樹(shù)脂基復(fù)合材料模具用預(yù)浸料及優(yōu)勢(shì)分析

劉克健

(中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111)

0 引言

先進(jìn)復(fù)合材料在各領(lǐng)域輕量化設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，不僅取決于復(fù)合材料本身的優(yōu)異性能，也與制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或部件所使用的模具有極大的關(guān)系[1-2]。隨著復(fù)合材料應(yīng)用范圍的迅速擴(kuò)展、部件尺寸的不斷增大以及結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜化，對(duì)成型復(fù)合材料模具的原材料及其加工技術(shù)提出了更高的要求。通常，鋁和鋼材在耐熱、使用壽命、價(jià)格、表面硬度等指標(biāo)上具有明顯優(yōu)勢(shì)而被采用。但是，金屬材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)與復(fù)合材料相差甚遠(yuǎn)，兩者無(wú)法兼容，且隨固化溫度增高差異變得更大。因瓦(Invar)合金和碳纖維復(fù)合材料有相近的CTE，在航空航天領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，但是因瓦加工成本很高、質(zhì)量大等缺點(diǎn)限制了在其他工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。由于復(fù)合材料模具預(yù)浸料和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的CTE相當(dāng)，不需要昂貴的金屬模具也能制造出優(yōu)異性能的復(fù)合材料制品。因此，復(fù)合材料模具用預(yù)浸料受到了業(yè)內(nèi)特別是軌道交通、航空航天、醫(yī)療、汽車(chē)、體育器材等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注和普遍應(yīng)用。

1 復(fù)合材料模具用預(yù)浸料分類

目前，適用于工程化生產(chǎn)的復(fù)合材料模具預(yù)浸料主要分為環(huán)氧樹(shù)脂基體預(yù)浸料、雙馬樹(shù)脂基體預(yù)浸料、苯并嗪樹(shù)脂基體預(yù)浸料、氰酸酯/環(huán)氧基體預(yù)浸料等類型，具體說(shuō)明如下：

1.1 環(huán)氧樹(shù)脂基體預(yù)浸料

由于制品用環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料的固化溫度以中溫固化(120 ℃固化)樹(shù)脂體系為多，且有往低溫固化方向發(fā)展的趨勢(shì)，因此商業(yè)化模具用預(yù)浸料的Tg值一般集中在170～210 ℃，該溫度可覆蓋市場(chǎng)上90%以上的制品用環(huán)氧基體預(yù)浸料。以TenCate Amber公司的預(yù)浸料為例進(jìn)行說(shuō)明，預(yù)浸料型號(hào)見(jiàn)表1。

表1 TenCate Amber公司模具用預(yù)浸料

從表1可以看出模具用預(yù)浸料的最低固化溫度可以低到40 ℃，固化后Tg值最高可達(dá)203 ℃，對(duì)于普通制品用環(huán)氧預(yù)浸料的120 ℃固化條件而言，完全可以滿足正常固化要求。

另外，氰特(Cytec)公司主打的LTM系列模具預(yù)浸料也適用于在180 ℃下長(zhǎng)期使用，其預(yù)浸料可操作時(shí)間在2～30 h不等，可根據(jù)具體工藝需求進(jìn)行選擇。

1.2 雙馬樹(shù)脂基體預(yù)浸料

雙馬樹(shù)脂是一種耐高溫樹(shù)脂，廣泛應(yīng)用于航空航天等耐高溫需求的應(yīng)用場(chǎng)合，該材料固化后Tg值比環(huán)氧樹(shù)脂高，耐熱性更加突出，但需要更高的溫度進(jìn)行后固化操作，以滿足使用要求。據(jù)報(bào)道，國(guó)外諾斯洛普格魯門(mén)公司已將雙馬樹(shù)脂基體預(yù)浸料作為模具制作的最佳選材。該類型模具可在150 ℃及0.7 MPa下長(zhǎng)期使用，經(jīng)受700多個(gè)高壓和加熱循環(huán)而未破壞[3]。

表2列出了Cytec、Hexcel、TenCate公司具有代表性的雙馬預(yù)浸料牌號(hào)。

表2 雙馬樹(shù)脂基體預(yù)浸料

對(duì)比表2和表1可以發(fā)現(xiàn)，雙馬樹(shù)脂基體預(yù)浸料固化后Tg值比環(huán)氧基體預(yù)浸料Tg值要高一些，可應(yīng)用于耐較高溫度的復(fù)合材料制品。需要注意的是，在雙馬預(yù)浸料固化工藝過(guò)程中需要增加后固化過(guò)程，這往往會(huì)增加產(chǎn)品的制造成本、降低生產(chǎn)效率，在選擇時(shí)需要多方面綜合考慮。

