CN209350704U - 一种复合材料模具 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种复合材料模具，所述复合材料模具包括：一种复合材料模具，其特征在于，所述复合材料模具包括：位于最外层的一层纤维表面毡层；至少三层纤维机织物层，每一层所述纤维机织物层由3至5个纤维机织物亚层组成；至少三层缝编织物层，每一层所述缝编织物层由3至5个缝编织物亚层组成；所述至少三层纤维机织物层与所述至少三层缝编织物层的层数差不超过2层。本实用新型的复合材料模具具有制造工艺难度低、耐温性好、不易发生变形、不易产生裂纹、升温速度快、线膨胀系数低、应用潜力大等优点。

Description

一种复合材料模具

技术领域

本实用新型涉及复合材料领域，尤其涉及复合材料模具。

背景技术

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大尺寸、高精度成型模具的需要。在这种背景下，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。在国内，复合材料模具的使用逐渐增多，并且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，因此复合材料模具已经成为国内复合材料构件的主要成型模具。复合材料模具也逐渐形成产业,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。

复合材料模具具有如下优点：热容小，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；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；可修复性好，复合材料模具一旦损坏，能在较短的时间内、以较低的成本修复好；可低温固化高温使用；复合材料模具加工刀具损耗小。

然而，现有技术制得的复合材料模具还存在如下问题：制造工艺复杂,过程控制要求严格,不同方法甚至不同批次产品质量差异大；表面密封性较差,特别是当存在制造缺陷时易出现真空泄漏问题；表面硬度低,易产生机械损伤、外层易脱落，在起吊、搬运易分层、掉渣、变形等问题；使用寿命相对比较短,有的只有几次左右；制造成本比高；复合材料模具的表面不美观，成本高；铺层材料发生变形导致难以铺层；因材料问题导致的树脂灌注不充分；膨胀系数差异造成的内应力引起尺寸发生偏差、表面产生裂纹、模具受损等。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的一个或者多个问题，本实用新型提供了一种复合材料模具，所述复合材料模具包括：位于最外层的一层纤维表面毡层；至少三层纤维机织物层，每一层所述纤维机织物层由3至5 个纤维机织物亚层组成；至少三层缝编织物层，每一层所述缝编织物层由3至5个缝编织物亚层组成；所述至少三层纤维机织物层与所述至少三层缝编织物层的层数差不超过2层。

本实用新型的有益效果包括：

(1)本实用新型的复合材料模具的制造工艺难度降低，尤其是在大尺寸、大厚度的情况下。

(2)具有良好的耐温性：传统复合材料模具使用温度一般在80℃以下，本实用新型的复合材料模具长期使用温度可以达到140℃左右。

(3)克服了表面裂纹和形变等问题：市场上的复合材料模具大多靠表面补胶处理、刷胶衣等手段克服表面裂纹、形变等问题，但此手段指标不治本，会降低复合材料模具的使用寿命，需要定期维护以降低模具损伤对产品的影响。不仅如此，补胶处理、刷胶衣还会造成环境污染、增加工作强度。本实用新型采用铺层优化及引进纤维表面毡层方案，两者共同作用解决了耐高温复合材料模具表面裂纹、变形等问题。

(4)复合材料模具的升温速率快，大型金属模具升温速率一般在 15℃/min，而本实用新型模具热容量小，升温速度快，可高达45℃/min，能提高了生产效率。

(5)复合材料模具各层可以为复合材料制件常用材质，能与最终产品制件设计成完全一样的材质，线膨胀系数差可以为零，真正意义上实现零膨胀。

(6)具有大的市场潜力：随着例如轨道交通领域的发展，车体复合材料化的趋势日益明显，对车体复合材料化的需要会推动碳纤维复合材料模具的发展。据评估，一种结构形式的车厢会带来200万左右的市场效益。另外，新能源电动车是国家支持的产业，新能源电动车大型制件用模具将会采用复合材料替代传统金属材料；还有，航空航天领域制件采用复合材料的占比日益增加，由于复材可设计、易加工、适合整体成型等优势，制件产品尺寸也在不停地突破上限，而与之产生的金属模具成本不断增加，且具有加工难度大，周期长，可选择的厂家少，重量大不易转移等缺点，限制了自身的应用。在未来的发展中，可以逐步采用质量满足使用要求，成本低、加工难度小、生产周期短、重量轻的复合材料模具替代传统金属模具。

