勢(shì)，技術(shù)特點(diǎn)，應(yīng)用前景。

　注：本報(bào)告整合了多家權(quán)威機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)資源和專家資源,從眾多數(shù)據(jù)中提煉出了精當(dāng)、真正有價(jià)值的情報(bào),并結(jié)合了產(chǎn)品所處的環(huán)境,從理論到實(shí)踐、宏觀與微觀等多個(gè)角度進(jìn)行研究分析,其結(jié)論和觀點(diǎn)力求達(dá)到前瞻性、實(shí)用性和可行性的統(tǒng)一。

　傳統(tǒng)復(fù)合材料成型模具由金屬材料制作，主要原因是金屬具有高強(qiáng)度、高剛度、尺寸穩(wěn)定性好、加工性好，適用于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。隨著復(fù)合材料構(gòu)件外形準(zhǔn)確性和尺寸精度的不斷提高，原有金屬模具材料的性能已經(jīng)不能很好地滿足高精度成型模具的需要。在這種背景下，復(fù)合材料模具（本文指碳纖維復(fù)合材料模具）應(yīng)運(yùn)而生，并且得到了迅速發(fā)展。目前，在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的航空航天部門，復(fù)合材料模具的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍。

　隨著高性能復(fù)合材料航空航天結(jié)構(gòu)件的大量應(yīng)用，各有關(guān)研究院所和企業(yè)積極研究和試驗(yàn)使用復(fù)合材料模具，因此復(fù)合材料模具也很快會(huì)成為國(guó)內(nèi)復(fù)合材料構(gòu)件的主要成型模具。

　1 、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 復(fù)合材料由于其密度低、高強(qiáng)度、高模量和可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)在飛機(jī)零件上得到了廣泛應(yīng)用，成為繼鋁、鋼和鈦合金之后重要的結(jié)構(gòu)材

　 3 料，其應(yīng)用范圍和水平成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。如 787的復(fù)合材料用量為 50%，A350 的復(fù)合材料用量為 52%。隨著復(fù)合材料構(gòu)件在飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用和飛機(jī)尺寸的變大，對(duì)復(fù)合材料成型用模具的材料提出了更高的要求。先進(jìn)復(fù)合材料的加熱加壓生產(chǎn)條件要求模具材料具備不同特性，其中較為重要的特性包括：對(duì)基體塑脂高硬化溫度及變化溫度的穩(wěn)定性；和所成型的復(fù)合材料一致的熱膨脹系數(shù)；良好的真空穩(wěn)定性；尺寸穩(wěn)定性；適當(dāng)?shù)募訜帷⒗鋮s速率；

　 制造成本，包括機(jī)加工、熱處理工藝所產(chǎn)生的成本等。目前有幾種材料都達(dá)到了滿意的模具使用要求，但需要找到一個(gè)性能平衡點(diǎn)確保使用該模具能生產(chǎn)出高質(zhì)量、尺寸穩(wěn)定的復(fù)合材料零件。常用的復(fù)合材料構(gòu)件的成型模具使用的材料及特點(diǎn)：

