CN1933952B - 碳泡沫复合材料工具及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种用于由复合材料形成材料来形成复合材料部件的工具，其具有至少部分地由碳泡沫组成的工具主体，其中，碳泡沫的表面可包括工具面或支撑着工具面材料。与用于生产复合材料部件的传统工具、尤其是那些用于生产碳复合材料的工具相比，本发明的工具可更轻质、更耐久并且生产和/或使用成本更低。另外，这种工具可再用，可修复，并且更易改进。

Description

碳泡沫复合材料工具及其使用方法

发明领域

本发明涉及复合材料工具及其使用方法，更具体地说将碳泡沫结合在工具主体中，以用于形成由复合材料制成的部件。

发明背景

通常，复合材料是通过将增强材料嵌入基体材料中来制备的。复合材料具有高实用性，并且通常展示出优于形成复合材料的那些单一材料所展示出的机械性能或其它性能。复合材料的常见示例是玻璃纤维。玻璃纤维是玻璃丝，其为嵌入到构成基体材料的固化树脂中的增强材料。

已经发现，复合材料在用作组装装置例如航空器、导弹、船只、医学设备和体育用品的结构部件、构件、子组件和类似物时，具有较高的实用性。常用于这种应用的复合材料是玻璃纤维。在这种应用中具有特别高实用性的其它复合材料是由碳纤维结合基体材料例如热固性(例如热固性树脂和类似物)和/或热塑性树脂制备而成的那些复合材料。这种复合材料称为碳纤维复合材料(以下称为CFC)，或更常称为碳复合材料。碳复合材料已经用作例如航空器飞行表面、导弹主体、矫形支架和高尔夫球杆杆身。这种碳复合材料的实用性通常与其极高的强度与重量之比以及其抗疲劳和抗腐蚀性能相关。在大多数情况下，这些有益的性能超过了通过使用碳复合材料来取代的金属或其它材料的类似性能。另外，一些类型的碳纤维复合材料可被碳化，以形成碳-碳复合材料。

可能在最终的复合材料产品中需要特定的纤维取向，以便赋予强化的强度、刚度和/或沿着某些轴线的柔性。另外，复合材料形成材料、尤其是碳纤维，是比较昂贵的，因此通常会阻止浪费。因此，就生产出在大小、形状和形状上与预期应用所需紧密匹配的复合材料。实际上，复合材料、尤其是用于航空航天和许多其它应用的碳纤维复合材料是例行地生产的，对所要求的尺寸限制在非常有限的公差内。

要达到这种高的尺寸要求来形成复合材料、包括碳复合材料，这通常通过使用常称为工具的模具类设备来实现。这些工具包含一个或多个称为工具面的表面，复合材料通过所述工具面来形成、成形、模制或以其它方式生产出预定大小和形状的构件。这种构件可包括结构、部件、子组件和类似物。工具面通常形成为使得它是所需复合材料构件的精确的三维负镜像表面。也就是说，复合材料部件上的凸面将与工具面的相同(负)尺寸的凹面相匹配并由其形成。同样，复合材料部件上的凹入面将与工具面的相同(负)尺寸的凸面相匹配并由其形成。在实践中，增强材料和基体材料、例如碳纤维和树脂的混合物通过任何数目的工序而放置在工具面上，并且与工具面紧密接触。工具面的尺寸使得该接触可有效地将基体材料和增强材料混合物的表面模制成所需的形状和尺寸。基体材料然后通常通过固化树脂而固化，以便生产复合材料构件。例如，包含树脂的碳纤维通常通过施加热量来固化，以便产生结实的CFC构件，其具有由工具面所赋予的形状和尺寸的表面。

除了工具面之外，工具还包括工具主体和通常的支承结构。工具主体包括工具面。也就是说，在其上形成复合材料如CFC的工具面是工具主体的表面。工具主体也可包含外盖件，其最小程度地封闭了工具面或其部分，使得在工具面和外盖件之间形成了基本上封闭的体积。支承结构连接在工具主体上，并且可用于许多用途，包括但不限于工具主体和工具面的支撑、取向，以及输送及防止工具主体和工具面受损。

工具的重要特性包括例如质量、重量、强度、大小、成本、易于修复性等等。另外，刚性和耐久性也被视为工具的非常重要的特性。所有这些特性取决于工具的设计、构造工具的材料以及用于形成复合材料的材料。

工具的一个非常重要的特性是工具面所展示的热膨胀系数(以下称为CTE)。工具面是工具主体的表面，工具面所展示的CTE取决于构成工具主体的材料。通常需要工具面所展示的CTE基本上类似于或等于成形复合材料部件的CTE。优选的是，工具面所展示的CTE应在较宽温度范围内类似于或等于成形复合材料部件的CTE。在复合材料部件的CTE和工具面所展示的CTE之间具有较大类似性或更优选为相同性的重要性在于，它与使用工具来制备复合材料部件的方式有关。也就是说，通常，用于形成复合材料的材料在室温下放置在工具面上。工具和复合材料形成材料的温度然后升高至一定的高温，通常为例如250°F或更高，以便固化复合材料的树脂。一旦树脂固化，所得复合材料部件如CFC就是刚性的。在树脂固化之后，工具面和复合材料部件被冷却至室温。这种暴露于远高于室温的温度下的原因在于，需要工具与所得复合材料部件的CTE相匹配。例如，如果复合材料部件的CTE远远小于工具面所展示的CTE，那么复合材料部件可能在冷却时因工具面的较大收缩而卡在或保持在工具中。相反，如果复合材料部件的CTE远远大于工具面所展示的CTE，那么部件在收缩时也可能卡在工具中或可能损坏工具面，或者固化的复合材料在尺寸上会不同于工具面的尺寸。

通常，碳复合材料具有较低的CTE，而大多数其它材料的CTE高得多。因此非常难于使工具面所展示的CTE与碳复合材料的CTE相匹配，这是因为用于构成工具主体的具有足够低CTE的材料是比较少的。适用于构成工具主体的这种可得到的较低CTE的材料例如包括其它的碳复合材料、 (例如受控膨胀的镍铁合金)等等。

是耐久的，并且所具有的CTE基本上类似于碳复合材料CTE。然而，

基工具通常较重，难于制备，并且可能需要例如多达十七个单独的制备阶段。这种制备阶段可导致大约140％至大约250％的工具成本增加以及四倍的交货时间增加，如″用于工具应用的殷钢面复合材料的制备和分析″，Processing of ToolingComposites 93，Pasadena，Califomia中所述，其通过引用而结合于本文中。

类似于

基工具的是，碳纤维复合材料基工具能够匹配CFC部件和类似物的CTE，即使例如难于匹配低CTE材料的CTE。对于这类工具，碳纤维复合材料用作整个工具主体和／或工具主体的限定了工具面的那部分。碳纤维复合材料基工具是有利的，因为这种CFC基工具是不太昂贵的，更轻质的，具有低的热质量，并且工具制造所需的交货时间比例如

基的传统工具更短。然而，CFC基工具通常如果不小心处理就易于损坏，尤其当复合材料置于其上时。另外，由于构件的粘着、CTE不匹配和氧化分解等因素的组合，重复工艺循环的结果会导致CFC基工具的表面变质。另外，对CFC基工具的任何必要修复都会导致修复和维护成本的增加。另外，CFC基工具易于受到不平坦支撑所导致的维度应力。因此，由于以上问题，CFC基工具并不常用。

还应考虑复合材料工具、尤其CFC工具的其它重要特性。例如，除了刚硬、耐久、强度好和CTE可匹配之外，工具也应具有低的成本和易于生产。也就是说，在选择用于工具主体的材料时，还应当考虑将生产的部件总数量。包括在这种考虑中的是，生产大量部件可更易于调整昂贵的工具。然而，总体而言，通常可接受的是刚硬、强度好、耐久和CTE可匹配的工具，其可易于在低的成本下制造，而无需考虑部件的生产数量。

碳泡沫是非常高碳含量的材料，其具有可评估的空隙体积。在外观上，除了颜色之外，碳泡沫可类似于易于得到的可买到的塑料泡沫。与塑料泡沫一样，碳泡沫的空隙体积位于大量的空微孔(cell)内。这些微孔的边界通过碳结构来限定。这些微孔通常近似于球形或者规则形状的空隙，但不必具有一致的大小、形状、分布和取向。这些微孔中的空隙体积通常直接连在相邻的空隙体积上。这种设置称为敞开微孔的泡沫。这些泡沫中的碳形成了三维连续材料的结构。通常，碳泡沫中的微孔具有易于被肉眼看见的大小另外，碳泡沫的空隙体积设置成通常占据一半以上的碳泡沫体积。碳泡沫中的微孔的规则大小、形状、分布和取向使得该材料易于与其它材料例如冶金焦碳区分开。碳泡沫利用多种原料由多种工艺制成。例如，用于碳泡沫生产的原料包括但不限于沥青、煤和煤衍生物。同样，用于由每一种这些原料来生产碳泡沫的工艺是已知的。大多数这些工艺包括，在制备泡沫之后，将碳泡沫暴露于有时高达大约3000℃的高温下。

