除了上述章节中回顾的材料之外，开发新的模具结构是另一个吸引实验室和行业越来越感兴趣的方面，由此可同时提高复合材料制造模具的机械和热性能。在本研究中，这些结构被分为三类，包括（i）单一材料的传统结构，（ii）复合结构和（iii）可重构结构。

3.1单一材料的传统结构

传统模具的整个结构中由相同的材料制成，以消除可能出现的热膨胀系数和其他性能不匹配的情况，特别是航空航天工业中具有高精度要求的复合材料产品。如第2节所述，每种模具的材料都有其优点和缺点，不同的结构被设计出来用于加强其优点和避免其缺点。对于因瓦合金和碳纤维复合材料模具，其常规结构通常由两部分组成：一个具有设计形状的面板，以确保部件的尺寸精度。而对于具有良好的可加工性的材料，如第2.4.2 节中讨论的碳泡沫，直接通过加工制备的单一结构也是模具的一种选择。
然而，由于模具材料的固有缺点，单一材料的传统模具结构有其自身的局限性。通过基板+面板式因瓦合金模具这样的结构设计，可以在一定程度上获得优化的重量，但对于大型和超大型的集成部件，即在航空航天工业中日益受到关注的部件（如机翼和机身），其重量在复合材料制造过程中是一个大问题。尽管碳纤维复合材料可以在很大程度上消除重量问题，但目前的树脂系统无法保证良好的密封性，也就无法满足当前和未来航空航天部件的大规模生产。
3.2复合结构
为了解决单一材料的传统模具结构中存在的问题，如重量大或结构缺陷，人们提出了结合不同材料的优势设计复合结构。长期以来，由碳纤维复合材料表面和铝蜂窝芯组成的夹层结构被报道为复合材料制造模具的复合结构广泛研究。然而，夹层结构的热膨胀系数比复合材料高得多，不能提供航空产品所需的足够的尺寸公差，特别是对于大型/超大型产品，此外，由于碳纤维复合材料表皮通常非常薄，密封性能不能得到很好的保证，具有相似热膨胀系数的模具材料组合，降低相界面带给复合材料结构的缺陷，可以一定程度提高材料的结构完整性。图11列出了具有低热膨胀系数的典型模具材料的优点和局限性，包括碳泡沫、CF/EP（BMI）复合材料和因瓦合金，通过将这些材料组合在复合结构中，有可能在复合材料制造的模具中实现平衡性能。

图11.低热膨胀系数的典型工具材料的优势和局限性，以及不同材料组合时相应的复合优势。
3.2.1碳纤维复合材料
天臣国际医疗科技股份有限公司开发了一种以碳泡沫为基底、碳纤维增强塑料复合材料为面板的复合结构模具系统，其中使用由连续和短切碳纤维增强的高温树脂（包括EP和BMI）作为面板，以缓解多孔碳泡沫的结构缺陷。图12（a）比较了使用和不使用粘结碳纤维复合材料面板的模具表面状况。卢卡斯等人报道了“碳泡沫芯+碳纤维复合材料”复合模具的案例研究，其中研究了该模具在低成本、快速制造性能方面的有效性。据报道，它具有良好的耐久性，但未报告量化数据，理论上，其使用寿命会受到面板材料结构完整性的限制。此外，碳泡沫的开放性孔隙结构使高温树脂相对容易渗透，有助于实现良好的粘合界面，如下图12（b）所示。
CFOAM LLC提出了另一种用于原型模具的低成本复合系统。代替碳纤维复合材料面板的是一种填充材料，如高温树脂，它在高温下耐用且易于加工，直接沉积在碳泡沫基底上。由于开孔结构，填料和碳泡沫材料之间可以获得良好的结合，如图12（c）所示。然而，其使用寿命非常有限，这可能是由于与相应的碳纤维复合材料相比，填充物树脂的机械性能较低，以及填充物和碳泡沫之间的热膨胀系数不匹配导致的。