附图说明

图1为本实用新型的复合材料模具的一个实施方式的示意图，其中纤维机织物层与缝编织物层的总层数为偶数层具体为6层并且交叉布置。

图2为本实用新型的复合材料模具的一个实施方式的示意图，其中纤维机织物层与缝编织物层总层数为奇数层具体为7层并且交叉布置。

图3为本实用新型的复合材料模具的另一个实施方式的示意图，其中纤维机织物层与缝编织物层的总层数为奇数层具体为6层并且对称布置。

图4为本实用新型的复合材料模具的另一个实施方式的示意图，其中纤维机织物层与缝编织物层的总层数为偶数层具体为7层并且交叉布置。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例对本实用新型的技术方案进行更加清楚、完整地描述。但是，本所提供的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请所公开的内容，本领域普通技术人员在未付出创造性劳动的前提下就可以想到的技术方案，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型在第一方面提供了一种复合材料模具，所述复合材料模具包括：位于最外层的一层纤维表面毡层1；至少三层纤维机织物层 2，每一层所述纤维机织物层2由3至5个(例如3、4或5个)纤维机织物亚层21组成；至少三层缝编织物层3，每一层所述缝编织物层 3由3至5个(例如3、4或5个)缝编织物亚层31组成；所述至少三层纤维机织物层2与所述至少三层缝编织物层3的层数差不超过2层 (参见图1至4)。例如，所述至少三层纤维机织物层2的层数可以比所述至少三层缝编织物层3的层数多1层或者少1层，从而实现下述的交叉布置和对称布置。

在一些实施方式中，所述至少三层纤维机织物层与所述至少三层缝编织物层交叉布置或对称布置。交叉布置和对称布置具有通常理解的含义。例如可以参照图1至图4。其中，图1示出了纤维机织物层2 (各由4层纤维机织物亚层21组成)和缝编织物层3(各由4层缝编织物亚层31组成)的总层数为偶数6的交叉布置情况。图2示出了纤维机织物层2和缝编织物层3的总层数为奇数7的交叉布置情况。图3 示出了纤维机织物层2和缝编织物层3的总层数为偶数6的对称布置情况，纤维机织物层2和缝编织物层3以图中所示虚线为中心对称布置；图4示出了纤维机织物层2和缝编织物层3的总层数为奇数7的对称布置情况，纤维机织物层2和缝编织物层3以图中虚线所在的缝编织物层3(当然，该缝编织物层3也可以替换为一层纤维机织物层2，但是需要相应地调整其他各层以实现对称布置)为中心对称布置。在一些优选的实施方式中，优选将纤维表面毡层1与纤维机织物层2相邻布置。

在一些实施方式中，利用树脂将所述纤维表面毡层、纤维机织物层和缝编织物层复合为一体。

在一些实施方式中，所述纤维机织物层包括平纹布亚层、斜纹布亚层和/或缎纹布亚层；和/或所述缝编织物层包括无纬布亚层、双轴向缝编织物亚层和/或多轴向(三轴向以上，例如四轴向)缝编织物亚层。

在一些实施方式中，所述纤维机织物层包括平纹布亚层；所述纤维机织物层包括斜纹布亚层和缎纹布亚层；或所述纤维机织物层包括平纹布亚层、斜纹布亚层和缎纹布亚层。

在一些实施方式中，所述缝编织物层包括无纬布亚层；所述缝编织物层包括双轴向缝编织物亚层和多轴向缝编织物亚层；或所述缝编织物层包括无纬布亚层、双轴向缝编织物亚层和多轴向缝编织物亚层。

在一些实施方式中，所述纤维机织物层包括平纹布亚层、斜纹布亚层和/或缎纹布亚层；例如，纤维机织物层中的部分层(例如一层或多层)或者所有层可以全部或部分地由平纹布亚层组成；或者，纤维机织物层中的部分层(例如一层或多层)或者所有层可以全部或部分地由斜纹布亚层组成；或者，纤维机织物层中的部分层(例如一层或多层)或者所有层可以全部或部分地由缎纹布亚层组成。

