石墨模具在复合材料成型领域的应用研究

刘甲秋，迟 波

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)

石墨模具在复合材料成型领域的应用研究

刘甲秋，迟 波

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)

石墨材料具有良好的热传导性，耐高温、耐腐蚀，热稳定性能好，热膨胀系数低，摩擦系数小，这些都便于树脂基复合材料的成型和脱模，并可获得较高精度的制品。本文介绍了石墨材料的特点及在模具加工领域的应用，制造了尺寸相同的石墨模具及金属模具，按照相同的成型工艺分别成型出碳纤维复合材料制品，并进行了比较。结果表明：石墨模具比金属模具更适合成型精度要求比较高的复合材料制品。

复合材料；低膨胀模具；石墨模具

1 引 言

复合材料问世以来，以其轻质、高强的优异力学性能和其材料本身独特的可设计性得到航空、航天等众多制造工业的青睐。尤其在航空、航天领域，复合材料在飞行器结构上的用量已然成为了评价其是否先进的衡量标准之一。随着近几十年来航空、航天事业的发展，我们对复合材料设计、制造有了更加深入的认识，复合材料构件逐渐趋于大型化、整体化[1]。与此同时，也对复合材料的制造工艺、尺寸精度及稳定性等方面提出了更高的要求。传统复合材料模具都是由金属材料制作，然而从模具制作及使用过程来看，传统的金属材料具有模具质量大，制作型面复杂模具的难度高，以及在成型复合材料时金属模具与复合材料构件之间的热膨胀系数不匹配、构件制造精度难以提高等缺点，因此，寻找金属模具的替代材料成为复合材料成型模具制造的新思路。石墨以其良好的物理和化学性能逐渐成为模具制作的首选材料[2]。

2 石墨的特点及在传统模具加工 中的应用

石墨是一种结晶形碳，其特点：①优良的导热及导电性能；②耐化学腐蚀，与多数金属不易发生反应；③热膨胀系数低，具有很好的热稳定性；④具有良好的润滑和抗磨性；⑤在高温下(在多数铜基胎体烧结温度800℃以上)强度随温度升高而增大；⑥机械加工性能好，可以制作成形状复杂、精度高的模具。

目前，石墨模具主要在6个方面得到了广泛的应用：

(1)有色金属连续铸造及半连续铸造用石墨模具。因其导热性能良好，模具的自润滑性能好等因素，不但可以使铸锭的尺寸精确，表面光滑，结晶组织均匀，而且使铸型速度提高，可直接进行下道工序的加工。这大大提高了成品率，使产品质量也有大幅度的提高。

(2)加压铸造用模具：人造石墨材料已成功地用于有色金属的加压铸造上。例如，用人造石墨材料制造的加压铸造用模具生产的锌合金和铜合金的铸件已用于汽车零件等方面。

(3)离心铸造用石墨模具：石墨模具已成功应用于离心铸造上。美国已采用壁厚为25 mm以上的人造石墨铸模来离心铸造青铜套管。

(4)热压压模模具：人造石墨热压压模用于硬质合金的加压烧结方面具有2个特点：①若压制温度提高到1 350～1450℃时，则所需单位压力可降到冷压压力的1/10；②加压和加热在同一道工序进行，经短时间的烧结就能得到致密的烧结体。

(5)玻璃成型用模具：石墨材料近年来在玻璃制造中成为不可缺少的模具材料，可以用它来制造玻璃管、弯管、漏斗及其它各种异型玻璃瓶的铸模。

(6)烧结模及其它金刚石烧结模具：利用人造石墨材料热变形极小的特点，可制造晶体管的烧结模具和支架，现已广泛使用，它已成为发展半导体工业不可缺少的材料。

3 石墨在复合材料成型模具中的应用

石墨是热的良导体，耐高温、耐腐蚀，热稳定性能好，热膨胀系数低(表1)，摩擦系数小，这些都便于树脂基复合材料的成型和脱模，并获得较高精度的制品。并且石墨模具的导热率高，传热迅速，与钢等金属接近，而且它的热质量小，因而接近复合材料的热质量，即单位体积升高1℃所需的热量相等。另外，石墨模具在加工或机加成型过程中没有残余应力，不需要应力释放周期，对大型模具来说，可以显著的缩短加工周期。

表1 常用模具加工材料及复合材料性能对比

国外某些公司已经生产了许多石墨模具用于制作复合材料零件、国外的某些高精度卫星天线反射器也常常采用石墨模具进行生产。国内使用石墨模具生产复合材料产品的信息亦鲜有相关文献报道[3]。

4 使用石墨模具进行复合材料成型的应用

针对树脂基复合材料，我们采用石墨模具通过预浸料铺放，对模加压成型的方式生产了单向板、层合板。模具采用阴、阳模形式，通过销孔定位、螺栓加压的对模模具方案。

在碳纤维复合材料单向板、层合板制作过程中发现由于石墨气孔率较大，产品固化过程中树脂浸到石墨模具气孔中，从而造成产品脱模困难；而且模具加压时有可能会造成模具脆裂。后续我们通过反复改进工艺，解决了树脂浸润的问题。

为避免石墨机械强度较低、脆性大、抗冲击性能差的缺点我们采用预浸料铺放、热压釜加压固化成型工艺制作了XX飞机蒙皮用零件，并与采用金属模具生产的复合材料零件进行了对比。金属模具和石墨模具采用同一三维模型进行数控加工，材料为Q235钢板。2个复合材料零件所用材料均为T700碳纤维/TDE-85环氧树脂，铺层角度、厚度，固化时间及固化温度均相同。(产品轮廓尺寸为420×383.5×15 mm)。

图1 石墨模具制作的复合材料零件

图2 金属模具制作的复合材料零件

通过对比，发现石墨模具成型的零件较金属模具成型零件表面光滑、饱满。石墨模具成型的零件尺寸精度较金属模具成型制品有一定提高，石墨模具成型的零件脱模后再重新装入到模具中型面配合较好，而金属模具成型的零件较难重新放回到金属模具中。说明了石墨模具比金属模具更适合成型精度要求比较高的复合材料制品。2个制品的尺寸测量的结果也证明石墨模具成型的制品具有更高的尺寸精度。

5 结 语

模具是影响复合材料质量、成本以及周期的重要环节。有些航空航天器用复合材料结构件外形非常复杂、精度要求极高，比如大型飞机的蒙皮、可展天线骨架、加筋壁板、光学遥感相机支架、进气道等，这些产品的成型和脱模对模具的热膨胀方面有着特殊要求。在此背景下石墨模具作为成本相对较低、低膨胀模具的代表具有广阔的应用前景及研究发展空间。

[1] 张惠丽. 复合材料成型模具的新进展[J].航天工艺,1992(1):38-39.

[2] 王永军. 先进复合材料构件成型模具和工装技术[J]. 航空制造技术,2003(10):33-34.

[3] 章令晖，李甲申，韩宇，等.复合材料成型模具研究进展[J].航天制造技术,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)

刘甲秋(1985-)，男，黑龙江庆安县人，工程师。研究方向：复合材料工艺研究。E-mail：liujiaqiu2007@126.com.