发明概要

公开了一种用于由复合材料形成材料来形成复合材料部件的工具，其具有至少部分地由碳泡沫组成的工具主体。所包含的碳泡沫的表面可限定工具的一个工具面的至少一部分。或者，碳泡沫可支撑工具面材料，其表面限定了工具的一个工具面的至少一部分。所包含的碳泡沫可用填料部分地或完全地填充。一些填料可在填充碳泡沫之后碳化。使用填料可提供例如更平滑的工具面，和/或导致一些碳泡沫区域变得不能透过气体或其它物质。工具面材料可包括但不限于复合材料(具体而言为碳纤维复合材料)、树脂、金属(包括电弧喷涂的金属)、陶瓷和其它材料。

所公开工具的工具面可展示出较低的热膨胀系数(CTE)。具有这种低CTE的工具面尤其可用于制备低CTE的复合材料例如碳纤维复合材料(CFC)。另外，具有其它CTE的工具面可通过利用碳泡沫、具有不同CTE的碳泡沫、填料和/或工具面材料的组合来制备为工具面，其限定或支撑了相关工具主体的构件。例如，包括碳泡沫的工具主体是尤其有利的，其中碳泡沫的表面是用于生产碳纤维复合材料(CFC)的工具面，这是因为碳泡沫的CTE可与所得CFC的CTE相匹配。作为另一示例，所公开的工具的碳泡沫可支撑工具面材料如CFC，所述工具面材料的表面提供了用于生产碳纤维复合材料(CFC)的工具面。在该示例中，碳泡沫的CTE可与工具面材料和所得CFC的CTE相匹配。

与用于生产复合材料部件的传统工具、尤其是那些用于生产CFC的工具相比，该公开的工具可更轻质、更耐久，并且生产和/或使用成本更低。另外，与现有技术的那些工具相比，这种工具可再用，可修复，并且更易于改进。

在某些实施例中，本发明可包括用于生产至少一个复合材料部件的工具，该工具包括工具主体，其中，工具主体的至少一部分是碳泡沫。工具主体的表面可限定工具面，工具面的一部分可至少部分地为构成工具主体的碳泡沫的表面。在一些实施例中，碳泡沫的微孔可用填料至少部分地填充。填料可为固化树脂、沥青、固化的可模制的陶瓷、碳化的树脂或碳化的沥青。在某些实施例中，工具面的热膨胀系数基本上类似于在工具面上所生产的复合材料部件的热膨胀系数。在另一实施例中，碳泡沫的包括工具主体的至少一部分至少部分地支撑工具面材料。工具面材料可为金属、陶瓷、固化树脂、纤维复合材料、碳纤维复合材料、颗粒复合材料、

、碳化硅或氧化锆陶瓷。碳泡沫可至少部分地从沥青、煤或煤衍生物中得来。在其它实施例中，工具主体可为芯棒形状的。另外，该工具还可包括外盖件，其定位在工具面的至少一部分之上，并且封闭了工具面的至少一部分。该工具也可包括树脂储器连接端口，其与工具面的封闭部分真空连通。树脂储器连接端口可适于连接在树脂储器系统上，并且当在工具面的封闭部分中形成真空时，可将树脂从树脂储器系统输送至该工具面的封闭部分。

本发明的某些实施例也可包括用于生产至少一个复合材料部件的方法，包括以下步骤：提供具有工具面的工具主体，其中，工具主体的至少一部分是碳泡沫，将复合材料形成材料放置在工具面上，以及固化复合材料形成材料，从而生产出复合材料部件。复合材料形成材料可包括树脂和选自颗粒增强材料和纤维增强材料的至少一种材料的混合物。该方法还可包括将分离膜放置在复合材料形成材料和工具面之间的步骤。该方法也可包括，在工具面与复合材料形成材料相接触之前将工具面的至少一部分涂覆上脱模剂的步骤。另外，该工具还可包括定位在工具面的至少一部分之上并封闭工具面的至少一部分的外盖件，并且复合材料形成材料可放置在该工具面的封闭部分上。可在工具面的封闭部分中抽真空。

本发明也可包括通过本发明的工具和方法所生产的各种复合材料部件。

附图简介

图1显示了包括芯棒的可再用工具的截面图，该芯棒部分地包括碳泡沫。复合材料形成材料然后放置在该芯棒的外表面上，以便用于形成复合材料部件。

图2显示了包括工具主体的可再用工具的截面图，该工具主体至少部分地由碳泡沫组成，其中碳泡沫的表面已加工或形成轮廓或成形为所需的构造，以便用作工具面。

图3显示了包括工具主体的可再用工具的截面图，该工具主体至少部分地由碳泡沫组成，其中，包含在工具主体中的碳泡沫的表面支撑着不通透的工具面材料。该工具面材料的一个分段已加工或形成轮廓或成形为所需的构造，以便用作工具面。

图4显示了包括工具主体的可再用工具的截面图，该工具主体至少部分地由碳泡沫组成，其中，包含在工具主体中的碳泡沫的表面支撑着不通透的工具面材料。该工具面材料的一个分段已加工或形成轮廓或成形为所需的构造，以便用作工具面。

图5显示了包括工具主体的可再用工具的截面图，该工具主体至少部分地由碳泡沫组成的两个相对的分段，其中，碳泡沫的每一个分段都支撑着工具面材料，该工具面材料的截面用作工具面。

图6显示了包括工具主体的可再用工具的截面图，该工具主体至少部分地由碳泡沫组成，其中，包含在工具主体中的碳泡沫的表面已加工或形成轮廓或成形为所需的构造，以便用作工具面。

图7显示了可再用工具主体的至少部分地由碳泡沫组成的第一半体的截面图，其具有其中形成了槽道和形状的表面。

本发明的实施例的详细描述

工具可用于以较高尺寸精度来制备部件，包括各种类型、形状、大小和材料的复合材料部件。工具的设计通常取决于待形成部件的所需形状，用于形成部件的材料，工具所必须具有的用于支撑形成该部件所需材料的强度和刚性，和/或用于提供形成该部件所用材料的方法。

工具包含一个或多个表面，称为工具面，材料在该工具面上形成、成形、模制或生产出具有预定大小和形状表面的部件。这种部件可包括但不限于结构、部件、子组件、构件的部分、部分构件等等，包括具有成形表面的任何固体形式。工具面是工具主体的表面，其通常形成为部件的所需表面的精确三维负镜像。也就是说，复合材料部件上的凸面将与工具面的相同(负)尺寸的凹面相匹配并由其形成。同样，复合材料部件上的凹入面将与工具面的相同(负)尺寸的凸面相匹配，并由其形成。

在实践中，构成复合材料部件的材料可通过任何数目的工序而放置在工具面上。通常，复合材料利用树脂来作为基体材料，并且用纤维来作为增强材料。但是，树脂和颗粒也可分别用作基体和增强材料。有时，纤维放置被密切地控制，使得所得复合材料部件展示出特定的纤维间距和/或取向。纤维和树脂可在置于工具面上之前被混合或以其它方式组合起来。或者，纤维可放置在工具面上，并且随后通过任何多个工序将树脂注入纤维中。在一些情形下，在放置构成复合材料的材料之前，工具面可被覆盖上薄片材料，有时称为分离片或脱模薄膜，其紧紧地形成于工具面上。这种片可被视为工具面上的临时覆层。该片的未与工具面相接触的表面、即该片的外表面将有效地成为工具面。这种片可用于保护工具面和/或使得成形复合材料部件更易于取出或脱模。或者，通过将工具面涂覆上脱模剂，就可防止复合材料的构成材料粘附在工具面上。脱模剂可包括各种不同的聚合物，包括PVA和蜡，以及其它材料。脱模薄膜可由不会与任何复合材料的构成材料粘在一起的任何多种聚合物材料构成。许多类型的脱模材料、薄膜、化合物和试剂在相关技术领域中是已知的，并且可用于本发明。

工具面的尺寸可使得构成复合材料(通常为包含树脂的纤维)部件的材料的表面被有效地模制成所需的形状和尺寸。在构成复合材料部件的该材料中所含的树脂可通常通过施加热量而随后固化，以便产生结实的复合材料部件，其具有工具面所赋予形状和尺寸的表面。在烘炉或高压釜中进行这种加热也是比较常见的。使用高压釜也可提供在高温下形成复合材料部件。

