碳纤维模具调研报告

　 碳纤维模具 市场调研报告

　 2 模具作为工业生产的工艺装备，随时产品精细化发展，当今制造模具的新材料新工艺层次不穷。本次调研主要针对 碳纤维模具进行说明。

　本文主要阐述模具 国内外发展现状，国内主要使用单位，模具优劣势，技术特点，应用前景。

　注：本报告整合了多家权威机构的数据资源和专家资源,从众多数据中提炼出了精当、真正有价值的情报,并结合了产品所处的环境,从理论到实践、宏观与微观等多个角度进行研究分析,其结论和观点力求达到前瞻性、实用性和可行性的统一。

　传统复合材料成型模具由金属材料制作，主要原因是金属具有高强度、高刚度、尺寸稳定性好、加工性好，适用于大批量生产等优点。随着复合材料构件外形准确性和尺寸精度的不断提高，原有金属模具材料的性能已经不能很好地满足高精度成型模具的需要。在这种背景下，复合材料模具（本文指碳纤维复合材料模具）应运而生，并且得到了迅速发展。目前，在欧美发达国家的航空航天部门，复合材料模具的应用已经相当普遍。

　随着高性能复合材料航空航天结构件的大量应用，各有关研究院所和企业积极研究和试验使用复合材料模具，因此复合材料模具也很快会成为国内复合材料构件的主要成型模具。

　1 、国内外发展现状 复合材料由于其密度低、高强度、高模量和可设计性等优点在飞机零件上得到了广泛应用，成为继铝、钢和钛合金之后重要的结构材

　 3 料，其应用范围和水平成为衡量飞机先进性的重要指标之一。如 787的复合材料用量为 50%，A350 的复合材料用量为 52%。随着复合材料构件在飞机主承力结构上的应用和飞机尺寸的变大，对复合材料成型用模具的材料提出了更高的要求。先进复合材料的加热加压生产条件要求模具材料具备不同特性，其中较为重要的特性包括：对基体塑脂高硬化温度及变化温度的稳定性；和所成型的复合材料一致的热膨胀系数；良好的真空稳定性；尺寸稳定性；适当的加热、冷却速率；

　 制造成本，包括机加工、热处理工艺所产生的成本等。目前有几种材料都达到了满意的模具使用要求，但需要找到一个性能平衡点确保使用该模具能生产出高质量、尺寸稳定的复合材料零件。常用的复合材料构件的成型模具使用的材料及特点：

　材料 模具成本 耐用性 热膨胀系数 普通钢 较低 好 12x10 -6

　复合材料 高 较差 可设计 因瓦合金 较高 好 0.5~2.5x10 -6

　铝 较低 好 21x10 -6

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　 2 、国内使用单位：

　（1）中航工业哈尔滨飞机工业（集团）有限责任公司 （2）航空工业昌河工业（集团）有限责任公司； （3）无锡智上新材料科技有限公司； （4）远力（宁波）复合材料有限公司； 3 、模具优劣势 （1 ）热膨胀性能匹配 复合材料模具最大优点是热膨胀系数小，且与复合材料的热膨胀系数比较相匹配，从而可以获得外形准确性和尺寸精度符合设计要求的构件。为了更深入地认识模具材料的热膨胀性能对复合材料构件质量的影响，首先分析在复合材料构件固化成型过程中，模具与构件之间相互关系发生变化的过程：开始加热时，随着温度的升高，模具受热膨胀，其尺寸跟着增大，这时的构件坯料还是软的，所以它也跟着模具一起增大；继续升温，在树脂体系的凝胶温度下，受热膨胀的模具与构件坯料具有相同的尺寸，这时的树脂体系只有部分固化，性能

　 5 还比较低；当加热到最后的固化温度时，模具和半固化的构件坯料以各自的热膨胀率膨胀，如果它们的热膨胀率不同，构件中将产生内应力；在保温阶段，构件在已经膨胀到最大尺寸的模具中得到进一步固化；保温结束后，从固化温度开始冷却至室温的过程中，模具和构件都以各自的收缩率收缩。如果它们的收缩率不同，构件的最后尺寸将与模具的尺寸不同。

　从以上固化过程模具与构件坯料之间关系的变化可以清楚地看出，当模具与构件的热膨胀系数之间存在差异时，将直接影响构件的外形准确性、尺寸精度和内部质量，实际生产中得到的数据清楚地说明了这一点。表 1 为长度为 7m 的复合材料构件在 200℃成型时，几种常用模具材料受热膨胀的尺寸增长数据。显然，在选择复合材料构件成型模具的材料时，热膨胀系数是必须考虑的首要因素，而且尺寸越大的复合材料构件越是应该选择热膨胀性能相匹配的复合材料模具。据报导，长达 18m 的 Delta- Ⅲ型运载火箭整流罩成型时，就是用了复合材料模具才保证了其要求非常高的外形准确性和尺寸精度。

　从表 1 中可以看出，在常用的模具材料中，铝合金的热膨胀系

　 6 数最大。而 INVAR 合金的热膨胀性能与碳纤维复合材料比较相近。由于 INVAR 合金的热膨胀系数很小，用它制作的成型模具与复合材料构件的热膨胀性能相匹配，而且使用寿命长，是最具有竞争力的一种模具材料，也是在欧美国家用得比较多的一种模具材料，特别是以聚酰亚胺、双马来酰亚胺等高温树脂为基体的复合材料构件多半采用这种材料制作的模具进行成型制造。INVAR 合金的主要问题是加工比较困难，而且价格昂贵。