图12. (a) 带有碳泡沫的单一模具和带有碳泡沫+复合材料制造的模具比较；(b) 谈泡沫与复合材料界面的复合模具SEM显微图；(c) 填充材料与碳泡沫基材之间结合的微观结构。
3.2.2因瓦合金复合材料
随着复合材料结构在航空航天工业中变得越来越大，人们迫切需要新的模具，这种模具可以像因瓦合金那样经受数千次固化循环，但更轻、更便宜。因此，最近提出了将因瓦合金和复合材料相结合的复合模具结构，使其拥有良好耐久性的同时减轻重量。Remmele工程公司开发了一种复合因瓦合金/复合材料复合模具，其特点是因瓦合金面板厚度减小，并具有互锁的CF/BMI复合材料基底，与因瓦合金模具相比，重量减少了50%，成本和使用寿命相当。由于热膨胀系数相似，因瓦合金板和复合材料基底的连接采用榫舌和凹槽粘结的方法，如图13（a）所示。
此外，Ascent航空公司还开发了另一种 "因瓦合金基地+复合材料面板"的复合结构，如图13(b)所示。

图13 使用因瓦合金和复合材料的两组复合模具概念的比较（a）复合材料基底+因瓦合金面板和（b）因瓦合金基底+复合材料面板。
薄的因瓦合金面板用于保证材料结构完整性，而复合材料则用于减轻重量，为加工提供更好的适应性，并使台面的修复成为可能，避免像传统因瓦合金模具那样需要更换整个模具。据称，这种复合结构可以减少50%的重量，缩短20%的制造时间。
图14比较了具有复合材料和单一材料（如因瓦合金和CF/BMI复合材料）的模具的性能。通过将碳泡沫与复合材料相结合，由于碳泡沫具有良好的可加工性，复合材料模具的效率可以提高，但由于复合材料面板的特性，其温度和寿命性能仍然受到限制。

图14不同模具材料结构和性能比较。
对于采用因瓦合金和复合材料制造的模具，可以在使用寿命、可移动性和效率之间取得良好的平衡，使其成为未来在航空航天工业中应用的极具前途的模具结构。
3.3小结
本节系统地介绍和讨论了航空航天工业中复合材料制造模具的材料及结构。单一材料是目前使用最广泛的，结合不同材料优点的复合材料则显示出更好的材料性能，不久将来会成为模具材料的不二选择。

此文由中国复合材料工业协会翻译，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。

4.复合材料制造的模具功能

如何加强甚至扩展制造过程的模具功能，特别是对工艺和质量有高要求的先进复合材料的制造，一直是模具技术研究的热点。本节将相关研究分为两部分介绍：1、侧重于改进模具的传统功能，如其机械和热性能；2、尝试在模具中实现新功能，如复合材料制造过程和产品的在线监控功能。

4.1改进现有功能

4.1.1自加热功能

由于高压釜或烘箱中复合材料生产的长期固化过程所需的高温和/或压力环境是通过加热循环空气或氮气来提供的，因此需要连续加热大量的空气或氮气（甚至达到几千立方米），这是极其昂贵的，也限制了生产效率。该问题的一个较为流行的解决方案是开发具有自热功能的模具，在过去十年中，已经在这一领域进行了许多试验。在金属成形领域开发具有加热和冷却功能的模具有着悠久的历史，其使用内部有热/冷水或油的管道系统来提供自加热功能，这种技术也在复合材料制造中得到了长期的应用。韦伯制造技术公司开发了一种类似的模具，并将其应用于汽车中的复合材料制造，以降低成本，图16（a）展示了一个样品。另一种加热方法为感应加热，具有比传统的热水或油有更高的热效率，也被用来建造自加热模具，用于大批量制造复合材料产品。罗斯蒂公司通过将电磁感应加热系统集成到模具内部，开发了一种自加热模具，其与模具的形状相匹配，如图16（b）所示。据报道，它有能力将加热固化的时间从高压釜中的1小时减少到2分钟，然而，在如此高的加热速率下，温度分布的均匀性可能是一个问题。另一个模具系统通过开发带有电感器的局部加热系统，进一步推动了该技术的发展，实现了组件不同区域的局部加热/冷却控制，实现了对具有不同厚度和形状条件的组件的均匀热控制。图16（c）显示了Surface Generation公司开发的演示模具。这些集成到模具中的额外加热系统将显著提高复合材料制造过程的适应性（自由和快速地控制温度分布）和效率。然而，它们也会同时大大增加模具在结构和制造方面的复杂性，进而可能会带来模具的可靠性问题，特别是对于航空航天工业中的大型和特大型部件的制造。

