石墨模具在復合材料成型領域的應用研究

劉甲秋，遲 波

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

石墨模具在復合材料成型領域的應用研究

劉甲秋，遲 波

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

石墨材料具有良好的熱傳導性，耐高溫、耐腐蝕，熱穩定性能好，熱膨脹系數低，摩擦系數小，這些都便于樹脂基復合材料的成型和脫模，并可獲得較高精度的制品。本文介紹了石墨材料的特點及在模具加工領域的應用，制造了尺寸相同的石墨模具及金屬模具，按照相同的成型工藝分別成型出碳纖維復合材料制品，并進行了比較。結果表明：石墨模具比金屬模具更適合成型精度要求比較高的復合材料制品。

復合材料；低膨脹模具；石墨模具

1 引 言

復合材料問世以來，以其輕質、高強的優異力學性能和其材料本身獨特的可設計性得到航空、航天等眾多制造工業的青睞。尤其在航空、航天領域，復合材料在飛行器結構上的用量已然成為了評價其是否先進的衡量標準之一。隨著近幾十年來航空、航天事業的發展，我們對復合材料設計、制造有了更加深入的認識，復合材料構件逐漸趨于大型化、整體化[1]。與此同時，也對復合材料的制造工藝、尺寸精度及穩定性等方面提出了更高的要求。傳統復合材料模具都是由金屬材料制作，然而從模具制作及使用過程來看，傳統的金屬材料具有模具質量大，制作型面復雜模具的難度高，以及在成型復合材料時金屬模具與復合材料構件之間的熱膨脹系數不匹配、構件制造精度難以提高等缺點，因此，尋找金屬模具的替代材料成為復合材料成型模具制造的新思路。石墨以其良好的物理和化學性能逐漸成為模具制作的首選材料[2]。

2 石墨的特點及在傳統模具加工 中的應用

石墨是一種結晶形碳，其特點：①優良的導熱及導電性能；②耐化學腐蝕，與多數金屬不易發生反應；③熱膨脹系數低，具有很好的熱穩定性；④具有良好的潤滑和抗磨性；⑤在高溫下(在多數銅基胎體燒結溫度800℃以上)強度隨溫度升高而增大；⑥機械加工性能好，可以制作成形狀復雜、精度高的模具。

目前，石墨模具主要在6個方面得到了廣泛的應用：

(1)有色金屬連續鑄造及半連續鑄造用石墨模具。因其導熱性能良好，模具的自潤滑性能好等因素，不但可以使鑄錠的尺寸精確，表面光滑，結晶組織均勻，而且使鑄型速度提高，可直接進行下道工序的加工。這大大提高了成品率，使產品質量也有大幅度的提高。

(2)加壓鑄造用模具：人造石墨材料已成功地用于有色金屬的加壓鑄造上。例如，用人造石墨材料制造的加壓鑄造用模具生產的鋅合金和銅合金的鑄件已用于汽車零件等方面。

(3)離心鑄造用石墨模具：石墨模具已成功應用于離心鑄造上。美國已采用壁厚為25 mm以上的人造石墨鑄模來離心鑄造青銅套管。

(4)熱壓壓模模具：人造石墨熱壓壓模用于硬質合金的加壓燒結方面具有2個特點：①若壓制溫度提高到1 350～1450℃時，則所需單位壓力可降到冷壓壓力的1/10；②加壓和加熱在同一道工序進行，經短時間的燒結就能得到致密的燒結體。

(5)玻璃成型用模具：石墨材料近年來在玻璃制造中成為不可缺少的模具材料，可以用它來制造玻璃管、彎管、漏斗及其它各種異型玻璃瓶的鑄模。

(6)燒結模及其它金剛石燒結模具：利用人造石墨材料熱變形極小的特點，可制造晶體管的燒結模具和支架，現已廣泛使用，它已成為發展半導體工業不可缺少的材料。

3 石墨在復合材料成型模具中的應用

石墨是熱的良導體，耐高溫、耐腐蝕，熱穩定性能好，熱膨脹系數低(表1)，摩擦系數小，這些都便于樹脂基復合材料的成型和脫模，并獲得較高精度的制品。并且石墨模具的導熱率高，傳熱迅速，與鋼等金屬接近，而且它的熱質量小，因而接近復合材料的熱質量，即單位體積升高1℃所需的熱量相等。另外，石墨模具在加工或機加成型過程中沒有殘余應力，不需要應力釋放周期，對大型模具來說，可以顯著的縮短加工周期。

