碳纖維模具 市場調(diào)研報告

　 2 模具作為工業(yè)生產(chǎn)的工藝裝備，隨時產(chǎn)品精細化發(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 碳纖維模具進行說明。

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

　注：本報告整合了多家權(quán)威機構(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)、真正有價值的情報,并結(jié)合了產(chǎn)品所處的環(huán)境,從理論到實踐、宏觀與微觀等多個角度進行研究分析,其結(jié)論和觀點力求達到前瞻性、實用性和可行性的統(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。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)運而生，并且得到了迅速發(fā)展。目前，在歐美發(fā)達國家的航空航天部門，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)積極研究和試驗使用復(fù)合材料模具，因此復(fù)合材料模具也很快會成為國內(nèi)復(fù)合材料構(gòu)件的主要成型模具。

　1 、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 復(fù)合材料由于其密度低、高強度、高模量和可設(shè)計性等優(yōu)點在飛機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先進性的重要指標(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)件在飛機主承力結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用和飛機尺寸的變大，對復(fù)合材料成型用模具的材料提出了更高的要求。先進復(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�、冷卻速率；

　 制造成本，包括機加工、熱處理工藝所產(chǎn)生的成本等。目前有幾種材料都達到了滿意的模具使用要求，但需要找到一個性能平衡點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：

　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 因瓦合金 較高 好 0.5~2.5x10 -6

　鋁 較低 好 21x10 -6

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　 2 、國內(nèi)使用單位：

　（1）中航工業(yè)哈爾濱飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司 （2）航空工業(yè)昌河工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司； （3）無錫智上新材料科技有限公司； （4）遠力（寧波）復(fù)合材料有限公司； 3 、模具優(yōu)劣勢 （1 ）熱膨脹性能匹配 復(fù)合材料模具最大優(yōu)點是熱膨脹系數(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)計要求的構(gòu)件。為了更深入地認識模具材料的熱膨脹性能對復(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)件固化成型過程中，模具與構(gòu)件之間相互關(guān)系發(fā)生變化的過程：開始加熱時，隨著溫度的升高，模具受熱膨脹，其尺寸跟著增大，這時的構(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，這時的樹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，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一步固化；保溫結(jié)束后，從固化溫度開始冷卻至室溫的過程中，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，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，實際生產(chǎn)中得到的數(shù)據(jù)清楚地說明了這一點。表 1 為長度為 7m 的復(fù)合材料構(gòu)件在 200℃成型時，幾種常用模具材料受熱膨脹的尺寸增長數(shù)據(jù)。顯然，在選擇復(fù)合材料構(gòu)件成型模具的材料時，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)報導(dǎo)，長達 18m 的 Delta- Ⅲ型運載火箭整流罩成型時，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，是最具有競爭力的一種模具材料，也是在歐美國家用得比較多的一種模具材料，特別是以聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺等高溫樹脂為基體的復(fù)合材料構(gòu)件多半采用這種材料制作的模具進行成型制造。INVAR 合金的主要問題是加工比較困難，而且價格昂貴。

　（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)合材料具有高強度、高模量和低密度等特點（見表 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，最厚不會超過 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，方便使用。曾有報導(dǎo)，歐洲空中客車公司的 A320 飛機復(fù)合材料垂直尾翼原計劃采用低碳鋼制作其成型模具，但經(jīng)過設(shè)計計算，鋼模具太重，超過了德國 MBB 公司當(dāng)時的熱壓罐和起吊設(shè)備的承受能力，后來改用復(fù)合材料模具，不但很好地解決了模具重量問題，而且高質(zhì)量地制造出當(dāng)時全球最大的民用客機復(fù)合材料構(gòu)件。

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　與金屬模具對比，復(fù)合材料更輕。隨著復(fù)合材料構(gòu)件越來越大，金屬模具過重問題給加工廠帶來了新的挑戰(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，復(fù)合材料模具所需要的熱量遠小于 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，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，其成本會更加低。復(fù)合材料模具是在母模上成型出來的，而且一個母�？梢猿尚投鄠�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，分攤在每個模具上的母模制造費用就越少，所以每個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。目前的模具預(yù)浸料一般可以在 60℃甚至更低的溫度下進行固化，脫離母模后，模具呈自由狀態(tài)下進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拓寬了母模材料的可選擇范圍，使得一些價

　 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。

　4 、技術(shù)特點 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數(shù)，低的熱膨脹系數(shù)，易加工和極小的毒性等優(yōu)點。國外已成功將低溫固化高溫使用的樹脂體系制成各種纖維織物增強的預(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格低廉，在能夠保證母模的結(jié)構(gòu)強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，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模具的毛坯，該預(yù)浸料固化后可通過機械加工滿足模具所需尺寸和表面精度要求，并且通過拋光處理達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，可像金屬一樣進行機器加工，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。該類高性能 MBI 樹脂具有極高的耐熱性，使用壽命更長（200℃工作條件下可使用 5000h）。據(jù)悉，這種材料已用于未來空中客車 A350XWB 的復(fù)合材料機身面板模具，美國某公司也經(jīng)選用該種材料和工藝為波音 787 的一個項目制作模具。

　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，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)用于釣魚竿和高爾夫球棒等體育休閑范疇。跟著技術(shù)開展和性價比的進步，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步。通過碳纖維模具的使用，產(chǎn)品精度避免溫度變化的干擾因素，精度可達到 0.05mm。

　 日前，全球最大的碳纖維制造商日本東麗統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明當(dāng)前全球碳纖維總產(chǎn)能約 8.4 萬噸，其中 15%用于模具制造。國內(nèi)用于碳纖維模具的市場約 30-40 億元。

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