另外，同一纤维机织物层可以由相同纤维机织物亚层组成，例如由平纹布亚层、斜纹布亚层和缎纹布亚层中的一种组成。或者，同一纤维机织物层可以由不同的纤维机织物亚层组成，例如由平纹布亚层、斜纹布亚层和缎纹布亚层中的两种或者三种组成。优选的是，同一纤维机织物层由至少包括斜纹布亚层和缎纹布亚层的纤维机织物亚层组成，例如由斜纹布亚层和缎纹布亚层组成或者由平纹布亚层、斜纹布亚层和缎纹布亚层组成。

在一些实施方式中，所述缝编织物层包括无纬布亚层、双轴向缝编织物亚层和/或多轴向缝编织物亚层。例如，缝编织物层中的部分层 (例如一层或多层)或者所有层可以全部或部分地由无纬布亚层组成；或者，缝编织物层中的部分层(例如一层或多层)或者所有层可以全部或部分地由双轴向缝编织物亚层组成；或者，缝编织物层中的部分层(例如一层或多层)或者所有层可以全部或部分地由多轴向缝编织物亚层组成。当然，缝编织物层中的部分层(例如一层或多层)或者所有层也可以由多种不同的缝编织物亚层组成。

另外，同一缝编织物层可以由相同缝编织物亚层组成，例如可以由无纬布亚层、双轴向缝编织物亚层和多轴向缝编织物亚层中的一种缝编织物亚层组成。或者，同一缝编织物层可以由不同的缝编织物亚层组成，例如由无纬布亚层、双轴向缝编织物亚层和多轴向缝编织物亚层中的两种或三种组成。优选的是，同一缝编织物层有至少包括双轴向缝编织物亚层和多轴向缝编织物的缝编织物亚层组成，例如同一缝编织物层由双轴向缝编织物亚层和多轴向缝编织物亚层，或者由无纬布亚层、双轴向缝编织物亚层和多轴向缝编织物亚层组成。

本实用新型的复合材料模具包括缝编织物层，原因有如下几点：缝编织物层生产周期短、成本低，生产效率高；缝编织物层能将织物层面密度优化到一个新高度，并且提高铺层效率；由于由缝编织物层形成的复合材料模具的力学性能优于主要由纤维机织物层形成的复合材料模具。为了在铺层过程中容易变形或美观目的，将缝编织物层与纤维表面毡层、纤维机织物层(例如斜纹布层或缎纹布层)配合使用。

另外，采用纤维表面毡层作为表面层，其目的是尽量减少或者消除缝编织物层和/或纤维机织物层引起的模具表面纹理。

在一些实施方式中，优选在纤维表面毡层上铺覆相对而言比较容易变形的纤维机织物层例如平纹布层、斜纹布层或缎纹布层，从而解决了缝编织物层相对而言比较不易变形而导致铺层困难的缺点。然后再铺覆缝编织物层例如无纬布层、双轴向缝编织物层和/或多轴向缝编织物层，例如再依次铺覆双轴向缝编织物层和多轴向(三轴向以上，例如四轴向)缝编织物层，如此铺层可以提高铺层效率及铺层质量。

在一些实施方式中，可以根据需要，例如为了成型后复合材料模具具有刚性的需要，在部分或者全部所述缝编织物层上设置一条或者多条泡沫加强筋(未示出)，并且在所述泡沫加强筋上靠近纤维机织物层一侧设置表面纤维布层(未示出)。所述泡沫加强筋的尺寸例如可以为：宽50mm、厚30mm、长度与预制体长度相等。加强筋所用材料可以根据具体需要选用例如PS泡沫加强筋和/或PMI泡沫加强筋。所述表面纤维布层的厚度可以例如1至3mm。

本实用新型对形成所述纤维表面毡层、纤维机织物层、缝编织物层的纤维和表面纤维布层的材料没有特别限制。例如，所述纤维表面毡层、纤维机织物层、缝编织物层的纤维和表面纤维布层可以采用选自由玻璃纤维、石英纤维、碳纤维组成的组的一种或者多种已知纤维材料形成。