1.3 苯并嗪樹(shù)脂基體模具預(yù)浸料

1.4 氰酸酯/環(huán)氧基體模具預(yù)浸料

美國(guó)埃爾泰克公司基于氰酸酯/環(huán)氧樹(shù)脂基體獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)、固化過(guò)程更靈活的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了CEP模具預(yù)浸料。經(jīng)驗(yàn)證，該預(yù)浸料可在94 ℃下進(jìn)行固化，固化后Tg值可達(dá)到260 ℃，相對(duì)雙馬預(yù)浸料和苯并嗪預(yù)浸料具有一定的優(yōu)勢(shì)。該種類型模具預(yù)浸料在國(guó)內(nèi)并不常見(jiàn)，這是因?yàn)榍杷狨プ鳛橐环N優(yōu)異的透波材料，用作模具則浪費(fèi)了其透波優(yōu)勢(shì)，而氰酸酯的高成本無(wú)疑將推高模具的制作費(fèi)用。

2 復(fù)合材料模具預(yù)浸料的優(yōu)勢(shì)

相比于金屬模具來(lái)講，復(fù)合材料模具具有獨(dú)特的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 熱膨脹系數(shù)(CTE)小

復(fù)合材料模具的CTE與制品CTE相對(duì)匹配，有利于獲得外形準(zhǔn)確、尺寸精度符合設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件[3]，表3比較了常用模具材料的的CTE值。

從表3也可以看出，碳纖維復(fù)材與Invar合金的CTE相差不大，實(shí)測(cè)模具的增長(zhǎng)也非常相近，因此可以采用碳纖維復(fù)合材料模具來(lái)代替Invar模具。

表3 常用模具材料CTE及相應(yīng)條件下的尺寸增值[3]

2.2 密度小，重量輕

復(fù)合材料密度僅為鋼材的四分之一左右，因此模具重量相比金屬要小得多，車(chē)間操作更加靈活和方便。

2.3 固化消耗總能量小

復(fù)合材料模具相比于Invar合金等金屬模具，可以在較短固化時(shí)間內(nèi)完成復(fù)合材料的固化，降低了復(fù)合材料的制造成本。表4列出了碳纖維復(fù)合材料和Invar合金的比熱容。

表4 碳纖維復(fù)合材料和Invar合金的比熱容[3]

2.4 總成本低

復(fù)合材料模具預(yù)浸料通常于低溫下開(kāi)始固化，脫離母模后可以在高溫下使用。低溫固化特性拓寬了母模材料的可選范圍，非常有利于降低制造成本。同時(shí)，復(fù)合材料模具制造成本相對(duì)較低。尤其是在制品形狀比較復(fù)雜、需求數(shù)量多的情況下，復(fù)合材料模具可通過(guò)一套母模進(jìn)行翻制，分?jǐn)偯總€(gè)模具的成本[6]。

2.5 可維護(hù)性好

復(fù)合材料模具可維護(hù)性好。其一旦損壞可在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)方法與結(jié)構(gòu)復(fù)合材料修復(fù)方法可以通用。

2.6 適用溫度范圍寬

因?yàn)閺?fù)合材料模具預(yù)浸料的樹(shù)脂基體類型多，固化后Tg值范圍比較廣，因而可根據(jù)不同的產(chǎn)品需求進(jìn)行選擇。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)選取的復(fù)合材料模具用預(yù)浸料的工藝及固化后參數(shù)，分析了不同類型模具預(yù)浸料的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)表明，復(fù)合材料模具具有熱膨脹系數(shù)低、溫度適用范圍廣等突出優(yōu)點(diǎn)，特別適合曲率復(fù)雜的復(fù)材構(gòu)件，而且在批量生產(chǎn)時(shí)具有較大的成本優(yōu)勢(shì)。該類型模具在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品或生產(chǎn)批量適中的構(gòu)件方面具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，廣大從業(yè)人員可以根據(jù)復(fù)材制品的特點(diǎn)選擇合適的復(fù)材模具預(yù)浸料，從而滿足項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的預(yù)期指標(biāo)。