一种基于中空织物复合材料的控温模具的制作方法

本发明涉及复合材料，特别涉及一种基于中空织物复合材料的控温模具。

背景技术：

1、电加热是模具热控领域应用最为广泛的技术方案之一。传统电加热模具通常采用电热丝或电热管埋设于模具内部，通过电阻效应对模具本体加热。然而，电热元件布置于刚性模具结构中，存在若干突出局限：第一，电热元件一旦损坏则无法更换，维修成本高；第二，电热元件在模具中往往呈固定线路布置，难以实现对异型曲面、复杂外形模具的均匀加热；上述问题在天线罩、雷达罩等电磁功能部件的复合材料成型模具中表现尤为突出（参见cn111070806b）。

2、在3d打印领域，专利cn206856027u（一种3d打印机水加热平台）揭示了通过在打印平台下部布置循环水管、结合独立加热水箱与循环泵的方式，实现平台温度均匀稳定控制的技术思路；该方案通过流体循环替代传统直接电加热，温度曲线更为平稳，维护便利，但其本质仍是外附管路对平台进行间接加热，管路与加热基体之间存在界面热阻，热量传递效率受限，且对异型曲面模具的适应性不足。专利cn207432585u同样涉及一种用于模具加热的水循环系统，通过内部水道对模具进行加热；该类方案需在模具本体上预先加工内嵌流道，对模具制造精度要求较高，且流道布置受模具几何形状制约，在曲面、异型面等复杂型面模具上的均匀加热效果难以保证。

3、以风电叶片为代表的大型复合材料成型模具，通常采用在模具背面铺设金属（铜管等）导流管的外附式水加热方式（参见cn213890840u、cn118721536a）。专利cn213890840u（一种外附模具的水加热导流管机构）公开了一种将导流管固定于水加热模具外表面并通过加热层包覆的加热机构，通过导流管均布实现模具受热均匀；该方案利用树脂固化剂与铝粉的混合物成型的加热层增强导热性，改善了局部受热不均问题，但外附导流管增加了模具重量、降低了结构紧凑性，且导流管与模具本体之间的界面传热效率有限，金属铜管受曲面模具型面约束，弯曲成型工艺复杂、布置均匀性难以保证。

4、专利cn118721536a（一种风电叶片水加热模具加热分区的方法）通过对叶片模具按结构区域进行分区，分别铺设水管并配合电控水阀实现分区精确控温，有效解决了因模温机位置固定导致的整体加热不均匀问题；该方案通过分段阶梯式加热对各结构区域分别控温，显著提升了固化过程温度控制精度，但其本质仍依赖于传统的外附金属管路系统，管路铺设工艺复杂、维护成本较高，且对非金属复合材料模具的应用适应性存在局限。

5、专利cn204658874u公开了一种复合材料模具加热装置，将加热单元设置于模具结构内部；该方案通过改进加热元件的布置方式提升了模具加热均匀性，但加热介质仍以传统形式存在，与模具本体的一体化程度有限，在复杂异型面的整体均匀温控方面仍面临工程挑战。

6、专利cn217670683u（循环水加热pu成型海绵模具）揭示了一种将冷却水管贯穿模具主体内部实现循环冷却降温的技术方案，通过设置集水箱回收吸热水以实现热量的循环利用；该方案展示了流体介质在模具主体内部流通实现热控的基本原理，但其核心仍是将金属管路预埋于模具主体内部，受到管路加工和布置约束，对于非常规形状（曲面、异型面）模具的适应性不足，且管路布置密度有限，温度均匀性受制于管路间距，较难实现大型异型模具的全域均匀热控。

7、三维中空织物是一种具有整体性连续空腔通道的三维立体织物，由上下两层面层织物通过绒经（间隔丝）相互连接而形成。与蜂窝夹层、泡沫夹层等传统夹层材料相比，三维中空织物具有整体连续、轻质高强、抗分层、可设计性强等结构优势，且其贯通的空腔通道天然形成了流体导通介质的内部管路网络。