除了工具面之外，该工具还包括工具主体和通常的支承结构。工具主体限定了工具面。也就是说，在其上形成复合材料部件的工具面是工具主体的表面。支承结构(如果有的话)连接在工具主体上，并且可用于许多用途，包括但不限于对工具主体和工具面的支撑、定向，以及输送并防止工具主体和工具面受损。

碳泡沫通常强度好，具有敞开的微孔，耐久，稳定，易于加工，并且是不易反应的轻质材料。碳泡沫也可展示非常低的热膨胀系数，其可基本上等于碳纤维复合材料的热膨胀系数。可通过控制碳泡沫在制备过程中所暴露于其中的最大温度或通过选择用于制备碳泡沫的原料，来改进碳泡沫的CTE。

本发明的工具具有包含碳泡沫的工具主体。工具主体可完全地或部分地由碳泡沫组成。单个工具主体的碳泡沫可为一片或多片碳泡沫。如果单个的工具主体由一片以上的碳泡沫构成，那么粘合剂、树脂和类似物可用于将多片碳泡沫粘合起来。如果部分地由碳泡沫组成，则工具主体优选构造成使得工具面的CTE基本上类似于或等于碳泡沫和复合材料的CTE，尤其是碳纤维复合材料和于其上所制备的部件。如果工具主体完全地由碳泡沫组成，则该碳泡沫可具有基本上类似于或等于复合材料的CTE，尤其是碳纤维复合材料和成形于其上的部件。

与现有技术的工具相比，本发明的工具可以是可再用的，可修复的，并且更易于改进。也就是说，由于是可再用的，因此本发明的工具可用来按顺序地生产一个以上的复合材料部件。构成本发明工具的至少一部分工具主体的碳泡沫可采用传统的粘合剂、树脂和类似物来粘合，并且可利用易于得到的手工和/或加工工具来加工而具有紧密的公差。由于具有这些特性，因此工具是可修复的，这是因为在复合材料形成工具中所用碳泡沫的受损分段可利用未受损的碳泡沫来替代。另外，碳泡沫的这些特性使得能够根据需要来替换复合材料形成工具中所用的碳泡沫的分段，以便改变工具面的分段，而无需更换整个工具面。

在本发明中，包含在工具主体中的碳泡沫表面用于限定工具面的至少一部分，或者用于支撑限定了工具面至少一部分的其它材料。或者，包含在工具主体中的碳泡沫表面可用于限定整个工具面或用于支撑限定了整个工具面的其它材料。通过限定工具面，碳泡沫的表面或其它材料就具有足以将所需的构造赋予成形于其上的复合材料部件表面的几何形状或构造。在本说明书中称为工具面材料的这些其它材料的CTE可基本上类似于或等于碳泡沫的CTE和复合材料部件的CTE，尤其是制备于其上的碳复合材料部件。用于生产CFC部件的工具面材料可为碳复合材料。或者，工具面材料可以这样的量或形式来使用，使得所观察到的工具面的CTE基本上类似于或等于碳泡沫和复合材料部件的CTE，尤其是制备于其上的碳复合材料部件。

在本发明的一个实施例中，工具主体的碳泡沫和工具主体的包括任何工具面材料的工具面部分均可具有这样的CTE，其基本上类似于或等于形成于工具面上的所得复合材料部件的CTE。在另一实施例中，工具主体的至少一部分，尤其是工具主体的支撑和或限定了工具面的那部分，以及工具面，可设置成具有较低的CTE。碳泡沫的CTE可通常较低，并且基本上类似于或等于碳纤维复合材料的CTE。因此，使用本发明的工具来制备通常具有受控尺寸的碳纤维复合材料是尤其优选的。应当注意，可以通过选择工具面材料来改变工具面的CTE。还可以构思出，可通过原料选择和/或控制用于生产碳泡沫的工艺条件，来改变工具主体的CTE。这种工艺条件可包括但不限于碳泡沫在泡沫生产过程中所暴露于其中的最大温度。

包含在本发明工具主体中的碳泡沫可制备成各种预定的几何形状，以便提供反映了这些几何形状的工具面。或者，工具面材料可成形为或以其它方式制备成各种预定几何形状，以便提供反映了所需几何形状的工具面。这些几何形状然后结合在用工具形成的复合材料部件表面中。工具面限定了利用工具所形成的至少一个复合材料部件的至少一个表面。可具有设在同一工具主体上的多个不同的工具面。另外，本发明的工具可与其它已知类型的工具一起使用。

在本发明中，工具面可为包含在工具主体中的碳泡沫的表面。通常要求使用分离膜来防止复合材料形成材料粘在碳泡沫上。即使使用了分离膜，碳泡沫的微孔尺寸也可在所得复合材料部件的可能表面图案中反映出。这种图案的这种尺寸可通过在工具主体和所得工具面中使用具有其它微孔尺寸的碳泡沫来修改。可在一个工具主体中使用不同微孔尺寸的碳泡沫。例如，密集的小微孔泡沫可用于限定工具面，而更轻质的大微孔泡沫可用于支撑限定了工具面的更密集的碳泡沫。或者，工具面可包含小微孔和大微孔泡沫的表面。所得复合材料部件的表面图案将反映不同微孔尺寸的碳泡沫的使用。

这种表面图案可通过填充微孔来减少或消除，也就是说，用填料来填充碳泡沫的内部空隙体积。填料可包括但不限于固化树脂、沥青、固化的可模制陶瓷等等。一些填料，包括但不限于固化树脂和沥青，也可被碳化，以便产生碳填料。碳泡沫可利用填料部分地或完全地填充。例如，只有碳泡沫的最接近工具面的体积可被填料填充。或者，碳泡沫的一部分或其整个内部空隙体积可被填充。这种填充可以是完全填充，使得每一微孔被填料完全地装填，或者可以是不完全的，使得每一微孔仅被填料部分地填充。碳泡沫微孔的部分填充将使图案减小。但是，通过最低程度地在工具面表面上完全填充碳泡沫微孔，就可提供更平滑的工具面。另外，更平滑的表面使得可使用脱模剂来取代分离膜，以防止复合材料形成材料粘附在工具面上。利用不透气填料在包围工具面的泡沫的一些体积中完全填充碳泡沫微孔，可能包括填充工具面表面的碳泡沫微孔，这可能要求在工具面的上方来产生真空这样的情形。另外，碳泡沫微孔可用填料来部分地或完全地填充，以便提高泡沫的机械性能，例如强度。

预期具有仅仅用填料来部分地填充的微孔的碳泡沫的CTE将基本上等于在填充微孔之前泡沫所展示的CTE。还预期碳化的填料可具有对碳泡沫的CTE具有极小的影响，并且与微孔的填充程度无关。通过其它材料进行的微孔填充，就可导致泡沫在填充前后显示不同的CTE。所观察到的在微孔填充后的CTE可在碳泡沫与填料的CTE之间。或者，如果微孔填料可充分地压缩，那么所观察到的CTE可如同碳泡沫的CTE一样。如上所述，碳化的填料所具有的CTE值可非常接近于或甚至等于工具面碳泡沫的CTE。在这种情形下，工具面的CTE将为碳泡沫的CTE。

在本发明的另一实施例中，可称为工具面材料的材料可成形、沉积、涂覆、层压、固定或以其它方式放置在工具主体的碳泡沫的表面上，以便提供工具面的至少一部分。可根据工具面材料的性能以及工具面材料施加于其上的表面的预期用途，来使用工具面材料的相对较厚或相对较薄的层。工具面材料可覆盖整个工具面。工具面材料也可覆盖工具主体的并非工具面的表面。通常，所覆盖的非工具面表面会接触到树脂或用于形成复合材料部件的其它材料。碳泡沫可机加工或以其它方式形成轮廓或成形，以便在工具面材料的成形和/或沉积之前，产生具有特定形状的表面。因此，在这种形状上形成或沉积工具面材料，就可产生具有所需构造和尺寸的工具面。或者，在碳泡沫表面上形成和/或沉积工具面材料之后，该材料然后可被机加工或以其它方式形成或形成轮廓，以便提供所需几何形状的工具面。通过在启动任何精密机加工操作之前在工具主体之上或之中结合参考点、分度销等，碳泡沫或工具面材料的机加工就可被更精确地控制至所需的尺寸。

使用工具面材料可提供高尺寸精度的非常平滑的工具面。使用工具面材料也可使得易于取出成形复合材料部件。通常，分离膜或脱模剂可与工具面材料所提供的工具面一起使用。另外，工具面材料的CTE可与所得复合材料部件的CTE和/或与工具主体的用于支撑工具面材料的那部分的CTE相匹配。这种匹配可保证所形成复合材料部件的尺寸、结构精度和精度。另外，这种匹配可允许部件在工具之上或之中的后固化，这与自支撑的固化相反。在某些实施例中，工具主体、工具面、工具面材料和复合材料部件的CTE是基本上类似或相等的。

