復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比模量高、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，是一種發(fā)展迅速、前景廣闊的新型工程材料。小型復(fù)合材料構(gòu)件一般采用烘箱等傳統(tǒng)的外部加熱方式進(jìn)行固化。隨著風(fēng)能、航空、水陸運(yùn)輸和其它領(lǐng)域?qū)?fù)合材料部件質(zhì)量和尺寸的要求不斷提高，烘箱已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)難以適應(yīng) 固化這一關(guān)鍵過程。于是，出現(xiàn)了比通過加熱周圍環(huán)境更為直接的對(duì)復(fù)合材料部件加熱的創(chuàng)新性解決方案，即模具加熱。
    本文綜述了國內(nèi)外復(fù)合材料模具加熱方面的探索，介紹了幾種成型工藝常用的加熱體系及國外模具加熱研究的新成果，將計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)應(yīng)用到模具加熱體系中是復(fù)合材料制備的發(fā)展趨勢。
1  模壓工藝用加熱體系
      模壓成型工藝是塑料材料最常見、歷史最悠久的成型方法之一，是研究材料性能最常采用的一種工藝方法。它具有成型裝置、設(shè)備投資小、模具結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)高度發(fā)達(dá)的今天，仍是一種最為普及的生產(chǎn)手段之一。
      加熱段的功率超過這個(gè)限制，加熱管表面負(fù)荷較高，鋼管易氧化腐蝕，造成短路。因此，對(duì)于溫度高于250℃的模具設(shè)計(jì)，不宜采用加熱管。從傳熱角度上理解，加熱管的安裝要與模具表面盡可能貼合，以利于加熱管的熱量盡快傳遞到模具上，而實(shí)際上加熱管與模具并沒有多大接觸面積，傳熱的本質(zhì)是輻射，傳導(dǎo)是次要的。因此大部分用于模具安裝的加熱管表面都涂有增強(qiáng)紅外輻射的涂層，同時(shí)也采用限制設(shè)計(jì)功率(10W/cm)的辦法以增長加熱管的使用壽命。在加工加熱管孔時(shí)，采用填塞、封堵或設(shè)計(jì)擋片等辦法使孔的兩端盡可能與加熱管嚴(yán)密配合，可以有效減小加熱管的散熱面積以及輻射熱量的損失。埋放的加熱管，最好采用與管內(nèi)介質(zhì)相同的氧化鎂粉進(jìn)行充填，以降低加熱管表面的熱負(fù)荷，這種方法可減少管的表面氧化，有效延長管的使用壽命。有條件的話，加熱管的安裝孔也最好灌入氧化鎂粉。
2  樹脂膜熔滲工藝用FRP模具的加熱體系
      樹脂膜熔滲工藝(RFI)以其諸多優(yōu)點(diǎn)在航空、航天領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。國防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院對(duì)利用RFI工藝制備大型列車構(gòu)件進(jìn)行了可行性分析，研發(fā)了RFI用樹脂膜，制備出了整體成型列車車頂?shù)腇RP模具，并在實(shí)際生產(chǎn)中取得了成功。RFI成型工藝是將樹脂膜鋪放在模具工作表面，在其上層鋪放纖維編織布或其他纖維預(yù)制體，然后依照真空袋壓成型工藝將模腔封裝，啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，樹脂膜熔融后，在真空負(fù)壓下，熔融樹脂由下向上被抽吸，從而浸透纖維預(yù)制體，得到復(fù)合材料構(gòu)件。其所用模具可整體制備大型復(fù)合材料構(gòu)件，且具有獨(dú)特的模具內(nèi)加熱系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)。
      電熱布預(yù)埋在距模具型腔表面2~3mm處，以方便熱的傳導(dǎo)。電熱布載體中不銹鋼加熱元件(電熱絲)對(duì)模具加熱，電加熱布伸展性達(dá)35%，模具溫度可以達(dá)到100℃，升溫速度較快。加熱布預(yù)埋操作規(guī)程為：待模具表面層和一定厚度的增強(qiáng)層固化后，適當(dāng)打磨表面，鋪放加熱布，加熱布不能折疊使用，折疊點(diǎn)由電阻過大會(huì)導(dǎo)致“熱點(diǎn)”的產(chǎn)生，應(yīng)覆蓋整個(gè)需加熱的模具面積，但法蘭邊上不必鋪放。加熱布固定后，應(yīng)測試其導(dǎo)電性是否良好。把接線柱埋在法蘭邊，手糊固定。
      RFI用FRP模具中，加熱布通過熱傳導(dǎo)把熱量傳遞給樹脂膜，使其熔滲。RFI用FRP模具一般采用熱電偶來檢測和控制溫度。熱電偶分布在模具型腔和加熱布附近，隨時(shí)調(diào)節(jié)加熱系統(tǒng)狀態(tài)。這樣既可避免溫度過高，模具材料發(fā)生大面積變形和燒焦等，又可防止溫度過低，型腔表面的樹脂受熱時(shí)間比較長，樹脂膜熔融熔滲困難。
3  其他大部件模具加熱體系研究
3.1  模內(nèi)流體介質(zhì)加熱體系
      模內(nèi)加熱(尤其是用蒸汽、熱油或熱氣體)已經(jīng)是一種很好的確定的技術(shù)。用熱油加熱金屬模具能夠產(chǎn)生顯著的加熱速率且已應(yīng)用于風(fēng)能領(lǐng)域，流動(dòng)體系還有一個(gè)好處，就是它們可以反過來用，固化后冷卻部件或控制放熱曲線。