8、近年来，三维中空织物的功能化应用已受到广泛关注。专利cn111070806b（一种电加热中空织物复合材料及其制备方法，南京玻璃纤维研究设计院有限公司）公开了将电阻丝利用中空织物绒经层的连续贯通空腔进行布置，制备具有加热保温功能的中空织物复合材料；其核心创新在于利用中空织物本身的空腔通道容纳加热功能元件，实现了结构与加热功能的集成一体化，验证了中空织物空腔通道用于功能介质导入的技术可行性。然而，该方案以固态电热元件填充空腔，空腔通道一经使用即被占用，无法动态调节热介质的流量与温度，加热均匀性受电阻丝布置间距影响，实操可控性和温度均匀性控制效果欠佳。

9、专利cn108626897b（一种柔性太阳能空气加热装置，东华大学）揭示了利用三维经编间隔织物内部空腔通道作为气流通道的功能化技术路线：在间隔织物上下表面分别固化柔性薄膜后，织物内部空腔即形成封闭流道，空气经进风口进入并流经间隔丝吸热涂层通道后，由出风口排出，实现对流热交换加热；该方案的核心技术贡献在于充分利用三维经编间隔织物的内部连续空腔作为气流导通介质，实现了结构功能一体化；然而，该方案针对的是太阳能空气加热的应用场景，其上下面层经树脂固化封装后形成封闭刚性复合材料结构，流道形态固定，无法再作为加热模具使用，且热交换方式依赖太阳能辐射，不能独立实现可控温度输出，亦不涉及模具本体制备与温控应用。

10、专利cn120989915a（一种气凝胶/间隔织物复合材料及其制备方法，江南大学）展示了将气凝胶涂料填充于三维间隔织物空腔内，制备兼具轻质与低热导率的保温隔热复合材料；该方案将间隔织物空腔完全填充（填充系数100%），以固态气凝胶基体实现隔热功能，其技术逻辑是封闭空腔。

11、综上，相关技术中，存在以来外加热控元件导致热传递效率受限、异形模具的管路弯曲铺设困难、材料密度大、中空材料添加材料影响流道流通等问题。

12、因此，针对上述问题，亟需一种轻质、均匀高效导热的控温模具。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于中空织物复合材料的控温模具，能够提供一种轻质、均匀高效导热的控温模具。

2、第一方面，本发明提供一种基于中空织物复合材料的控温模具，包括中空织物复合材料模具和流体热控系统；

3、所述中空织物材料模具包括上面层、下面层和绒经层，所述绒经层通过间隔纱在所述上面层和所述下面层之间交替穿插排列形成，所述绒经层将上面层和所述下面层间隔开，已形成连续贯通的空腔通道，所述流体热控系统用于向所述空腔通道内提供预设温度的控温流体。

4、可选地，所述间隔纱在上面层和下面层之间形成多个8字型结构。

5、可选地，所述上面层和/或所述下面层的材料为纤维树脂复合材料，上面层和下面层中的纤维为玻璃纤维平纹织物，绒经层的制备材料包括玻璃纤维单纱。

6、可选地，所述上面层的面型包括用于匹配待控温构件形状的平面、单曲面或双曲面。

7、可选地，所述流体热控系统包括进流管路、出流管路、流量调节装置、温度调节装置；

8、所述进流管路用于将流体导入至所述空腔通道进口，所述出流管道连通所述空腔通道出口用于将热交换后的流体排出，所述流量调节装置用于调节进流管路的流量，所述温度调节装置用于调节进入空腔通道内的流体的温度。