图16（a）带有冷却管和加热管的自加热模具；（b）（c）感应加热系统整体和局部说明

此外，开发具有直接嵌入加热元件的新模具材料是实现自加热功能的另一种方法，最近引起了大家越来越多的兴趣。图17显示了Doyle等人报道的具有嵌入式加热元件（电阻丝）的典型自加热模具示意图。电阻丝用低热膨胀系数陶瓷胶结物嵌入，并添加高性能热塑性聚合物（聚醚醚酮）的粘合剂层，以连接CF增强物和陶瓷组。热塑性组件的加热能力已有报道，然而，其在热固性复合材料的长期高温和高压条件下固化中的应用还没有报道，纳米技术也被应用于使模具的自加热功能，其中碳纳米管由于其在电、热甚至机械性能方面的改进而被使用。Boyce等人报道了一种自加热模具，该模具由导电模具表面和分散的碳纳米管组成，分布的铝电极埋入并绝缘在纤维玻璃和树脂复合材料的较低层中，通过向电极施加电压，可以产生电流并通过碳纳米管快速加热模具表面。

图17 带有嵌入式加热元件的自加热模具组成示意图

自加热模具为高效、低成本的复合材料制造提供了广阔的前景。然而，目前自热模具的方法和工艺仍然面临一些问题：1、引入自热元件将大大增加工艺的难度，也不利于模具的机械和真空性能，例如。例如，在基体中分散碳纳米管的工艺困难，由于纳米管/基体或电阻丝/复合材料界面的粘合度不足而造成分层；2、模具的热稳定性和可靠性尚未得到验证，例如，产生均匀温度分布的能力尚未得到验证；3、高成本和可能的健康、安全和环境问题是未来发展中要考虑的其他重要因素。

4.1.2 提高强度和使用寿命

除热性能外，强度和寿命性能也是限制复合材料模具应用的关键因素。人们发现，纳米技术是显著提高复合材料强度和机械性能的潜在途径, 近十年来已被用于硬化和延长复合材料模具的寿命。通过将这种纳米结构合金涂覆到碳纤维复合材料制成的模具表面上，可以同时实现轻质、低热膨胀系数和高耐久性。通过热喷涂多孔因瓦合金粘结层，与复合材料模具底座之间实现了良好的粘结，如图18所示。它是一种有前途的技术，可用于制造具有良好重量、热和机械性能的模具，特别是用于航空航天工业。该材料仍在开发中，将进一步调整热膨胀系数以实现与复合材料产品的合理匹配，优化涂层方法以实现复杂结构的均匀厚度表面，降低材料和工艺成本是未来的研究方向。

图18 由因瓦合金和复合材料组成的模具结构示意图

4.2实现附加功能

复合材料的特性使其在设计和实现新功能方面具有高度的灵活性。复合材料产品的在线传感成为一个热门话题，因为它为监测复合材料结构的制造过程和使用寿命性能提供了一种直接的方法，这对航空航天工业中复合材料结构的鉴定和应用非常重要。许多种类的传感器已经得到开发和研究，它们可以被连接或嵌入到复合材料中进行在线监测。该领域已经发表了一些评论，对目前用于复合材料的传感器进行了很好的介绍和总结。

嵌入/附着工艺在复合材料或结构上用于在线监测的侵入性传感器的关键问题是它们可能对结构的性能和健康构成威胁。为了避免这个问题，应在模具中利用这些传感器来监控复合材料的制造过程，并使复合材料结构的制造具备高质量和可靠性成为一个适当的选择。耶Yenilmez等人报道了一种将电介质传一个适当的选择。Yenilmez等人报道了一种将电介质传感器网格连接到模具上的方法，以在树脂传递模塑过程中监测复合材料的填充和树脂固化进度。电子时域反射测量传感线也被整合到模具中，以实现对复合材料制造的流动和固化程度的非侵入性监测，图19(a)中可以看到传感器的附着演示。Dai等人开发了一种基于碳纳米管的织物传感器，该传感器可以安装在模具上，以实现二维流动和固化监测，如图19（b）所示。

图19（a）传感器附着在模具上的示意图；（b）基于碳纳米管的织物传感器安装在模具上的示意图