      流體介質(zhì)加熱的不便于需要管道工程管和加熱或冷卻流體介質(zhì)的設(shè)備，這樣會(huì)大大增加成本。在管道工程管中如果出現(xiàn)了泄露，則必須將泄露部分拆毀才不會(huì)對(duì)未固化樹脂造成影響，并且嵌入管道的維修也非常困難。考慮到流體介質(zhì)和支撐結(jié)構(gòu)，于是管道就有了額外的重量。另一阻礙是當(dāng)熱量被模具吸收時(shí)逐漸產(chǎn)生溫度差，導(dǎo)致在出口處流出的流體溫度明顯低于入口溫度，使加熱不均勻。這一問題可通過加速流體的流動(dòng)和降低傳熱量來改善。
3.2  新型電加熱體系
      PPM Solutions公司從2000年即開始關(guān)注大型風(fēng)機(jī)葉片的制造，并對(duì)制造中關(guān)鍵的固化過程進(jìn)行了深入的研究。PPM Solutions認(rèn)為，電加熱能夠克服快速固化中的大多缺點(diǎn)，能夠加熱大的構(gòu)件、耗能更低、對(duì)空間要求最低。現(xiàn)在與現(xiàn)今數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，電加熱已經(jīng)應(yīng)用于大的風(fēng)機(jī)葉片，然而PPM研究組認(rèn)為仍可以將到目前掌握的技術(shù)進(jìn)一步精練。一個(gè)基本的問題是這些必需的耐熱元件是應(yīng)當(dāng)被嵌在模具內(nèi)部(模內(nèi)可以保護(hù)它不受損害)，或者只貼附在模具表面。
      與模內(nèi)加熱相比，模具表面加熱能提供給物體的構(gòu)件更多直接的加熱，并且更容易安裝和維護(hù)。在做過許多實(shí)驗(yàn)后，Cockerell和他的研究組提出一種內(nèi)有加熱絲的加熱元件，這些加熱絲成圈并遍布給定區(qū)域，被放置在鋁箔層間。鋁是天然的散熱片，能分散和傳播熱量，比起單獨(dú)用電熱絲傳播的更均勻。這種平整的加熱材料的厚度低于2mm，并且非常柔軟能夠充分貼合各種不同的模具形狀。它被綁縛在模具背面，并連接有電子控制及電源裝置。這種固定架的或自由站立的控制器以脈沖的形式向元件提供動(dòng)力，使加熱能夠通過調(diào)節(jié)脈沖長度來控制。利用熱電偶或紅外傳感器的反饋信息，加熱可以被控制在幾攝氏度范圍內(nèi)。并且該體系能夠有差別地加熱一個(gè)構(gòu)件的不同部分，加熱可因時(shí)因地而異。利用劃成區(qū)域的元件，能夠提供許多不同的加熱輪廓，一旦固化開媽，預(yù)期有較大放熱曲線的板材的較厚處可以少量加熱。不論何時(shí)何地都能準(zhǔn)確提供熱量，在嚴(yán)密控制下達(dá)到復(fù)雜的熱分布。
3.3  內(nèi)置電加熱體系
      有很多公司都在開發(fā)比烘箱加熱固化更直接的加熱體系，內(nèi)置的電熱體系能很好的安置在樹脂傳遞模塑(RTM)中，Plastech TT公司就不斷發(fā)展和完善這種技術(shù)。
      法國的RocTool公司利用碳在柔軟的電熱層的導(dǎo)電性，將其放置在封閉模具中物體部件的兩邊。利用引加熱方法可充分降低固化周期，熱量能直接進(jìn)入部件而不是進(jìn)入模具。在澆鑄用于公路賽車和其它休閑娛樂產(chǎn)品的低熱質(zhì)量的管狀構(gòu)件的過程中，能在不到半分鐘之內(nèi)達(dá)到高達(dá)200度的溫度。
      英國南安普敦Vosper Thorneycroft(VT)公司的造船專家開發(fā)的是巡航艇Mirabella V上的桅桿。VT子公司Halmatic利用長的聚合管道提供一個(gè)具有微小升溫效應(yīng)的控制環(huán)境，但是由鑲嵌在塑料中的加熱器箔提供主要的熱源，加熱器箔由金屬導(dǎo)體組成。將制造碳纖維復(fù)合材料部件的半管模具合并，使其成為整體桅桿。塑料/箔元件將層壓板來準(zhǔn)確提供適合層壓板中特殊區(qū)域的梯度、控制和冷卻分布。依據(jù)熱電偶提供的反饋信息調(diào)節(jié)加熱，使其滿足和桅桿特殊部分的不同要求。
4  與計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)配合使用
     借助于計(jì)算機(jī)模似系統(tǒng)，準(zhǔn)確控制溫度分布，使模具加熱體系更為高效和完善。
     PPM開發(fā)了一種新的“熱壁”體系，能夠進(jìn)一步對(duì)提供的熱能準(zhǔn)確定位。在計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)中，利用有限元軟件可以將2m2的平板從2~5度之間連續(xù)加熱到120度，對(duì)位于板實(shí)際邊緣內(nèi)部假想的邊界提供熱量，而加熱邊界起到熱壁的作用，阻止了熱能從中心向邊界的擴(kuò)散。
      在固化過程中，用熱電偶或熱顯像照相機(jī)和數(shù)據(jù)記錄器來記錄溫度分布。跟蹤控制器的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的反饋保持必需的條件。帶有微處理器的控制器能根據(jù)區(qū)域和時(shí)間得到預(yù)計(jì)的溫度分布，控制部件能預(yù)先對(duì)步驟、梯度、控制和冷卻溫度分布進(jìn)行編程。