本文中所用的用语″基本上类似的″CTE可指的是CTE值的大小足够接近，使得所生产的复合材料部件具有所需的临界尺寸，并且不会因为复合材料部件和工具面的不等膨胀和收缩的影响，而被卡在或夹在工具中或从工具中弹出，或者是，所生产的复合材料部件具有大小足够接近的CTE值，使得工具面不会因为复合材料部件和工具面的不等膨胀和收缩而受损。如果工具面材料的CTE不与下层碳泡沫的CTE相匹配，则工具面可展示出在这两种材料的CTE之间的CTE。可以预期，这种情况的发生可提供一种不易通过其它方法来达到的实现工具面CTE的方法。还可以预期，包括工具面材料薄层的工具面可展示出下方碳泡沫的CTE。尤其在利用具有一些弹性的工具面材料的极薄层时，可预期出现这些结果。

可以单独地或相组合地使用许多不同的材料来作为工具面材料。这些材料包括，例如固化的树脂，包括酚醛树脂、聚酰亚胺、BMI、环氧树脂、聚酯胶片、粘合剂薄膜、涂层和类似物，它们单独地或相组合地存在。工具面材料也可为例如复合材料，包括玻璃纤维、碳纤维、碳-碳复合材料，以及其它类似的材料，包括其它纤维和颗粒复合材料。另外，工具面材料可为 、碳化硅、氧化锆陶瓷以及其它金属和陶瓷。这些类型的工具面材料可采用各种技术沉积在碳泡沫上以形成工具面，这些技术包括但不限于电弧喷涂、火焰喷涂和气相沉积。合适的工具面材料可以是基本上不透气的。具有较低CTE的金属、陶瓷和碳复合材料是尤其适用的工具面材料，尤其是用于那些用来生产CFC的工具。

可在碳泡沫工具主体中产生真空，以便有助于放入树脂和/或树脂基工具面复合材料。另外，在置于工具主体上之后，任何工具面材料所展示的任何非所需的表面孔隙可通过用树脂薄层涂覆工具面材料来填充。可通过在碳泡沫工具主体中产生真空，来帮助将这种薄树脂层渗入任何工具面材料的表面孔隙中。

工具面也可形成为使得它可为通过工具所形成的复合材料部件的表面赋予一定的纹理构造。工具面可被刻上一定尺寸的负图案，使得该图案的正图像将被传递至成形复合材料部件的表面上。这种图案可包括多个不同的纹理、交叉影线、刻线等的任意组合，以用于形成复合材料部件的外部形状和/或纹理。另外，工具面表面可以不是单一的。例如，工具面的一个部分具有第一纹理，而工具面的其它部分具有不同的纹理。

工具主体的几何形状可为芯棒状形状。在这种情况下，工具面将为该芯棒状形状的外表面。树脂浸渍的纸、织物、纤维和类似物然后可通过人工或自动化的手段放置在芯棒表面(即工具面)之上，以形成具有表面(通常为内表面)的复合材料部件，该内表面的尺寸与外芯棒表面的尺寸镜像地对称。

另外，工具面也可为阳部件和/或阴部件的形式，其在相对的工具面上具有相反形状的空穴和/或凸起。在本发明中，其中一个相对的工具面的至少一部分通过包含在工具主体中的碳泡沫来限定，或通过至少部分地由工具主体的碳泡沫所支撑的工具面材料表面来限定。这种相对工具面之间的空隙体积可用复合材料形成材料来填充。在这些材料固化之后，所得复合材料部件的形状将复制该阳工具面和阴工具面之间的空隙体积的形状。也可以设有单个工具主体，其具有至少一个用于提供工具面的表面或一个用作工具面的空穴壁面。外盖件可包含在工具主体中。这种外盖件可为柔性的外盖件，其中，该外盖件可包括塑料、弹性体材料，例如硅橡胶片或膜片，或者其它柔性片状材料。外盖件可放置在该表面或空穴之上，以形成封闭的体积。然后可在所得的封闭体积中形成真空。因此，在该封闭的体积外侧的大气压力将导致外盖件变形并接触到复合材料形成材料。这种接触迫使这些材料靠在表面或空穴壁上。在复合材料形成材料固化之后，就可产生具有该表面或工具主体空穴壁形状的复合材料部件。

可适于利用本发明的工具来形成复合材料部件的复合材料形成材料包括在相关技术领域中已知的那些材料。合适的基体材料包括但不限于树脂、预浸渍材料、乙烯酯类、粘合薄膜和涂层。树脂可包括任何热塑性或热固性树脂，并且可被催化。合适基体材料的其它示例是环氧树脂。这种树脂通常由双酚A的低分子量的二缩水甘油醚形成。根据分子量，这种树脂的范围可包括从液态树脂至固态树脂，并且可用胺类、聚酰胺、酐或其它催化剂来固化。合适的固态树脂可利用其它的树脂和不饱和脂肪酸来改性。环氧树脂可能是特别合适的，因为环氧树脂具有与纤维的良好粘合性，并且其热膨胀可以设计，以便在与某些纤维相组合时与碳泡沫基工具的热膨胀相匹配。另外，环氧树脂的较低粘度使得可有效地用于润湿各种增强材料。更具体而言，适用于制造复合材料部件的树脂可包括商业上可得到的树脂的任意组合，例如Dow 330，Gougeon WEST，GougeonXR02-099-29A，ProSet 125，ProSet 135，ProSet 145，和MGS。另外，用于工具面材料的商业上可得到的树脂可包括例如PTM&W HT2C，AirTech Toolmaster2001，JD Lincoln L-956，和Vantico RP 4005。另外，复合材料部件可利用乙烯酯类在本发明的工具中制成。本发明中所用的基体材料也可包含催化剂、硬化剂，以及用于启动基体材料系统的聚合作用或硬化反应的其它固化试剂。出于本说明书的目的，合适的基体材料在本发明中将统称为树脂。

预浸渍材料也适于用作复合材料形成材料，其用于利用本发明的工具来生产复合材料部件。预浸渍材料是预浸渍的材料的缩写，并且包括与在放置于工具面上之前尚未固化的基体材料相组合的那些增强材料。预浸渍材料可包括毡、织物，非织造材料，以及粗纱与树脂的任意组合。典型地，这些材料通常固化至B-阶段，准备用于模制。预浸渍材料的其它示例材料包括混合物，例如JD Lincoln L-526，环氧树脂/碳混合物如JD Lincoln L-956，ACG，AirTechToolmaster，以及环氧树脂/玻璃混合物，例如Bryte等等。另外，用于工具面材料的商业上可得到的预浸渍材料可包括环氧树脂/碳的组合，例如JD Lincoln L-956，ACG，和AirTech Toolmaster。

另外，复合材料部件可采用粘合薄膜在本发明的工具中形成。粘合薄膜是薄的、干燥的、通常为热固性的树脂薄膜，其用作在生产层压品如胶合板时的中间层。在层压工艺中施加的热量和压力可导致薄膜将两层粘合在一起。一些商业上可得到的粘合薄膜包括但不限于JD Lincoln L-313 Epoxy，SIA-MA-562，和SIA-PL-7771 FR。

在本发明的工具中生产的复合材料中所用的增强材料可包括任何相关技术领域中已知的任何增强材料。这些材料可包括但不限于碳(包括石墨)，Kevlar，arimide，玻璃和类似物，其形状例如包括纤维、包括单向纤维和短纤维，织造材料、非织造材料和织物材料。也可使用颗粒增强物。

也可在增强材料定位在工具面上的同时，将增强结构添加至复合材料形成材料上。这种增强结构例如可加强所得复合材料部件和/或形成用于连接复合材料部件的基础，以便形成组件。这些增强结构例如可包括任何特定几何构造的棒、管、片材、丝网、平片、板等形状。这种增强结构的构成材料可包括可评估强度的基本上任何固体材料，其具有与复合材料形成材料和任何相关固化条件的合适相容性。这种材料可包括金属、陶瓷、塑料、木材、玻璃、之前固化的复合材料等等。在实践中，增强结构可浸入工具面上的复合材料形成材料表面中或放置在其上。在复合材料形成材料固化之后，如果需要或有要求，增强结构可通过使用螺钉、夹子、粘合剂等等而更牢固地连接在所得复合材料部件上。具体而言，这种增强材料所具有的CTE可基本上类似于或等于所得复合材料部件的CTE。

各种复合材料形成技术可与本发明的工具一起使用。这些技术对于本领域技术人员而言是众所周知的，并且包括但不限于手工铺叠，自动铺叠，手工喷涂，自动喷涂，树脂传递模塑(RTM)，以及真空辅助的树脂传递模塑(VARTM)。另外，也可使用这些方法的任意组合。

