如何减少复材模具在真空和外加压力下的漏气现象

复合材料与金属模具的缺点它们随着使用时间的推移，在加工成型过程中往往会发生泄漏，特别是用于低温固化与高温成型的层压板模具。有时，泄露就会发生在测试首件合格性时，制造商则会拼命尝试封堵泄露以解决问题（暂时），更糟糕的是，这个工件会在短时间内交付给一个毫不知情的客户使用。

可以预先做些什么来确保复合材料的成型工具在使用过程中不发生泄漏？要回答这个问题，我们首先需要了解导致其泄漏的因素是什么。以下是需要考虑到的一些要点。

1.模具设计

增加模具周边的大半径凸缘可以最大限度地减少在制造、脱模和使用过程中冲击边缘而损坏的可能性。这种方法增加了层压模板本身的刚度，可以用最小的支撑结构（图1）。在设计模型或图案时，应该一起考虑凸缘和其他模具的特征，以便将这些特征集成于层压模具压板上。

图1.图片中的永久图案和层压模板在零件区域外具有较大半径的凸缘，从而提高了模具压板的刚度并防止边缘冲击。

2.材料选择和加工方法

理想的预浸料和工艺才能获得最佳效果。要在合理控制树脂含量的情况下制造湿法铺层（或灌注）模具并能够提供间歇性压实步骤（减厚）以避免在铺层过程中出现桥接，这是非常困难的。可以这样做，但生产中出现漏气的风险较高。

虽然通常要求节省时间，但随着使用时间的推移，在层压结构中使用散装织物可能会产生不利影响，因为它们通常需要额外的树脂来填充纱线和相邻层之间的交接处。它们也更容易在角落或重叠处发生桥接，树脂将尽力填充开放空间形成的低压区域。过量的树脂也是有问题的，最终会产生微裂纹，在层压模板内形成泄漏路径。建议使用面重为≤500 gsm（碳纤维）或<700 gsm（玻璃纤维）的斜纹和/或线束缎纹（HS）织物，以最大程度地减少问题。注意：HS 织物需要对经纱方向进行更多检测才能获得真正的对称性。

同时，建议进行多次加压以获得最佳效果。第一层应确保压实，以便在铺设后续层之前紧密贴合模型或图案。加压之间的层数取决于模具配置，模具越复杂，需要的加压次数就越多。如果时间（和材料）允许的话，建议在固化前进行最后一次过夜加压/保压，以在固化前去除水分、挥发物并在固化前进行压实。

3.初始固化温度低

具有高反应性和低固化温度的树脂由于在固化过程中有较小的热膨胀系数，可以在模型（或图案）与层压模具压板之间实现良好的尺寸控制。许多预浸料模具系统在约65℃初始固化数小时，根据测量出的实际温度与模具传热系数，这个时间或温度不够促使树脂充分固化。虽然表面看起来已经固化，但内部未完全交联。这类玻璃化树脂在受到冲击或弯曲时极易断裂。增加初始固化温度下的保温时间或者将温度（初始固化后）升高至约80℃，持续数小时，可以在脱模前进一步促进树脂充分固化。此外，建议在使用之前，在预期使用温度以上进行完全后固化。

4.基体树脂的微裂纹

在使用楔子从模型或图案内部移除工件的脱模过程中，最有可能发生基体树脂的破坏。尤其会发生在楔形模具内的层压板外边缘。在脱模过程中，层压板的局部冲击和弯曲所产生的力会在每个楔块位置产生严重的扇形微裂纹。热循环（膨胀和收缩）加剧了这种情况，因为微裂缝网络在层压板内富含树脂的区域继续增长，最终导致真空/压力完整性损失。因此，在楔形线处具有较大半径的凸缘将使结构变硬，并将断裂的可能性降至最低。

5.切割或加工边缘

强烈建议不要使用往复锯或高速磨料切割轮来修整层压板的锋利边缘。往复锯会使板材边缘产生微裂纹，切割轮会使基体树脂过热，使其更容易断裂。建议将边缘尽可能铺成网格形状，然后用手或皮带平行于边缘打磨，而不是切割。然后，用橡胶覆盖边缘进行保护，以保护边缘免受损坏和员工受伤（图2）。

图2. 该模具有一个与层压板模具贴合的橡胶圈，为模具和操作人员提供额外保护。

6.层压工具中的孔、定位销、衬套及贯穿件

随着时间的推移，层压板模具中的孔、定位销、衬套和其他贯穿层压板模具的地方都会发生泄漏。当一次又一次循环使用时，定位销、衬套和金属真空管道/硬件位置上的应力都会在相邻的基体树脂中产生微裂纹，最终会与微裂纹网络（泄漏）连接。最好是利用模具得成型特征，为后续的修整和钻孔操作中使用的模具提供零件的索引（图3）。

图3.模具索引概念，将模制部件定位到夹具或固定装置，用于后续修整和/或钻孔。模具索引也可用于定位和二次接合配合部件。

7.组合式模具

与其将模具分割为不同的部分以适应负压配置，不如考虑用零件模块设计模具，同时添加一个“母”模以保持真空/压力的完整性（图4）。

图4. 该图展示了将多件零件模块放入母模中的想法，以便保持真空/压力完整性。

8.从后见之明到远见卓识

对于减少或消除复合材料模具中的泄漏，还有很多好主意。例如，在20世纪80年代，有团队在层压模具设计中使用氟橡胶夹层，以减少预浸料在高压固化模具中的泄漏。氟橡胶层在消除泄漏方面效果良好，但在模具设计中需要额外考虑减少热膨胀效应。关键是，只要有一点知识和一些远见，模具设计师和制造商就可以提前采取额外的措施来生产高质量、无泄漏的复合模具。在制造复合模具时记住座右铭“做好准备工作而不是返工”。来源：东华经纬新材料研究院

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