摘  要：文章綜述了國內外復合材料模具加熱方面的現狀與發展趨勢，介紹了幾種成型工藝所常用的加熱體系及國外模具加熱研究的新成果，將計算機模擬系統應用到模具加熱體系中是復合材料制備的發展趨勢。
    復合材料具有質量輕、比強度和比模量高、熱膨脹系數小等優點，是一種發展迅速、前景廣闊的新型工程材料。小型復合材料構件一般采用烘箱等傳統的外部加熱方式進行固化。隨著風能、航空、水陸運輸和其它領域對復合材料部件質量和尺寸的要求不斷提高，烘箱已經遠遠難以適應固化這一關鍵過程。于是，出現了比通過加熱周圍環境更為直接的對復合材料部件加熱的創新性解決方案，即模具加熱。
    本文綜述了國內外復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，將計算機模擬系統應用到模具加熱體系中是復合材料制備的發展趨勢。
1  模壓工藝用加熱體系
    模壓成型工藝是塑料材料常見、歷史悠久的成型方法之一，是研究材料性能常采用的一種工藝方法。它具有成型裝置簡單、設備投資小、模具結構簡單等特點，在機械化、自動化生產高度發達的今天，仍是一種為普及的生產手段之一。加熱段的功率設計盡量不超過lOW/cm的限制，如果設計功率超過這個限制，加熱管表面負荷較高，鋼管易氧化腐蝕，造成短路。因此，對于溫度高于250℃的模具設計，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，而實際上加熱管與模具并沒有多大接觸面積，傳熱的本質是輻射，傳導是次要的。因此大部分用于模具安裝的加熱管表面都涂有增強紅外輻射的涂層，同時也采用限制設計功率（lOW/cm）的辦法以增長加熱管的使用壽命。在加工加熱管孔時，采用填塞、封堵或設計擋片等辦法使孔的兩端盡可能與加熱管嚴密配合，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，好采用與管內介質相同的氧化鎂粉進行充填，以降低加熱管表面的熱負荷，這種方法可以減少管的表面氧化，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）以其諸多優點在航空、航天領域得到了越來越廣泛的的應用。國防科技大學航天與材料工程學院對利用RFI工藝制備大型列車構件進行了可行性分析，研發了RFI用樹脂膜，制備出了整體成型列車車頂的FRP模具，并在實際生產中取得了成功。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制體，然后依照真空袋壓成型工藝將模腔封裝，啟動加熱系統，樹脂膜熔融后，在真空負壓下，熔融樹脂由下向上被抽吸，從而浸透纖維預制體，得到復合材料構件。其所用模具可整體制備大型復合材料構件，且具有獨特的模具內加熱系統和溫控系統。[-page-] 
    電熱布預埋在距模具型腔表面2~3mm處，以方便熱的傳導。電熱布載體中不銹鋼加熱元件（電熱絲）對模具加熱，電加熱布伸展性達35%，模具溫度可以達到100℃，升溫速度較快。加熱布預埋操作規程為：待模具表面層和一定厚度的增強層固化后，適當打磨表面，鋪放加熱布，加熱布不能折疊使用，折疊點由電阻過大會導致“熱點”的產生，應覆蓋整個需加熱的模具面積，但法蘭邊上不必鋪設。加熱布固定后，應測試其導電性是否良好。把接線柱埋在法蘭邊，手糊固定。
    RFI用FRP模具中，加熱布通過熱傳導把熱量傳遞給樹脂膜，使其熔滲。RFI用FRP模具一般采細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，隨時調節加熱系統狀態。這樣既可避免溫度過高，模具材料發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  模內流體介質加熱體系
    模內加熱（尤其是用蒸汽、熱油或熱氣體）已經是一種很好的確定的技術。用熱油加熱金屬模用能夠產生顯著的加熱速率且已應用于風能領域，流動體系還有一個好處，就是它們可以反過來用，固化后來冷卻部件或控制放熱曲線。