树脂传递模塑是将液态热固性聚合树脂传递至可被约束的体积中的方法，所述可被约束的体积例如为在工具主体或工具主体表面之中或之上的空穴或槽道。增强物、例如短纤维可在分布之前分布在树脂中。或者，纤维增强物可设置在体积中，尤其是工具面所限定的体积。通常，通过将催化的树脂传递或注入到至少部分地由工具面限定的工具体积中，来实施RTM，其中，树脂的示例包括环氧树脂、乙烯酯类、甲基丙烯酸甲酯、酚醛树脂和聚酯的聚合物。树脂填充该体积，并且浸入到之前放置在该体积中的增强材料中。在该工序中需要小心，以防止夹带气泡，因为气泡会弱化所得的复合材料。典型的增强物包括玻璃纤维和碳纤维。

也可使用真空系统，以便有助于将树脂传递至并通过该工具体积。该工艺称为真空辅助的树脂传递模塑。通过适当的提供，真空系统可在许多复合材料形成工艺中使用。应当注意，出于本说明书的目的，真空系统能够将连接在该真空系统上的封闭体积的内部气压降低至远低于环境大气压的压力。也就是说，真空系统将抽空包括封闭体积在内的封闭壳。真空系统通常包括真空泵和相关联的连接管或管子。

另外，在形成复合材料部件的过程中通过使用真空系统从复合材料形成材料抽出空气，这可有助于保证所成形的复合材料部件的尺寸、结构精度和精度。也就是说，这种抽空可减少或甚至消除在所得复合材料部件中形成的气泡。这种气泡的消除可导致强度更好的复合材料部件。通常通过在包含复合材料形成材料的封闭体积中产生至少部分真空，来实施抽空。另外，通常通过设计，如果该封闭体积由至少一个柔性壁或外盖件限定，那么在这种封闭的体积中产生真空，可能会导致复合材料被作用在柔性壁或外盖件上的环境大气压力压在工具面上。

更具体而言，可例如通过封闭和密封可通往该体积的开口、端口和/或边缘，来形成封闭的体积。这可利用真空袋来实现，真空袋例如包括放置在工具上的复合材料铺叠层上方和/或下方的柔性材料片、渗透性织物和脱模薄膜，以及被密封的片边缘，以便形成封闭的体积。真空系统连接在包括渗透性织物、脱模薄膜和复合材料铺叠层的该封闭体积上。所夹带的空气被机械式地迫出复合材料铺叠层，并且通过真空系统排出。复合材料部件然后在受控的温度和压力条件下经过一段时间固化。根据用于形成复合材料部件的材料和/或最终产品的特性，用于形成复合材料部件的材料可在从大致环境温度至大约400°F的温度范围下以及从大约0至大约28毫米汞柱的真空压力范围下固化。这些范围取决于所用树脂的类型。也就是说，可使用任何合适的温度和/或压力。

碳泡沫也可包含的在现有复合材料工具中，以便提供本发明的益处。这种包含可用于进行产品升级，进行修复，或以其它方式提供本发明的任何益处。这种包含在本发明的范围内完全地体现。

本发明的一个实施例与至少部分地由碳泡沫组成的工具主体相关。构成至少一部分工具主体的碳泡沫的表面支撑着工具面材料。工具面材料的表面限定了工具面，在该实施例中，该工具面材料是碳纤维复合材料。碳泡沫制备成或选择成使得碳泡沫的CTE基本上类似于或等于将要通过工具来形成的固化复合材料的CTE。在使用中，工具面被涂覆上脱模剂。然后将碳复合材料形成材料放置在工具面上，以便提供对工具面的基本上一致的覆盖。复合材料形成材料可压在工具面上。复合材料形成材料然后在高温下固化，以便提供碳纤维复合材料，然后从工具中取出碳纤维复合材料。

现在详细地参考其它实施例，其示例在附图中显示。这些实施例的各个方面可根据本发明的讲授内容来组成，以便提供未专门阐述的另外的示例。因此，这些实施例仅仅用于说明本发明，而不应被视为对本发明有限制性。

图1显示了根据本发明的用于制备至少一个复合材料部件的工具和系统的第一示例性实施例。该工具利用芯棒状工具主体来形成复合材料部件。

图1显示了可再用工具的截面图，其包括沿着如图1箭头所示的逆时针方向在所包括的轴110上旋转的芯棒100。该芯棒包括碳泡沫120。碳泡沫的外表面可被涂覆上工具面材料130，如该示例所示。工具面材料可为碳复合材料。或者，碳泡沫微孔、至少是碳泡沫表面上的那些微孔可用填料来填充。芯棒的外表面是工具面140。工具面140优选被涂覆上脱模剂。具有可评估长度的纵向设置的纤维150的束被引导至切向地接触旋转的芯棒100，使得纤维通常在张力作用下被牵拉(即缠绕)在旋转芯棒的圆周。纤维可为任何类型的已知有效的复合材料增强材料。这种纤维可例如包括玻璃或碳。在接触到芯棒之前、之中和/或之后，这种纤维被浸渍上树脂。或者，纵向地设置的纤维预浸渍材料可用作纤维束。预浸渍材料或树脂浸渍的纤维束被牵拉而缠绕在芯棒的圆周上，直到获得所需厚度的预浸渍材料或树脂浸渍的纤维。通常，纤维束与芯棒的切向接触平行于芯棒的旋转轴线而移动，使得纤维预浸渍材料或树脂浸渍的纤维沿着芯棒的长度均匀地定位。一旦获得了所需厚度的预浸渍材料或树脂浸渍的纤维，则不再将纤维提供给芯棒，并且停止芯棒的旋转。芯棒上的预浸渍材料或树脂浸渍的纤维涂层然后固化。对于一些预浸渍材料和树脂而言，优选或要求加热芯棒上的浸渍的纤维涂层，以便执行固化。加热可通过使用高压釜、烘炉、单独的加热元件和/或其它类似的加热装置来实现。该单独的加热元件可位于工具主体外部或者内部(即内置于其中)。一旦固化，树脂浸渍的纤维涂层就构成了复合材料部件。然后可从芯棒中取出复合材料部件。当施加热量以用于固化复合材料，芯棒和复合材料的相对的CTE值就变得比较重要。如果复合材料部件的CTE小于或基本上等于芯棒的CTE，那么复合材料部件就可易于从芯棒中取出。但是，复合材料部件的内部尺寸可大于未加热的芯棒的外径的内部尺寸。如果复合材料部件的CTE大于芯棒的CTE，那么构件部件可被″锁″在芯棒上，这样，没有损坏地与芯棒分离即使不是不可能的，那也是比较困难的。

应当注意，芯棒也可不必如该实施例所示的那样旋转。例如，芯棒可在顺时针方向上旋转。或者，芯棒可固定不动，而预浸渍材料或树脂浸渍的纤维束被引导至缠绕在固定芯棒的圆周上。

图2显示了根据本发明的用于制备至少一个复合材料部件的工具和系统的第二示例性实施例。

图2显示了可再用工具的截面图，其包括至少部分地由碳泡沫组成的工具主体200。包含在工具主体中的碳泡沫的表面已经通过机加工或以其它方式形成轮廓或成形成所需的构造，并且用作工具面210。该工具面延伸沿着碳泡沫表面从210-A延伸至210-B。该工具面表面被覆盖上不可渗透的分离片220。分离片不仅覆盖了工具面，而且覆盖了相邻于工具面的表面，从而防止其它工具表面与复合材料形成材料产生非所需的接触。复合材料形成材料230放置在覆盖工具面的分离片上。这些复合材料形成材料机械式地或人工地定位在分离片的覆盖着工具面的那些区域之上，使得可实现这些材料的基本一致的分布。复合材料形成材料也被贴压在覆盖工具面的分离片上。执行这种贴压，以保证复合材料形成材料顺应于工具面的构形。另外，由于工具面是未填充的碳泡沫，因此，它将代表工具面上的未填充的碳泡沫微孔的一些类型图案赋予给限定了复合材料部件表面的工具面。

然后使复合材料形成材料固化，以便产生具有由工具面所赋予形状的复合材料部件。对于一些复合材料形成材料而言，优选或需要加热复合材料形成材料来进行固化。加热可通过使用高压釜、烘炉、单独的加热元件和/或其它类似加热装置来实现。该单独的加热元件可位于工具主体外部或者内部(即内置于其中)。如上所述，加热将影响所有被加热材料的尺寸变化。这种尺寸变化的幅度取决于各单独材料的CTE。为此，在包含于本说明书中的所有示例中，工具面和所得复合材料部件的CTE是优选类似或基本相同的，例如在所得复合材料部件为CFC的情形下。如果复合材料部件的CTE不类似于或不基本上等于工具面的CTE，则复合材料部件的尺寸可能不会符合所需的临界尺寸。另外，如果该CTE大于工具面的CTE，那么该构件部件可被″锁″在工具面上，这样，在不损坏工具面或复合材料部件的前提下与工具面分离即使不是不可能的，那也是比较困难的。

