用于生产非金属可自加热模具的方法技术

本发明专利技术提供一种多层复合模具结构(10)。所述多层复合模具结构(10)包含多层构件，所述多层构件包括(a)至少一个金属加热层(11)；(b)至少一个金属热分布层(13)；(c)至少一个层合复合层(12)；以及(d)表面层(14)。本发明专利技术还提供一种用于制备所述多层复合模具结构的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于制备非金属模具的方法;并且更具体而言，本专利技术涉及一种 制备当所述模具被用于制造可热固化复合部件时提供高表面温度均匀性的非金属模具的 方法。本专利技术可(例如)在用于生产制造风力转子叶片、机车部件、游艇船体、飞机机翼板等 的工艺中使用。
技术介绍
迄今为止，两种类型的模具（一种模具由金属制成而另一种模具由非金属材料制 成）已经在用于生产纤维增强的复合部件如风力转子叶片或机车部件的灌注/注射模制工 艺中使用。因为金属模具的较高热导率，由如钢、铝、铜等金属或金属合金制成的模具提供 了优良的表面温度均匀性，然而金属模具重并且因此难以操作;并且大且复杂形状的金属 模具对制造成本高。 另一方面，非金属模具如纤维增强的复合模具轻得多且可以较低成本更快制得， 尤其对于较大且复杂的几何结构。然而，非金属模具通常在模具表面上具有大的温度偏差 (例如土平均值的±10%)。模具温度越高，在整个模具表面上可出现的偏差越大，因为（例 如）（1)利用具有不均匀且各向异性的层合结构的树脂类复合材料，以及(2)由在加热层中 的加热丝产生的不均匀热。大温度偏差通常（1)导致在模具表面处的"热点（例如平均值的+ 10% )/冷点（例如平均值的-10% )"，（2)产生大的树脂黏度变化，以及(3)影响树脂流动，其 可导致在成品部件中干点形成。此外，封闭在模具中的热固性材料的不均匀加热可导致成 品部件的非正常固化以及导致成品部件的不当变形。可以在用于生产不含上述缺点的纤维 增强复合部件的灌注/注射模制工艺中使用的模具在本领域中是有利的。 美国专利第5,260,014号公开一种制备适合用于在塑料制品的注射模制、结构泡 沫模制、低压注射模制以及气体-辅助注射模制中的注射模具的方法。注射模具包含在模具 外表面上的电沉积薄金属层，以及在金属层内表面上浇铸的用于支撑金属层的刚性热固性 塑料材料。将热传递元件浇铸在塑料材料内并且与金属层相邻定位，以为金属层和塑料材 料传递热量。美国专利第5,260,014号还公开薄金属层为镍，塑料材料为环氧树脂，并且热 传递元件为金属片和热传递管。以下特征存在于在以上专利所描述的模具中：（1)金属层电 沉积在模具板料上；（2)金属层沉积在完成模具的表面上；（3)金属层衬底材料通过浇铸形 成；以及(4)加热元件为点区域型的。具有以上特征的模具不可适用于制备大面积曲面的模 具如风力转子桨叶；并且电沉积工艺并不是具有成本效益的方案，因为所述工艺通常包括 将部件浸没到保存涂层浴或溶液的容器或器皿中，以及施加直流电。 美国专利第4,120,930号公开用于成形待模制材料的模具，其中所述模具通过浇 铸由松散材料(如波特兰水泥、炭、石墨)或可浇注陶瓷材料等构成的第一模具基底部分形 成以限定模腔;并且随后用第一金属层涂覆模腔。随后，由如钨、钛、硼、硅和铝的碳化物、氮 化物和氧化物的材料构成的第二硬质表面层沉积在金属第一层的表面上。现有技术的模 具-成型方法包括通过浇铸形成模具衬底材料，并且金属层是经由利用现有技术中的喷涂、 电解或无电沉积的涂覆来沉积的。类似于美国专利第5，260，014号的工艺，现有技术的涂覆 技术可不适用于制备较大模具来以合理的成本实现所希望的厚度公差。 JP62257819A公开一种用于制备注射模具的方法。JP62257819A公开一种用于浇铸 纤维增强材料(FRP)的浇铸装置，所述浇铸装置由阳模和阴模构成。阴模部件包括具有金属 覆盖层和管道的塑胶件，加热介质流经管道，并且金属覆盖层和管道包括加热介质确保在 模具表面处的均勾温度分布。