　材料 模具成本 耐用性 熱膨脹系數(shù) 普通鋼 較低 好 12x10 -6

　復(fù)合材料 高 較差 可設(shè)計(jì) 因瓦合金 較高 好 0.5~2.5x10 -6

　鋁 較低 好 21x10 -6

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　 2 、國(guó)內(nèi)使用單位：

�。�1）中航工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 （2）航空工業(yè)昌河工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司； （3）無(wú)錫智上新材料科技有限公司； （4）遠(yuǎn)力（寧波）復(fù)合材料有限公司； 3 、模具優(yōu)劣勢(shì) （1 ）熱膨脹性能匹配 復(fù)合材料模具最大優(yōu)點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)小，且與復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)比較相匹配，從而可以獲得外形準(zhǔn)確性和尺寸精度符合設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件。為了更深入地認(rèn)識(shí)模具材料的熱膨脹性能對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量的影響，首先分析在復(fù)合材料構(gòu)件固化成型過(guò)程中，模具與構(gòu)件之間相互關(guān)系發(fā)生變化的過(guò)程：開(kāi)始加熱時(shí)，隨著溫度的升高，模具受熱膨脹，其尺寸跟著增大，這時(shí)的構(gòu)件坯料還是軟的，所以它也跟著模具一起增大；繼續(xù)升溫，在樹(shù)脂體系的凝膠溫度下，受熱膨脹的模具與構(gòu)件坯料具有相同的尺寸，這時(shí)的樹(shù)脂體系只有部分固化，性能

　 5 還比較低；當(dāng)加熱到最后的固化溫度時(shí)，模具和半固化的構(gòu)件坯料以各自的熱膨脹率膨脹，如果它們的熱膨脹率不同，構(gòu)件中將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；在保溫階段，構(gòu)件在已經(jīng)膨脹到最大尺寸的模具中得到進(jìn)一步固化；保溫結(jié)束后，從固化溫度開(kāi)始冷卻至室溫的過(guò)程中，模具和構(gòu)件都以各自的收縮率收縮。如果它們的收縮率不同，構(gòu)件的最后尺寸將與模具的尺寸不同。

　從以上固化過(guò)程模具與構(gòu)件坯料之間關(guān)系的變化可以清楚地看出，當(dāng)模具與構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)之間存在差異時(shí)，將直接影響構(gòu)件的外形準(zhǔn)確性、尺寸精度和內(nèi)部質(zhì)量，實(shí)際生產(chǎn)中得到的數(shù)據(jù)清楚地說(shuō)明了這一點(diǎn)。表 1 為長(zhǎng)度為 7m 的復(fù)合材料構(gòu)件在 200℃成型時(shí)，幾種常用模具材料受熱膨脹的尺寸增長(zhǎng)數(shù)據(jù)。顯然，在選擇復(fù)合材料構(gòu)件成型模具的材料時(shí)，熱膨脹系數(shù)是必須考慮的首要因素，而且尺寸越大的復(fù)合材料構(gòu)件越是應(yīng)該選擇熱膨脹性能相匹配的復(fù)合材料模具。據(jù)報(bào)導(dǎo)，長(zhǎng)達(dá) 18m 的 Delta- Ⅲ型運(yùn)載火箭整流罩成型時(shí)，就是用了復(fù)合材料模具才保證了其要求非常高的外形準(zhǔn)確性和尺寸精度。

　從表 1 中可以看出，在常用的模具材料中，鋁合金的熱膨脹系

　 6 數(shù)最大。而 INVAR 合金的熱膨脹性能與碳纖維復(fù)合材料比較相近。由于 INVAR 合金的熱膨脹系數(shù)很小，用它制作的成型模具與復(fù)合材料構(gòu)件的熱膨脹性能相匹配，而且使用壽命長(zhǎng)，是最具有競(jìng)爭(zhēng)力的一種模具材料，也是在歐美國(guó)家用得比較多的一種模具材料，特別是以聚酰亞胺、雙馬來(lái)酰亞胺等高溫樹(shù)脂為基體的復(fù)合材料構(gòu)件多半采用這種材料制作的模具進(jìn)行成型制造。INVAR 合金的主要問(wèn)題是加工比較困難，而且價(jià)格昂貴。

�。�2 ）密度小 復(fù)合材料的密度比較小，用其制造的模具質(zhì)量比較輕。由于碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量和低密度等特點(diǎn)（見(jiàn)表 2），所以用它制作的模具成型面厚度可以做得很薄，一般只有 6mm 左右，最厚不會(huì)超過(guò) 9mm。因此即使是大型復(fù)雜的復(fù)合材料模具，其重量也非常輕，易于搬運(yùn)，方便使用。曾有報(bào)導(dǎo)，歐洲空中客車公司的 A320 飛機(jī)復(fù)合材料垂直尾翼原計(jì)劃采用低碳鋼制作其成型模具，但經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，鋼模具太重，超過(guò)了德國(guó) MBB 公司當(dāng)時(shí)的熱壓罐和起吊設(shè)備的承受能力，后來(lái)改用復(fù)合材料模具，不但很好地解決了模具重量問(wèn)題，而且高質(zhì)量地制造出當(dāng)時(shí)全球最大的民用客機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件。