该示例可以多种方式来修改。例如，工具面可为由碳泡沫支撑的工具面材料的表面。或者，碳泡沫工具面的微孔可被完全地填充上填料。对于这两种修改而言，都可用脱模剂来取代分离片。其它的修改对于相关领域的技术人员而言是显而易见的。

图3显示了根据本发明的工具的第三示例性实施例。

图3显示了可再用工具的截面图，其包括至少部分地由碳泡沫组成的工具主体300。包含在工具主体中的碳泡沫的表面支撑着基本不透气的工具面材料310。工具面材料的外露表面的一部分通过形成轮廓或以其它方式成形为所需的构造，以便提供工具面320。工具面从320-A延伸至320-B。靠近工具面330的工具主体表面也利用不透气的工具面材料形成。不透气的外盖件340封闭了工具面、靠近工具面的工具主体表面，以及复合材料形成材料350。外盖件可由柔性材料制成，例如塑料或刚性的材料，例如碳泡沫、金属等等。

如果碳泡沫用作外盖件，则至少预期与复合材料形成材料相接触的碳泡沫表面可被覆上工具面材料、微孔填料或分离片。也就是说，使用碳泡沫作为外盖件可以与本发明所描述的将碳泡沫包含在工具主体中几乎相同的方式来实施。如果该外盖件不透气，则要求对该碳泡沫外盖件进行涂覆。另外，用作外盖件的任何刚性材料可形成轮廓、形成或以其它方式成形在预定与复合材料形成材料相接触的表面上，以便在复合材料形成材料的与工具主体的该工具面相反的那一侧上形成工具面。该第二工具面将形成复合材料形成材料的表面形状。该表面将位于所得复合材料部件的与工具主体工具面所形成的表面相反的那一侧上。分离片和脱模剂可施加在任何表面上，尤其是预期与复合材料形成材料相接触的那些表面。

工具主体和外盖件的相交处形成了围绕该相交处整个周边的开口355。该开口可根据要求用各种材料360来密封，以便产生不透气的边界。合适的材料是可提供外盖件与复合材料的接触、同时可提供密封作用的那些材料。例如，开口可用条带、垫片材料、耐候条、密封剂等等来密封。连接端口370定位在工具主体外盖件(如图3所示)或开口上，使得该连接端口可通往工具主体、工具面、外盖件和任何开口密封材料所限定的体积。真空系统380连接在该连接端口上。

如果该开口和连接端口被密封或以其它方式封闭，则工具面上的复合材料形成材料将因此而包含在封闭的体积390中。该封闭的体积可被基本上气密式地密封成为工具主体和外盖件的表面，并且工具主体和外盖件之间的开口被密封或以其它方式设置成不透气。

在使用中，复合材料形成材料定位在工具面上，并且除了连接端口之外，工具主体和外盖件之间的开口被密封。真空系统工作，将空气从该封闭体积和包含在该封闭体积内的复合材料形成材料中抽出。真空系统的操作也导致外盖件因局部大气压的作用而被推向复合材料形成材料的外边界。因此，外盖件将这些材料压在工具面上。另外，如果外盖件由刚性材料制成，则外盖件的形状将影响相邻于外盖件内表面的复合材料部件表面的形状。也就是说，该刚性的外盖件可用作第二工具面。

复合材料形成材料然后固化，以便产生具有由工具面所赋予的形状的复合材料部件。对于一些复合材料形成材料而言，优选或需要加热复合材料形成材料来进行固化。工具和外盖件组件可放入高压釜中，以便对外盖件施加另外的压力和/或加热复合材料形成材料，以便进行固化。其它装置如烘炉和/或单独的加热元件可用于对包含在该封闭的体积中的材料施加热量，以便固化其中所包含的复合材料形成材料，从而产生复合材料部件。如果有需要，单独的加热元件可被内置于工具主体中。根据用于形成复合材料的树脂的性能，例如，室温或环境温度就可能足以固化用于形成复合材料部件的材料。

如上所述，加热将影响所有被加热材料的尺寸变化。这种尺寸变化的幅度取决于各单独材料的CTE。优选的是，工具面和所得复合材料部件的CTE是优选类似或基本相同的，例如在所得复合材料部件为CFC的情形下。

图4显示了根据本发明的系统的第四示例性实施例。

图4显示了可再用工具的截面图，其包括至少部分地由碳泡沫组成的工具主体400。包含在工具主体中的碳泡沫的表面支撑着不通透的工具面材料405。工具面材料的外露表面的一部分形成轮廓或以其它方式成形成所需的构造，以便提供工具面410。工具面从410-A延伸至410-B。靠近工具面415的工具主体表面也由不通透的工具面材料。外盖件420封闭了工具面，接近工具面的工具主体表面，以及复合材料增强材料425。复合材料增强材料可为纤维。外盖件可由柔性材料如塑料制成，或者由刚性的材料制成，例如碳泡沫、金属等等。

如果碳泡沫用作外盖件，则预期与复合材料形成材料相接触的碳泡沫表面可被覆上工具面材料、微孔填料或分离片。也就是说，使用碳泡沫作为外盖件可以与本发明所述的将碳泡沫包含在工具主体中几乎相同的方式来实施。如果该外盖件不透气，则要求涂覆该碳泡沫外盖件。另外，用作外盖件的任何刚性材料可形成轮廓、形成或以其它方式成形在预期与复合材料形成材料相接触的表面上，以便在复合材料形成材料的与工具主体的该工具面相反的那一侧上形成工具面。该第二工具面将形成复合材料形成材料的表面形状。该表面将位于所得复合材料部件的与工具主体工具面所成形表面相反的那一侧上。分离片和脱模剂可施加在任何表面上，尤其是预期与复合材料形成材料相接触的那些表面。

工具主体和外盖件的相交处形成了围绕该相交处整个周边的开口430。该开口可根据要求用各种材料435来密封，以便产生不透气的边界。合适的材料是可提供外盖件与复合材料的接触、同时可提供密封作用的那些材料。例如，开口可用条带、垫片材料、耐候条、密封剂等等来密封。第一连接端口440定位在外盖件(如该示例所示)或开口430上，使得该连接端口可通往工具主体、工具面、外盖件和任何开口密封材料所限定的体积。可使用多个第一连接端口。真空系统445连接在第一连接端口上。第二连接端口450定位在外盖件上(如该示例所示)或开口430上，使得该连接端口可通往工具主体、工具面、外盖件和任何开口密封材料所限定的体积。连通于大气的树脂储器455连接在第二连接端口上。

如果该开口和连接端口被密封或以其它方式封闭，则工具面上的复合材料形成材料将因此而包含在封闭的体积460中。该封闭的体积可被基本上气密式地密封成为工具主体的表面和外盖件，并且该工具主体和外盖件之间的开口被密封或以其它方式设置成不透气。

在使用中，复合材料形成材料定位在工具面上，并且该工具主体和外盖件之间的开口被密封，除了连接端口之外。真空系统工作，将空气从该封闭的体积和包含在封闭体积中的复合材料形成材料中抽出。真空系统的操作也导致外盖件因局部大气压的作用而被推向复合材料形成材料的外边界。因此，外盖件就将这些材料压在工具面上。另外，如果外盖件由刚性材料制成，则外盖件的形状将影响相邻于外盖件内表面的复合材料部件表面的形状。

真空系统的操作也导致树脂储器中的树脂从储器传输至封闭的体积。泵可选择性地用于帮助传输树脂。该封闭的体积中的树脂然后浸渍复合材料增强材料，从而导致生产出复合材料形成材料。一旦足够量的用于形成所需复合材料成分的树脂连同增强材料已经传输至封闭的体积，就闭合上第二连接端口。

一旦完成用树脂浸渍增强材料，然后就使复合材料形成材料固化，以便产生具有由工具面所赋予的形状的复合材料部件。对于一些复合材料形成材料而言，优选或需要加热复合材料形成材料来进行固化。工具和外盖件组件可放入高压釜中，以便对外盖件施加另外的压力和/或加热复合材料形成材料，以便进行固化。树脂的传输也可在高压釜中实施。其它装置如烘炉和/或单独的加热元件可用于对包含在该封闭的体积中的材料施加热量，以便固化其中所包含的复合材料形成材料，从而产生复合材料部件。如果有需要，单独的加热元件可被内置于工具主体中。根据用于形成复合材料的树脂的性能，例如，室温或环境温度就可能足以固化用于形成复合材料部件的材料。

