复合材料在航空航天材料加工模具中结构和工艺的应用

碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)以其优异的强度，重量轻和抗疲劳性能高等特点逐步在成为航空航天工业结构的主要材料之一。一些主流的商用飞机（例如波音787和空客350）的制造中大约50%的结构采用碳纤维增强聚合物基复合材料，其主框架、机身/机翼等均由CFRP制造，如图1(a)所示。此外，如图1(b)所示，无人飞行器(UAV)制造中CFRP的结构重量已经达到60-90%。日益增长的性能要求(包括机械性能和空气动力学性能)正推动这些复合材料结构向具有复杂形状和高尺寸精度的大型或超大型整体结构发展，这大大增加了相应制造技术的难度。 航空航天工业中最广泛使用的碳纤维增强热固性复合材料的典型制造工艺是利用高压釜使其在压力和热环境下固化。一般来说，此项技术制造复合材料结构的尺寸精度主要受四个方面的影响:I)热膨胀系数(CTE)中的纤维-基体不匹配，特别是考虑到在固化过程中其相变状态将从粘性变成橡胶状，并最终变成固体；ii)固化过程中由于化学反应导致的收缩；iii)在具有不同热传递的介质(空气或氮气)中，模具的材料、几何形状、结构以及热交换方式相关的固化过程中的温度梯度变化；iv)模具-零件相互作用，主要是由于组件、工具和脱模剂之间的CTE(受厚度、铆接顺序和层方向变化的影响)不匹配(特别是对于薄零件生产条件)。 另两个因素是由所使用的模具决定的制造业决定，指出模具在影响复合材料产品准确性方面的关键作用。此外，考虑到用机器代替手工铺层预浸料的新趋势，例如用于复合材料制造的自动纤维铺放技术(AFP)。特别是对于大型整体部件，严格要求模具重量轻，使用寿命长，以符合自动化机器和所需介质的承载能力。 由于模具在复合材料制造中的重要性，与模具制造的相关技术经历了持续的发展，从20世纪80年代开始，复合材料在工业领域和学术领域的发展持续了几十年。各种材料(金属和非金属）和结构已经被开发并使用在复合材料生产方面，与此同时，研究人员将注意力集中放在复合材料附加功能的研究，以提高它们在应用中的表现。另外，通过引入新技术控制复合材料制造过程中的基体和增强体，用此项技术研发的原型模具目前正处于实验阶段。用新的材料和结构，广泛探索以低成本制造高性能模具的方法，缩短制造时间同时提高模具质量。然而，目前纵观工业领域和学术领域，关于模具制造工艺的的新型相关技术依旧匮乏。 2 模具制造中的复合材料