在JP62257819A中所描述的模具-制备方法有以下缺点：（1)所 用的金属层在模具表面铺设，这可导致由于化学侵蚀和过早地磨损不当的快速热损失以及 金属层的提早退化；（2)加热介质仅列出包括设计、操作和维护复杂性的流体加热；以及(3) 金属层并不适于带孔产品。 美国专利第3，827,667号公开一种用于制备在大模具中采用的热传递面板的方 法。面板的建构包括使用与松散材料如陶瓷材料组合的相对薄的金属片或面板，所述松散 材料形成模具结构的主要部分并为片或面板材料提供支撑。在构建面板中，热传递通道在 片材料和支承材料内或在片材料以及支承材料之间，并且热传递流体可流经所述通道。现 有技术还公开了用于形成热传递模具的简单的方法。在美国专利第3,827,667号中所描述 的面板-构建方法有以下缺点：（1)金属片或面板在面板表面上铺设；（2)背面层松散材料为 陶瓷(此类材料如波特兰水泥、可浇注的已知组合物的各种陶瓷材料、灰泥和蜂窝式塑胶、 灰泥等）；以及(3)热传递通道限于流体。JP5192931A公开一种通过火焰喷涂在由混凝土制 成的模具材料的全部表面或一部分表面上形成陶瓷或金属层的方法。火焰喷涂（在 JP5192931A中所描述的模具-形成方法)有缺点：必须将金属层火焰-喷涂到模具表面上;并 且火焰喷图包括熔化待沉积的原材料，其产生由极细颗粒所组成的大量灰尘和烟。火焰喷 涂还需要采用喷涂设备和燃料气体。所有上述缺点产生安全隐患。公开于JP5192931A中的 复杂方法仅包括将金属层插入到织物预成型件中的不安全操作。此外，此模具的基质材料 为混凝土，与用于纤维增强层合/夹层结构的其它较轻材料相比混凝土为重的。公开于 JP5192931A中的方法和模具不含加热系统;并且需要外部加热装置以注入和固化通过所述 方法制得的复合材料。并且，通过上述方法制备的火焰-喷涂层可为多孔的；并且所述层的 多孔性可在模具表面上产生不均匀温度分布。 W02009007077A1公开一种用于制造聚合物复合材料的一体加热的陶瓷模具，和制 造此类模具的方法。所述模具适于制造相对大的部件如风力涡轮机叶片，并且所述模具使 在模具工作表面处热量输出的型面能够被精确控制以补充正在模制部件。然而， TO2009007077A1有以下缺点：（1)模具主体由陶瓷制得，陶瓷在拉伸以及剪切中脆并且弱； 并且模具主体还可具有多孔的模具表面；（2)所述陶瓷模具的制造工艺复杂并且昂贵；以及 (3)所述模具不并入金属层以提高模具表面温度均匀性。 上述现有技术参照案同样公开在最外模具表面（亦即上述最外模具表面层)上利 用金属/陶瓷层，尽管介绍不同原料以及制造工艺。现有技术的方法无一者包括将金属层插 入在最外模具表面层的下方。
技术实现思路
如在图1中示意性地所示，本专利技术使用嵌入在由半-各向同性层合材料制成的模具 表面层和加热层之间嵌入的较高热导率的金属层的薄层，以实现在模具表面上的高温均匀 性。金属层可由钢、铜、铝或金属合金以片或箱的形式制成;并且含或不含穿孔。加热层可包 括流体加热、电加热或电磁波加热。由于金属层的热导率通常大于（ > )约200W/mK(铝的热 导率），其比固化树脂(例如固化环氧树脂为约〇.2W/mK)的热导率高数百倍，较高热导率的 金属层帮助更快实现热平衡并且改善模具表面的温度均匀性。 本专利技术的模具设计有以下优点：（1)更好的模具表面温度均匀性以及更快的热平 衡，其帮助避免在模具表面上的局部热/冷点并且防止在固化复合材料中形成干点；（2)将 金属层嵌入在环氧基体复合表面层的下方保护本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合模具结构，其包含层状构件，所述层状构件包括至少一个安置于所述复合模具结构的表面层之下的金属热分布层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：D·谢，L·马，
申请(专利权)人：陶氏环球技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US