    流體介質加熱的不便在于需要管道工程管和加熱或冷卻流體介質的設備，這樣會大大增加成本。在管道工程管中如果出現了泄露，則必須將泄露部分拆毀才不會對未固化樹脂造成影響，并且嵌入管道的維修也非常困難。考慮到流體介質和支撐結構，于是管道就有了額外的重量。另一阻礙是當熱量被模具吸收時逐漸產生溫度差，導致在出口處流出的流體溫度明顯低于入口處溫度，使加熱不均勻。這一問題可通過加速流體的流動和降低傳熱量來改善。
3.2  新型電加熱體系
    PPM Solutions公司從2000年即開始關注大型風機葉片的制造，并對制造中關鍵的固化過程進行了深入的研究。PPM Solutions認為，電加熱能夠克服快速固化中的大多缺點，能夠加熱大的構件、耗能更低、對空間要求低。現在與現今的數控技術相結合，電加熱已經應用于大的風機葉片，然而PPM研究組認為仍可以將到目前掌握的技術進一步精練。一個基本的問題是這些必需的耐熱元件是應當被嵌在模具內部（模內可以保護它不受損害），或者只貼附在模具表面。[-page-] 
    與模內加熱相比，模具表面加熱能提供給物體的構件更多直接的加熱，并且更容易安裝和維護。在做過許多實驗后，Cockerell和他的研究組提出一種內有加熱絲的加熱元件，這些加熱絲成圈并遍布給定區域，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力，使加熱能夠通過調節脈沖長度來控制。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。并且該體系能夠有差別地加熱一個構件的不同部分，加熱可因時因地而異。利用劃成區域的元件，能夠提供許多不同的加熱輪廓，一旦固化開始，預期有較大放熱曲線的板材的較厚處可以少量加熱。不論何時何地都能準確提供熱量，在嚴密控制下達到復雜的熱分布。
3.3  內置電加熱體系
    有很多公司都在開發比烘箱加熱固化更直接的加熱體系，內置的電熱體系能很好的安置在樹脂傳遞模塑（RTM）中，Plastech TT公司就在不斷發展和完善這種技術。
    法國的RocTool公司利用碳在柔軟的電熱層的導電性，將其放置在封閉模具中物體部件的兩邊。利用此加熱方法可充分降低固化周期，熱量能直接進入部件而不是進入模具。在澆鑄用于公路賽車和其它休閑娛樂產品的低熱質量的管狀構件的過程中，能在不到半分鐘之內達到高達200℃的溫度。
    英國南安普敦Vosper Thorneycroft ( VT）公司的造船專家開發的是巡航艇Mirabella V上的桅桿。VT子公司Halmatic利用長的聚合管道提供一個具有微小升溫效應的控制環境，但是由鑲嵌在塑料中的加熱器箔提供主要的熱源，加熱器箔由金屬導體組成。將制造碳纖維復合材料部件的半管模具合并，使其成為整體桅桿。塑料／箔元件將層壓板加熱到72℃的固化溫度。通過嚴格控制加熱來準確提供適合層壓板中特殊區域的梯度、控制和冷卻分布。依據熱電偶提供的反饋信息調節加熱，使其滿足和桅桿特殊部分的不同要求。
4  與計算機模擬系統配合使用
    借助于計算機模擬系統，準確控制溫度分布，使模具加熱體系更為高效和完善。
    PPM開發了一種新的“熱壁”體系，能夠進一步對提供的熱能準確定位。在計算機模擬系統中，利用有限元軟件可以將2m2的平板從2~5℃之間連續加熱到1200℃。對位于板實際邊緣內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散。
    在固化過程中，用熱電偶或熱顯像照相機和數據記錄器來記錄溫度分布。跟蹤控制器的標準數據的反饋能保持必需的條件。帶有微處理器的控制器能根據區域和時間得到預計的溫度分布，控制部件能預先對步驟、梯度、控制和冷卻溫度分布進行編程。

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