在一些优选的实施方式中，纤维表面毡层可以采用密度较低的纤维表面毡层，例如密度为100g/m²以下的纤维表面毡层，例如60g/m²以下的纤维表面毡层，例如为20g/m²至60g/m²的纤维表面毡层。采用具有这样的面密度的纤维表面毡层可以使得成型的复合材料模具的表面更加轻质，更加密实并且更加美观。

在一些实施方式中，所述复合材料模具的厚度5mm至10mm。

双轴向缝编织物层较容易变形，而多轴向价格较为便宜，铺层效率较高。于是，在一些实施方式中，所述缝编织物层包括双轴向缝编织物亚层和多轴向缝编织物亚层，并且所有双轴向缝编织物亚层的总厚度为1mm至2mm，所有多轴向缝编织物亚层的总厚度为6mm至8 mm。

本实用新型对复合材料模具的尺寸没有特别的限制，例如其长度可以为5000mm至7000mm，例如6000mm；宽度为2000mm至3000mm，例如为2500mm；厚度可以为5mm至15mm，例如10mm。

可以使用已知的制造技术制造本实用新型的复合材料模具。例如，先对各层进行铺层得到铺层预制体，然后通过真空灌注方式将已知的复合用树脂例如环氧树脂、苯并噁嗪和双马来酰亚胺树脂导入到由纤维表面毡层、纤维机织物层和缝编织物层铺设形成的铺层预制体中并固化、后处理、脱模，得到所述复合材料模具。铺层可以通过如下步骤进行：(1)在母模上铺覆纤维表面毡层；(2)在纤维表面毡层上铺覆纤维机织物层；(3)然后在所述纤维机织物层上铺覆缝编织物层；(4) 重复步骤(2)和/或(3)，直到达到预定厚度和/或层数并实现纤维表面毡层和覆缝编织物层的交叉布置或对称布置。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种复合材料模具，其特征在于，所述复合材料模具包括：

位于最外层的一层纤维表面毡层；

至少三层纤维机织物层，每一层所述纤维机织物层由3至5个纤维机织物亚层组成；

至少三层缝编织物层，每一层所述缝编织物层由3至5个缝编织物亚层组成；

所述至少三层纤维机织物层与所述至少三层缝编织物层的层数差不超过2层；

所述至少三层纤维机织物层与所述至少三层缝编织物层交叉布置或对称布置。

2.根据权利要求1所述的复合材料模具，其特征在于，利用树脂将所述纤维表面毡层、纤维机织物层和缝编织物层复合为一体。

3.根据权利要求1所述的复合材料模具，其特征在于：

所述纤维机织物层包括平纹布亚层、斜纹布亚层和/或缎纹布亚层；和/或

所述缝编织物层包括无纬布亚层、双轴向缝编织物亚层和/或多轴向缝编织物亚层。

4.根据权利要求3所述的复合材料模具，其特征在于：

所述纤维机织物层包括平纹布亚层；

所述纤维机织物层包括斜纹布亚层和缎纹布亚层；或

所述纤维机织物层包括平纹布亚层、斜纹布亚层和缎纹布亚层。

5.根据权利要求3所述的复合材料模具，其特征在于：

所述缝编织物层包括无纬布亚层。

6.根据权利要求3所述的复合材料模具，其特征在于：

所述缝编织物层包括双轴向缝编织物亚层和多轴向缝编织物亚层。

7.根据权利要求3所述的复合材料模具，其特征在于：

所述缝编织物层包括无纬布亚层、双轴向缝编织物亚层和多轴向缝编织物亚层。

8.根据权利要求1所述的复合材料模具，其特征在于，所述缝编织物层上设置一条或者多条泡沫加强筋，并且在所述泡沫加强筋上靠近纤维机织物层一侧设置表面纤维布层。

9.根据权利要求1所述的复合材料模具，其特征在于：

所述复合材料模具的厚度5mm至10mm。

10.根据权利要求1所述的复合材料模具，其特征在于，所述缝编织物层包括双轴向缝编织物亚层和多轴向缝编织物亚层，并且所有双轴向缝编织物亚层的总厚度为1mm至2mm，所有多轴向缝编织物亚层的总厚度为6mm至8mm。