9、可选地，所述流体热控系统还包括控制器和温度传感器，所述温度调节装置包括加热单元和冷却单元，所述流量调节装置包括流量调节阀；

10、所述温度传感器用于采集上面层的温度，所述控制器用于根据所述温度传感器的采集温度调节所述温度调节装置和流量调节装置。

11、第二方面，本发明实施例还提供了一种基于中空织物复合材料的制备方法，用于制备上述任一所述的控温模具，所述制备方法包括：

12、对中空织物进行树脂灌注，得到控温模具。

13、可选地，选用平纹机织中空织物，采用真空辅助树脂灌注工艺对中空织物进行树脂复合成型，成型过程中，向中空织物的空腔通道内插入与空腔截面匹配的芯棒，以防止树脂灌注时空腔通道被树脂封堵，待树脂固化后，将芯棒抽出。

14、第三方面，本发明还提供了一种基于中空织物复合材料的控温方法，基于上述任一控温模具，所述控温方法包括：

15、在所述中空织物复合材料模具的两端分别安装进流总管接头和出流总管接头，密封中空织物复合材料模具；

16、流体热控系统的进流管路连接进流总管接头，出流管路连接出流总管接头，通过循环泵使流体热控系统中的流体循环流入所述中空织物复合材料模具中；

17、所述流体热控系统的温度调节装置和流量调节装置调节流体的温度和流量，使模具温度保持在预设温度。

18、可选地，所述流体热控系统的温度调节装置和流量调节装置调节流体的温度和流量，使模具温度保持在预设温度，包括：

19、预热升温阶段，通过通入高于目标成型温度的流体，使模具表面温度升高至目标成型温度；

20、调节温度调节装置和流量调节装置调节流体的温度和流量，使模具温度保持在目标成型温度；

21、温度调节装置调节流体温度低于目标成型温度，以使模具降温脱模。

22、本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：

23、（1）全域均匀热控，克服异型面温控难题

24、中空织物复合材料内部空腔通道呈阵列式整体均布于模具本体全截面，空腔通道密度高（间隔纱间距通常为毫米量级），与依靠有限数量外附/内嵌金属管路进行加热的现有方案相比，流体热控介质覆盖面积更大、热量传递更均匀，可从根本上消除传统管路方案因管路间距导致的局部温差问题；即使对于双曲面、异型面复杂型面模具，空腔通道依托中空织物本身的随形复合成型特性，同样均匀分布于整个模具本体内，实现全域均匀温控。

25、（2）无界面热阻，热交换效率高

26、传统外附管路或内嵌管路方案中，金属管壁与模具本体之间存在物理界面热阻，而本发明中流体介质直接在复合材料模具本体内部的空腔通道内流动，流体与模具本体的复合材料壁面直接接触进行热交换，消除了界面热阻，热传递路径短，加热/冷却响应速率快，热控能耗低。

27、（3）型面适应性强，可实现任意外形模具一体化制造

28、本发明以中空织物复合材料本身为模具主体，采用复合材料成型工艺制造模具本体，借助中空织物在成型前的整体柔性特性，可随任意型面模具贴合赋形，固化后空腔通道随型面均匀分布，与现有金属管路弯曲成型工艺相比，无需复杂的管路弯曲加工，大幅降低了制造工艺难度，特别适合大尺寸、复杂曲面和异型面模具的制备。

29、（4）结构功能一体化，轻量化优势显著

30、中空织物复合材料同时承担模具结构承载和流体热控通道两种功能，无需额外附加金属管路和加热装置，减少了附加零部件数量，大幅降低了模具整体重量，与金属管路外附式模具相比，在相同型面尺寸下具有显著的轻量化优势，有利于大尺寸模具的搬运和使用。

31、（5）加热/保温/降温三阶段热控功能集成

32、本发明通过调节导入空腔通道的流体温度和流量，即可在同一套模具系统上实现加热升温、保温维持和冷却降温三种工况的切换，无需更换热控元件，操作灵活，适应复合材料固化工艺的全程热管理需求。

33、（6）模块化集成，维护便捷

34、流体热控系统中的加热/冷却单元、循环泵等功能模块独立于模具本体之外，可单独检修更换；模具本体空腔通道在不使用时可彻底清洗排干，不存在传统内嵌电热元件损坏后无法维修的问题，降低了模具全生命周期维护成本。