如上所述，加热将影响所有被加热材料的尺寸变化。这种尺寸变化的幅度取决于各单独材料的CTE。具体而言，工具面和所得复合材料部件的CTE是基本类似或基本相同的，例如在所得复合材料部件和工具面材料为CFC的情形下。

该说明性示例中所论述的工具可由相关领域的技术人员分类成VARTM(真空辅助的树脂传递模塑)的示例。对该示例讲述内容的稍微修改将形成代表RTM(树脂传递模塑)的示例。这些修改是去掉真空系统以及使所述封闭体积通气。该封闭体积的通气可通过使用敞开的连接端口或通过不密封外盖件和工具主体之间的开口来进行。

在RTM工艺中，复合材料增强材料定位在工具面上。

树脂储器中的树脂然后一般通过泵的作用而从储器传输至该通气的封闭体积。该封闭体积中的树脂然后浸渍到复合材料增强材料中，从而导致生产出复合材料形成材料。一旦足够的树脂已经传输至封闭的体积和/或增强材料，则封闭上第二连接端口。

图5显示了根据本发明的系统的第五示例性实施例。

图5显示了可再用工具的截面图，其包括至少部分地由碳泡沫组成的工具主体500。该工具主体分成两个分段，顶部分段500-A和底部分段500-B。尽管在该示例中未示出，但是，也可在单个工具主体中使用两个以上的分段。这些分段的表面在公共面上彼此紧密接触，该公共面将被称为分型面505。每一个分段的分型面的一部分被进行机加工、形成轮廓、模制或以其它方式成形，以便提供所需尺寸的工具面510。每一个分段的工具面定位在分型面上，使得体积515被限定成具有计划在该工具中生产的复合材料部件的形状和尺寸。另外，该工具面定位在分型面上，使得每一个分段的分型面围绕工具面的周边相互接触。分型面的接触区域可根据需要或要求而采用各种材料来密封，包括条带、垫片材料、耐候条、密封剂和类似物。在该示例中，工具顶部分段的工具面从520-A延伸至520-B。工具底部分段的工具面从520-C延伸至520-D。

对于每一个分段，包含在工具主体中的碳泡沫表面支撑着工具面材料525。该工具面材料形成了工具面的表面，并且优选形成了每一个分段的分型面。该工具面材料优选是碳纤维复合材料。或者，工具主体的顶部分段和底部分段的碳泡沫表面可用作工具面和/或分型面。该碳泡沫的微孔可被部分地或完全地填充。分离片和脱模化合物可根据需要或在适当时使用。这些方法可单独地或组合在一起使用。

采用轴将工具面所限定的体积与工具主体的外部相连。通气轴530将该体积的最上段与大气连通。这种类型的轴最方便地形成于顶部的工具主体中。另一轴535连接在包含树脂的储器540上。这种类型的轴连接在该体积的最下段。

在使用中，复合材料增强材料定位在工具面所限定的体积中。树脂然后通常通过泵的作用而从相连的储器被引入该体积中。树脂填充了该体积并渗入增强材料中。当树脂进入将该体积与大气连通的轴时，停止引入树脂。

复合材料形成材料然后固化，以便产生具有由工具面所赋予的形状的复合材料部件。对于一些复合材料形成材料而言，优选或需要加热复合材料形成材料来进行固化。加热可通过使用高压釜、烘炉、单独的加热元件和/或其它类似加热装置来实现。该单独的加热元件可位于工具主体外部或者内部(即内置于其中)。如上所述，加热将影响所有被加热材料的尺寸变化。这种尺寸变化的幅度取决于各单独材料的CTE。具体而言，工具面和所得复合材料部件的CTE是类似的或基本相同的，例如在所得复合材料部件和工具面材料为CFC的情形下。

该说明性示例中所论述的工具可由相关领域的技术人员分类成RTM(树脂传递模塑)的示例。对该示例讲述内容的稍微修改将形成表示VARTM(真空辅助的树脂传递模塑)的示例。这些修改是将通气轴连在真空系统上而非与大气连通。还可能必须更彻底地密封工具面、分型面和/或接触分型面的区域，而使其不透气。

图6显示了根据本发明的系统的第六示例性实施例。

图6显示了可再用工具的截面图，包括至少部分地由碳泡沫组成的工具主体600。包含在工具主体中的碳泡沫的表面形成轮廓或以其它方式成形为所需的构造，以便提供工具面605。在图6中，该工具面从605-A延伸至605-B。包含在该工具面中的碳泡沫的微孔可被部分地填充，使得该工具面保持可透气。或者，碳泡沫支撑可透气的工具面材料。工具面材料的外露表面的分段形成轮廓或以其它方式成形成所需的构造，以便提供工具面。工具主体的除了工具面和连接区域610以外的外表面区域用不透气的材料615来密封。第一连接端口620装配在该连接区域上。该连接端口连接在真空系统625上。

直接围绕工具面的工具主体的表面630装配了两个框架，顶部框架635和底部框架640。每一框架都保持住不透气的弹性体膜片。顶部框架保持住顶部膜片645。底部框架保持住底部膜片650。框架成形为具有相等的尺寸并层叠起来，使得在膜片之间形成了第一封闭的体积655。另外，层叠起来的框架定位在工具主体的直接围绕工具面的表面上，以便在工具面和底部膜片之间形成第二封闭的体积660。可通过在框架之间以及在底部框架与直接围绕工具面的工具主体表面之间施加密封物665，来密封这些封闭的体积，以防止气体非预期地出入这些体积。密封物可包括各种材料，包括密封条带、垫片材料、耐候条、密封剂等等。第二连接端口670位于这些框架之间，或者位于顶部膜片中，使得它可在第二真空源675与第一封闭的体积之间提供连通。

在使用中，复合材料形成材料680定位在第一封闭的体积中。真空系统的操作将空气从第一封闭的体积和第二封闭的体积中排出。应当注意，从第二封闭的体积中排出的空气通过工具主体而被抽吸至第一连接端口。并从这里被抽向真空系统。

在第一封闭的体积中产生的真空将空气从复合材料形成材料中抽出。在第二封闭的体积中产生的真空导致弹性体膜片挠曲，从而通过环境大气压在顶部膜片上的作用，而将复合材料形成材料推压并紧贴在工具面上。

复合材料形成材料然后固化，以便产生具有由工具面所赋予的形状的复合材料部件。对于一些复合材料形成材料而言，优选或需要加热复合材料形成材料来进行固化。工具可放入高压釜中，以便对复合材料形成材料施加另外的压力和/或对其进行加热，以便进行固化。其它装置如烘炉和/或单独的加热元件可用于对包含在该封闭体积中的材料施加热量，以便固化其中所包含的复合材料形成材料，从而产生复合材料部件。如果有需要，单独的加热元件可被内置于工具主体中。根据用于形成复合材料的树脂的性能，例如，室温或环境温度就可能足以固化用于形成复合材料部件的材料。

如上所述，加热将影响所有被加热的材料的尺寸变化。这种尺寸变化的幅度取决于各单独材料的CTE。具体而言，工具面和所得复合材料部件的CTE是类似或基本相同的，例如在所得复合材料部件和工具面材料为CFC的情形下。

图7显示了根据本发明的系统的第七示例性实施例。

图7显示了至少部分地由碳泡沫组成的可再用工具主体的第一半体的三维图。工具主体700的这部分包括具有分型面705的碳泡沫，该分型面705被机加工、成形、模制或以其它方式形成了形状710。在该图中，该形状是半球形。在碳泡沫的分型面中，还以机加工、成形、模制或以其它方式的方式形成槽道715。该槽道从该工具主体部分的分型面横过该分型面的外边。

可再用工具主体的第二半体(未示出)具有分型面。该第二半体也可具有槽道以及通过机加工、成形、模制或以其它方式形成为分型面的形状。第二半体的该槽道和形状可与第一半体的槽道和形状镜像对称。第二半体的分型面可构造成使得它是第一半体分型面的空间镜像。因此，当第一半体和第二半体的分型面接合在一起时，可获得紧密的配合。具体而言，第二半体可构造成使得槽道(如果有的话)横过该分型面，而到达与第一半体的槽道相接触的那条边基本上成镜像对称的边。

由所述槽道和所述形状赋予工具主体半体的形状构成了工具面。这些工具面可具有任何形状，从而提供了可从平行于分型面的平面划向工具面每一部分的线。该工具面的表面可为碳泡沫或填充的碳泡沫。或者，工具面材料可被层叠在碳泡沫上，以便提供工具面。这些工具面材料可为相关领域技术人员已知的那些材料，包括碳纤维复合材料。