表1 常用模具加工材料及復合材料性能對比

國外某些公司已經生產了許多石墨模具用于制作復合材料零件、國外的某些高精度衛星天線反射器也常常采用石墨模具進行生產。國內使用石墨模具生產復合材料產品的信息亦鮮有相關文獻報道[3]。

4 使用石墨模具進行復合材料成型的應用

針對樹脂基復合材料，我們采用石墨模具通過預浸料鋪放，對模加壓成型的方式生產了單向板、層合板。模具采用陰、陽模形式，通過銷孔定位、螺栓加壓的對模模具方案。

在碳纖維復合材料單向板、層合板制作過程中發現由于石墨氣孔率較大，產品固化過程中樹脂浸到石墨模具氣孔中，從而造成產品脫模困難；而且模具加壓時有可能會造成模具脆裂。后續我們通過反復改進工藝，解決了樹脂浸潤的問題。

為避免石墨機械強度較低、脆性大、抗沖擊性能差的缺點我們采用預浸料鋪放、熱壓釜加壓固化成型工藝制作了XX飛機蒙皮用零件，并與采用金屬模具生產的復合材料零件進行了對比。金屬模具和石墨模具采用同一三維模型進行數控加工，材料為Q235鋼板。2個復合材料零件所用材料均為T700碳纖維/TDE-85環氧樹脂，鋪層角度、厚度，固化時間及固化溫度均相同。(產品輪廓尺寸為420×383.5×15 mm)。

圖1 石墨模具制作的復合材料零件

圖2 金屬模具制作的復合材料零件

通過對比，發現石墨模具成型的零件較金屬模具成型零件表面光滑、飽滿。石墨模具成型的零件尺寸精度較金屬模具成型制品有一定提高，石墨模具成型的零件脫模后再重新裝入到模具中型面配合較好，而金屬模具成型的零件較難重新放回到金屬模具中。說明了石墨模具比金屬模具更適合成型精度要求比較高的復合材料制品。2個制品的尺寸測量的結果也證明石墨模具成型的制品具有更高的尺寸精度。

5 結 語

模具是影響復合材料質量、成本以及周期的重要環節。有些航空航天器用復合材料結構件外形非常復雜、精度要求極高，比如大型飛機的蒙皮、可展天線骨架、加筋壁板、光學遙感相機支架、進氣道等，這些產品的成型和脫模對模具的熱膨脹方面有著特殊要求。在此背景下石墨模具作為成本相對較低、低膨脹模具的代表具有廣闊的應用前景及研究發展空間。

[1] 張惠麗. 復合材料成型模具的新進展[J].航天工藝,1992(1):38-39.

[2] 王永軍. 先進復合材料構件成型模具和工裝技術[J]. 航空制造技術,2003(10):33-34.

[3] 章令暉，李甲申，韓宇，等.復合材料成型模具研究進展[J].航天制造技術,2013,2(1):16-17.

Research on Graphite Mould in the Composite Molding Field

LIU Jiaqiu，CHI bo

(Harbin FRP Institute,Harbin 150036)

Graphite materials have good thermal conductivity, high temperature resistance, corrosion resistance, good thermal stability, low thermal expansion coefficient, small friction coefficient. These are easy molding and stripping mould of resin matrix composites and to obtain higher accuracy of products. This paper introduces the characteristics of graphite material and the application in the mold processing field. Using the same size of graphite mold and metal mold and the same process form the carbon fiber composite material products, and compare the two products.The results show that, graphite mold is more suitable for molding with high precision composite material products than the metal mould.

composite material; low expansion mold；graphite mold

2015-03-11)

劉甲秋(1985-)，男，黑龍江慶安縣人，工程師。研究方向：復合材料工藝研究。E-mail：liujiaqiu2007@126.com.