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　與金屬模具對(duì)比，復(fù)合材料更輕。隨著復(fù)合材料構(gòu)件越來(lái)越大，金屬模具過(guò)重問(wèn)題給加工廠帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。因此，許多制造商轉(zhuǎn)而采用復(fù)合材料模具以降低質(zhì)量，同時(shí)避免較高的鎳鋼加工成本。在材料技術(shù)日新月異的今天，復(fù)合材料模具在不久的將來(lái)就可能替代相當(dāng)部分的金屬模具成型大型制件。

�。�3 ）熱容小 復(fù)合材料模具加熱固化時(shí)所需熱量比較小。碳纖維復(fù)合材料的比熱容一般大于金屬材料（見(jiàn)表 3）。由于復(fù)合材料模具的質(zhì)量比金屬材料要輕，特別是比碳鋼和 INVAR 鋼模具要輕得多，因此在固化成型加熱時(shí)，復(fù)合材料模具所需要的熱量遠(yuǎn)小于 INVAR 合金等金屬材料模具，它可以按要求以比較快的升溫速度進(jìn)行加熱固化，可以在較短的固化周期內(nèi)完成復(fù)合材料構(gòu)件的固化成型，從而可以節(jié)約能源和工時(shí)，降低制造成本。

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　（4 ）可修復(fù)性好 復(fù)合材料模具具有較好的可修復(fù)性。復(fù)合材料模具一旦損壞( 如沖擊損傷、真空泄漏、表面劃傷等)，能在較短的時(shí)間內(nèi)、以較低的成本修復(fù)好。而金屬模具受損斷裂或變形后，一般很難修復(fù)。

�。�5 ）制造成本相對(duì)較低 復(fù)合材料模具的制造成本比鋼模具和鋁合金模具還是要高得多，但是比起 INVAR 合金模具則要低一些，特別是模具的形狀比較復(fù)雜和需要的模具數(shù)量比較多時(shí)，其成本會(huì)更加低。復(fù)合材料模具是在母模上成型出來(lái)的，而且一個(gè)母模可以成型多個(gè)模具。母模的制造成本基本上與模具的成本相當(dāng)，但它的成本是非重復(fù)成本，一次性投入制造出母模之后，生產(chǎn)的模具數(shù)量越多，分?jǐn)傇诿總�(gè)模具上的母模制造費(fèi)用就越少，所以每個(gè)模具的制造成本就越低。

　（6 ）低溫固化高溫 使用 復(fù)合材料模具預(yù)浸料具有低溫固化高溫使用的特點(diǎn)。目前的模具預(yù)浸料一般可以在 60℃甚至更低的溫度下進(jìn)行固化，脫離母模后，模具呈自由狀態(tài)下進(jìn)行后固化后可以在高溫下使用。模具預(yù)浸料可在低溫下完成固化這一特點(diǎn)拓寬了母模材料的可選擇范圍，使得一些價(jià)

　 9 格低廉的材料，如石膏、木材等也可以用于母模的制造，從而降低母模的造價(jià)。

　4 、技術(shù)特點(diǎn) 復(fù)合材料模具一般用預(yù)浸料制作，具有高的纖維體積分?jǐn)?shù)，低的熱膨脹系數(shù)，易加工和極小的毒性等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)外已成功將低溫固化高溫使用的樹(shù)脂體系制成各種纖維織物增強(qiáng)的預(yù)浸料，然后將預(yù)浸料鋪放于事先制作好的石膏或手糊成型的母模之上。這些母模通常制作價(jià)格低廉，在能夠保證母模的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度的溫度范圍內(nèi)（一般不高于 90℃）初步固化成型。然后將復(fù)合材料模具從母模脫離，在逐漸升溫條件下保持形態(tài)進(jìn)一步固化，直至完全固化。這樣制作復(fù)合材料模具可降低對(duì)母模材料的耐溫要求。此工藝制作的復(fù)合材料模具氣密性好、尺寸精度高、表面質(zhì)量高、耐用。