在使用中，这两个工具主体半体在分型面结合在一起。分度销或参考点可用于保证这两个半体的正确对准。各种方法可用于保持分型面相接触。这些方法包括但不限于夹紧、螺栓固定和捆紧。然后，复合材料形成材料、例如包含颗粒或短纤维增强物的树脂可被注入槽道中。复合材料形成材料通过槽道而被传输至工具面形状所限定的体积。或者，工具面形状所限定的体积可包含复合材料增强物材料，例如纤维。注入该槽道中的树脂将浸渍该复合材料增强物材料，以便生产出复合材料形成材料。如果有需要，工具主体可转动和/或旋转，使得复合材料形成材料均匀地涂覆在工具面上。

也可以在这两个半体于分型面处相结合之前，在工具主体半体中用复合材料增强材料来填充该工具面形状。一旦半体结合，树脂就可被注入该槽道中。树脂然后通过重力作用而传送至该工具面形状所限定的体积中。或者，树脂可被泵送至工具面形状所限定的体积中。在该体积中，树脂浸渍增强材料就形成了复合材料形成材料。

复合材料形成材料然后固化，以便产生具有由工具面所赋予的形状的复合材料部件。对于一些复合材料形成材料而言，优选或需要加热复合材料形成材料来进行固化。工具可放入高压釜中，以便对复合材料形成材料施加另外的压力和/或加热该复合材料形成材料，以便进行固化。其它装置如烘炉和/或单独的加热元件可用于对包含在该封闭的体积中的材料施加热量，以便固化其中所包含的复合材料形成材料，从而产生复合材料部件。如果有需要，单独的加热元件可被内置于工具主体中。根据用于形成复合材料的树脂的性能，例如，室温或环境温度就可能足以固化用于形成复合材料部件的材料。

图8A、8B和8C显示了根据本发明的系统的第八示例性实施例。

图8A、8B和8C显示了根据本发明的复合材料工具的可再用工具主体的制备。参见图8A，显示了碳泡沫块800。碳泡沫块将包括工具主体的至少一部分。碳泡沫块可形成任何所需的几何形状。另外，该碳泡沫块可由两个或多个单独的碳泡沫块构成。在该说明性示例中，三个碳泡沫块802、804和806利用粘合剂材料等等而结合在一起，以便形成工具主体的碳泡沫块800。用于粘合单个的碳泡沫块的粘合剂材料可为例如粘合剂薄膜、树脂等等。更具体而言，可使用商业上可得到的粘合剂材料。例如，可使用Graphi Bond551，Expando和/或耐火胶粘材料。具体而言，各种不同的碳泡沫块802、804和806制作成具有基本上类似或相同的CTE。或者，单个碳泡沫块可用于形成工具主体800。

碳泡沫块800的表面然后成形为所需的几何形状810。例如，碳泡沫块800的表面812被机加工成预定的几何形状。通常，碳块的成形表面的尺寸被调节，以用于工具面材料的尺寸，在该示例中，该工具面材料为形成的层压制件，其最终限定了工具面。也就是说，该成形的形状可构造成比没有使用工具面材料时要略大一些的外形。

参见图8B，在成形之后，树脂和增强材料的层压制件814设置在碳泡沫块800的成形表面812上。层压制件将构成工具面材料。用于形成层压制件的材料通常设置成使得所形成的固化的层压制件和碳泡沫块800的CTE是基本上类似或相同的。一旦层压制件完全固化，则层压制件814的与碳泡沫块相对的那一面将用作工具主体的工具面。因此，就形成层压制件814，以便提供具有所需工具面尺寸的表面。在本发明的该实施例中，层压制件814是碳纤维复合材料。在本发明的其它实施例中，任何如上所述的工具面材料都可取代层压制件。

层压制件814被连接在真空系统(未示出)上的外盖件816所覆盖，使得在体积815中，在外盖件和层压制件814之间的压力可降低。可能必须将外盖件816密封在层压制件814和/或工具主体800上。通过这种方式，层压制件就通过作用于该外盖件上的局部环境大气压力而被压贴在碳泡沫块800的成形表面812上。外盖件816可以是硅膜片、弹性体袋等等。层压制件然后固化。

参见图8C，将固化的层压制件814暂时从碳泡沫块800上取下。将胶合浆816涂覆在碳泡沫块800的表面上，以便粘合碳泡沫块800和层压制件814之间的界面。将固化的层压制件814重新放置在碳泡沫块上。一旦完成粘合，就根据需要对层压制件814的外表面818选择性地机加工和/或抛光，而形成预定的几何形状和尺寸。碳泡沫块800和固化的层压制件814组装件现在就构成了工具主体，其工具面是层压制件的外表面。

如上所述，工具面材料可取代本发明工具中的层压制件814。例如，电弧喷涂的金属可涂覆在碳泡沫块800的表面上，以便用作工具面材料，并因此提供工具面。这种工具面材料可随后被机加工或通过传统的金属加工技术而精密地形成为所需的几何形状。另外，树脂或其它工具面材料可施加在碳泡沫块800上以取代层压制件。在这种构造中，树脂施加在碳泡沫块800的表面812上，并可固化。接下来，树脂被铣削或以其它方式成形成所需的几何形状，以便获得准备用于生产复合材料部件的工具面。

如果有需要，划线、交叉影线、图案等可包含在通过任何上述方法所提供的工具面中。这些图案等将最终包含在利用工具主体所形成的工具部件中。

本领域技术人员显然清楚，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种修改和变化。因此，本发明旨在覆盖包含在所附权利要求及其等同特征范围内的本发明的各种修改和变化。

Claims (19)

1.一种用于制造至少一个复合材料部件的工具，所述工具包括工具主体，其中，所述工具主体的至少一部分是碳泡沫；并且

其中，所述工具主体的表面限定了工具面，其中，所述工具面的一部分至少部分地是构成所述工具主体的所述碳泡沫的表面，并且所述工具面的热膨胀系数等于在所述工具面上所制造出的复合材料部件的热膨胀系数。

2.根据权利要求1所述的工具，其特征在于，所述碳泡沫的至少一部分微孔至少部分地用填料填充。

3.根据权利要求2所述的工具，其特征在于，所述填料是固化树脂、沥青、固化的可模制的陶瓷或碳化的树脂中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的工具，其特征在于，构成所述工具主体的所述碳泡沫的至少一部分至少部分地支撑着工具面材料。

5.根据权利要求4所述的工具，其特征在于，所述工具面材料选自金属和陶瓷。

6.根据权利要求4所述的工具，其特征在于，所述工具面材料选自固化树脂、纤维复合材料、颗粒复合材料、碳化硅和氧化锆陶瓷。

7.根据权利要求4所述的工具，其特征在于，所述工具面材料为碳纤维复合材料。

8.根据权利要求1所述的工具，其特征在于，所述碳泡沫至少部分地来源于沥青、煤或煤衍生物。

9.根据权利要求1所述的工具，其特征在于，所述工具主体是芯棒形状的。

10.根据权利要求1所述的工具，其特征在于，所述工具还包括外盖件，其至少部分地定位在所述工具面之上并封闭了所述工具面的至少一部分。

11.根据权利要求10所述的工具，其特征在于，所述工具还包括与所述工具面的封闭部分真空连通的树脂储器连接端口，其中，所述树脂储器连接端口适于连接在树脂储器系统上，并且当在所述工具面的所述封闭部分中形成真空时，可提供从所述树脂储器系统至所述工具面的所述封闭部分的树脂输送。

12.一种用于制造至少一个复合材料部件的方法，包括步骤：

提供具有工具面的工具主体，其中，所述工具主体的至少一部分是碳泡沫；

将复合材料形成材料放置在所述工具面上；以及

固化所述复合材料形成材料，从而制造出所述复合材料部件，

其中，所述工具面的至少一部分包括工具面材料的表面，并且，所述工具面材料的至少一部分由所述碳泡沫来支撑，所述工具面的热膨胀系数等于在所述工具面上所制造出的复合材料部件的热膨胀系数。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述复合材料形成材料是树脂与选自颗粒增强材料和纤维增强材料中的至少一种材料的混合物。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括将分离膜放置在所述复合材料形成材料和所述工具面之间的步骤。

15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括在所述工具面与所述复合材料形成材料接触之前利用脱模剂来涂覆所述工具面的至少一部分的步骤。

16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述工具面材料选自金属和陶瓷。

17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述工具面材料选自固化树脂、纤维复合材料、颗粒复合材料、碳化硅和氧化锆陶瓷。

18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述工具面材料为碳纤维复合材料。

19.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述工具还包括定位在所述工具面的至少一部分之上并封闭了至少部分所述工具面的外盖件，其中，所述复合材料形成材料放置在所述工具面的所述封闭部分上，所述方法还包括在所述工具面的所述封闭部分中产生真空的步骤。

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