　（2 ）密度小 复合材料的密度比较小，用其制造的模具质量比较轻。由于碳纤维复合材料具有高强度、高模量和低密度等特点（见表 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，最厚不会超过 9mm。因此即使是大型复杂的复合材料模具，其重量也非常轻，易于搬运，方便使用。曾有报导，欧洲空中客车公司的 A320 飞机复合材料垂直尾翼原计划采用低碳钢制作其成型模具，但经过设计计算，钢模具太重，超过了德国 MBB 公司当时的热压罐和起吊设备的承受能力，后来改用复合材料模具，不但很好地解决了模具重量问题，而且高质量地制造出当时全球最大的民用客机复合材料构件。

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　与金属模具对比，复合材料更轻。随着复合材料构件越来越大，金属模具过重问题给加工厂带来了新的挑战。因此，许多制造商转而采用复合材料模具以降低质量，同时避免较高的镍钢加工成本。在材料技术日新月异的今天，复合材料模具在不久的将来就可能替代相当部分的金属模具成型大型制件。

　（3 ）热容小 复合材料模具加热固化时所需热量比较小。碳纤维复合材料的比热容一般大于金属材料（见表 3）。由于复合材料模具的质量比金属材料要轻，特别是比碳钢和 INVAR 钢模具要轻得多，因此在固化成型加热时，复合材料模具所需要的热量远小于 INVAR 合金等金属材料模具，它可以按要求以比较快的升温速度进行加热固化，可以在较短的固化周期内完成复合材料构件的固化成型，从而可以节约能源和工时，降低制造成本。

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　（4 ）可修复性好 复合材料模具具有较好的可修复性。复合材料模具一旦损坏( 如冲击损伤、真空泄漏、表面划伤等)，能在较短的时间内、以较低的成本修复好。而金属模具受损断裂或变形后，一般很难修复。

　（5 ）制造成本相对较低 复合材料模具的制造成本比钢模具和铝合金模具还是要高得多，但是比起 INVAR 合金模具则要低一些，特别是模具的形状比较复杂和需要的模具数量比较多时，其成本会更加低。复合材料模具是在母模上成型出来的，而且一个母模可以成型多个模具。母模的制造成本基本上与模具的成本相当，但它的成本是非重复成本，一次性投入制造出母模之后，生产的模具数量越多，分摊在每个模具上的母模制造费用就越少，所以每个模具的制造成本就越低。

　（6 ）低温固化高温 使用 复合材料模具预浸料具有低温固化高温使用的特点。目前的模具预浸料一般可以在 60℃甚至更低的温度下进行固化，脱离母模后，模具呈自由状态下进行后固化后可以在高温下使用。模具预浸料可在低温下完成固化这一特点拓宽了母模材料的可选择范围，使得一些价

　 9 格低廉的材料，如石膏、木材等也可以用于母模的制造，从而降低母模的造价。

　4 、技术特点 复合材料模具一般用预浸料制作，具有高的纤维体积分数，低的热膨胀系数，易加工和极小的毒性等优点。国外已成功将低温固化高温使用的树脂体系制成各种纤维织物增强的预浸料，然后将预浸料铺放于事先制作好的石膏或手糊成型的母模之上。这些母模通常制作价格低廉，在能够保证母模的结构强度及刚度的温度范围内（一般不高于 90℃）初步固化成型。然后将复合材料模具从母模脱离，在逐渐升温条件下保持形态进一步固化，直至完全固化。这样制作复合材料模具可降低对母模材料的耐温要求。此工艺制作的复合材料模具气密性好、尺寸精度高、表面质量高、耐用。

　另外，HEXCEL 公司新近推出了一种可以代替传统模具材料的高性能复合材料模具 HEXTool。这种模具材料和该公司的另一种材料HEXMC 相似，是一种由短切单向碳纤维/ 环氧预浸带构成的模压成型毡。制作模具时，先将该种预浸料铺放在具有所需形状和尺寸的母模上，然后置于热压罐中固化得到一个模具的毛坯，该预浸料固化后可通过机械加工满足模具所需尺寸和表面精度要求，并且通过抛光处理达到模具所需的表面要求。这种方式制作的复合材料模具相对于金属模具具有更轻的质量、更快的加热和冷却速率，可像金属一样进行机器加工，加工性能好，热膨胀系数和碳纤维/环氧复合材料匹配，

　 10 气密性好，易修补。该类高性能 MBI 树脂具有极高的耐热性，使用寿命更长（200℃工作条件下可使用 5000h）。据悉，这种材料已用于未来空中客车 A350XWB 的复合材料机身面板模具，美国某公司也经选用该种材料和工艺为波音 787 的一个项目制作模具。

　复合材料模具已逐渐形成产业, 并处在高速发展阶段。复合材料模具的应用使得生产复合材料构件的工艺得到优化，生产周期随之缩短，产品质量得到提升，复合材料生产步入了更快的发展阶段。未来，复合材料模具将代替更多金属模具，并将更广泛应地用于航空航天领域。

　5 、应用前景 碳纤维复合材料模具明显的优点是质量轻、刚度大、热膨胀系数与所成型的碳纤维复合材料构件接近、所制造的构件尺寸精确度高。同时碳纤维复合材料模具型面由预浸料铺叠成型，可作做任意的修补再用，使用效率高。碳纤维模具目前主要应用于航空军工、船舶舰艇、轨道交通、汽车工业和智能化机械，满足高端客户向复材产品多样化发展需求提供解决方案。碳纤维模具最早主要应用于钓鱼竿和高尔夫球棒等体育休闲范畴。跟着技术开展和性价比的进步，碳纤维在风力发电、轿车工业、航天军工等范畴的需要逐渐进步。通过碳纤维模具的使用，产品精度避免温度变化的干扰因素，精度可达到 0.05mm。

　 日前，全球最大的碳纤维制造商日本东丽统计数据表明当前全球碳纤维总产能约 8.4 万吨，其中 15%用于模具制造。国内用于碳纤维模具的市场约 30-40 亿元。