　另外，HEXCEL 公司新近推出了一種可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)模具材料的高性能復(fù)合材料模具 HEXTool。這種模具材料和該公司的另一種材料HEXMC 相似，是一種由短切單向碳纖維/ 環(huán)氧預(yù)浸帶構(gòu)成的模壓成型氈。制作模具時(shí)，先將該種預(yù)浸料鋪放在具有所需形狀和尺寸的母模上，然后置于熱壓罐中固化得到一個(gè)模具的毛坯，該預(yù)浸料固化后可通過(guò)機(jī)械加工滿足模具所需尺寸和表面精度要求，并且通過(guò)拋光處理達(dá)到模具所需的表面要求。這種方式制作的復(fù)合材料模具相對(duì)于金屬模具具有更輕的質(zhì)量、更快的加熱和冷卻速率，可像金屬一樣進(jìn)行機(jī)器加工，加工性能好，熱膨脹系數(shù)和碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料匹配，

　 10 氣密性好，易修補(bǔ)。該類高性能 MBI 樹(shù)脂具有極高的耐熱性，使用壽命更長(zhǎng)（200℃工作條件下可使用 5000h）。據(jù)悉，這種材料已用于未來(lái)空中客車 A350XWB 的復(fù)合材料機(jī)身面板模具，美國(guó)某公司也經(jīng)選用該種材料和工藝為波音 787 的一個(gè)項(xiàng)目制作模具。

　復(fù)合材料模具已逐漸形成產(chǎn)業(yè), 并處在高速發(fā)展階段。復(fù)合材料模具的應(yīng)用使得生產(chǎn)復(fù)合材料構(gòu)件的工藝得到優(yōu)化，生產(chǎn)周期隨之縮短，產(chǎn)品質(zhì)量得到提升，復(fù)合材料生產(chǎn)步入了更快的發(fā)展階段。未來(lái)，復(fù)合材料模具將代替更多金屬模具，并將更廣泛應(yīng)地用于航空航天領(lǐng)域。

　5 、應(yīng)用前景 碳纖維復(fù)合材料模具明顯的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、剛度大、熱膨脹系數(shù)與所成型的碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件接近、所制造的構(gòu)件尺寸精確度高。同時(shí)碳纖維復(fù)合材料模具型面由預(yù)浸料鋪疊成型，可作做任意的修補(bǔ)再用，使用效率高。碳纖維模具目前主要應(yīng)用于航空軍工、船舶艦艇、軌道交通、汽車工業(yè)和智能化機(jī)械，滿足高端客戶向復(fù)材產(chǎn)品多樣化發(fā)展需求提供解決方案。碳纖維模具最早主要應(yīng)用于釣魚(yú)竿和高爾夫球棒等體育休閑范疇。跟著技術(shù)開(kāi)展和性價(jià)比的進(jìn)步，碳纖維在風(fēng)力發(fā)電、轎車工業(yè)、航天軍工等范疇的需要逐漸進(jìn)步。通過(guò)碳纖維模具的使用，產(chǎn)品精度避免溫度變化的干擾因素，精度可達(dá)到 0.05mm。

　 日前，全球最大的碳纖維制造商日本東麗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明當(dāng)前全球碳纖維總產(chǎn)能約 8.4 萬(wàn)噸，其中 15%用于模具制造。國(guó)內(nèi)用于碳纖維模具的市場(chǎng)約 30-40 億元。

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