图1. 使用金冈航天TP2230低温固化BMI模具材料的工具，零件由工具制造（上图），生产复合工具由雅尼基制造（下图）

这款工具代表了雅尼基将用TP2230制作的尺寸和形状

模具是制造复合材料零件的关键，但通常被视为生产后期。比斯马雷亚胺（BMI）预浸料因其性能和耐用性，已成为高温复合结构件制造的首选模具材料，但仍存在制造挑战，通常影响成本和交货周期。正是这些挑战，金冈航空（Kaneka Aerospace-美国加利福尼亚州贝尼西亚）和雅尼基工业（Janicki Industries-美国华盛顿州塞德罗-伍利）着手解决。

复合材料制造的模具挑战

对于在高温下固化的复合材料，尺寸精度、热稳定性和长期耐用性至关重要，因此需要使用BMI工具。当零件在热源附近工作或在长使用寿命内要求航空航天级尺寸精度时，BMI工具对于确保零件质量、重复性和生产良率至关重要。

BMI复合材料相比其他制造复合材料的刀具选择有许多优势，而这些工具也有自身的限制。殷钢(Invar)工具具有碳纤维复合材料的热膨胀特性，且在反复高温固化下非常耐用，但工具体积较大，热容量大，需要大量加工。环氧复合材料工具成本较低，可配合低温主模具使用，但缺乏批量生产中常见的反复高温固化耐久性。

除了轻便和低热容量外，BMI工具因其经受反复高温固化的能力，已成为许多生产应用的首选。然而，正是这一特性也推动了对高成本主工具的需求，进而影响工具成本和交货时间。使用BMI系统的另一个挑战是177°C工具固化过程中树脂释放气体，这会导致标准尼龙袋装膜降解，且固化过程中存在真空损失风险，因此需要使用更昂贵的替代袋装材料。

采用较低初始固化温度的BMI模具树脂系统将从根本上解决这些挑战。热力学仍要求模具树脂必须在某个时刻进行高温固化，才能在177°C下重复固化零件，但从主模上进行此固化开启了制造工艺的新途径。任何新材料都必须满足当前的性能要求，包括机械性能、韧性、耐久性、控性和使用寿命，同时提升整体成本和交货时间。

金冈航天长期以来一直是雅尼基工业复合材料工具产品的供应商，这促成了这次合作。雅尼基研发工程师杰德·布里奇（Jed Brich）说：“该项目诞生于2018年，当时雅尼基与金冈航天（当时为Applied Poleramic Inc.）就传统177°C固化BMI系统的挑战进行了对话。”“最近一个尼龙真空袋在一次大型工具面板固化过程中失效，原因被认为是BMI树脂系统的逸散。”

经过多次讨论，金冈航天启动了一个项目，设计一种既满足雅尼基需求又具备BMI耐用性工具的预固化系统，但这些系统至少在初期可以在更低温度下修复。

模具预预预料评估，树脂配方迭代

金冈航天开发了一种创新的BMI化学方法，代号TP2230，其初始固化过程在主工具121°C处固化，随后是204°C的独立固化后固化。这使得使用成本更低的主控设备成为可能，并大幅节省成本和交付时间。初步结果由金冈航天和雅尼基在CAMX 2025联合发表的论文中报告。

金冈航天产品开发高级总监小滝正也(Masaya Kotaki)博士报告：“开发BMI聚合物化学以达到121°C下足够的固化度，使工具在固化后独立状态稳定，是一项相当大的技术挑战。”“材料还能提供至少4周的车间出厂时间，这对大型工具的生产非常重要，同时还可采用标准的铺设、装袋和散装方法。”

图2TP2230 BMI工具复合材料与Syensqo T300和Hexcel AS4C纤维的层隙断裂韧性，以及在177°C时陈酿后重量减轻

预产期使用标准2×2斜纹织造、6K碳纤维织物，使用比利时布鲁塞尔Syensqo（索尔维的专业部门）的T300纤维和美国康涅狄格州斯坦福Hexcel（赫氏）的AS4C纤维进行评估。该材料的早期开发样品于2020年提供给雅尼基。初步测试小组遇到了粘性和孔隙度的挑战。经过几次快速迭代，金冈航天成功调校了树脂配方，效果显著改善。

CAMX论文中报告的机械测试确认，含两种纤维的材料在初次固化后达到足够的强度和刚性，并满足典型的模具性能要求。

韧性是耐久性和反复高温循环中抗裂的关键。金冈航天评估了层间断裂韧性（GIC）使用双悬臂梁测试，测试包含两根纤维的TP2230层压板。图2的结果显示，TP2230两种纤维的韧性与传统材料相似，且在固化后有所提升。The GIC使用Hexcel AS4C纤维的材料比使用T300高出20-30%，这一点通过扫描电子显微镜对断裂面进行了进一步研究。这些图示纤维桥接和拉拔伴随着AS4C层压材料中基体塑性变形增加，表明纤维基体附着力较高。这些工具显示出非常好的热稳定性，在177°C下陈化1万小时（~14个月）后重量损失不到1.2%（见图2）。

金冈航天首席科学家列昂尼德·沃罗比耶夫（Leonid Vorobyev）博士表示：“最大的挑战是平衡低温固化性、粘性保持时间和工具耐用性。在121°C下可固化的BMI非常罕见，因此需要创造力来实现这一点。还需要维持较长的针距寿命，这通常与固化温度和所需的热氧化稳定性处于权衡关系中，这并不简单。”

制造过程评估：模拟模具固化

图3上方是铺设时的斜倚工具，底部则是固化的玻纤和碳纤零件

在开发和初步材料测试后，雅尼基使用具有代表性元素的“Z”型梁工具对包含两种碳纤维的TP2230工具预料进行了制造评估。雅尼基的观察结果得出结论，TP2230的贴合度、垂坠感和操作性与传统BMI工具预浸料相当。新型材料体积低，去除后起皱和起皱极少，初期121°C固化时树脂渗出适宜，加工后表面光洁度良好。

随后，雅尼基使用示范工具进行模拟生命周期评估，包括在洁净室环境调节30天，随后铺设碳纤维和玻璃纤维预预置液，并在177°C下进行热压罐固化（见图3）。Hexcel AS4C工具已评估84个周期，Syensqo T300工具测试了137个周期。在第20至30个周期之间首次观察到局部表面纤维撕裂，两条纤维均有首次观察到层隙裂纹，均为40周期，这在当前BMI工具中表现为典型。热老化梁工具的表面图像和显微照片（见图4）证实了其相较于传统BMI工具材料在高温下具有高热稳定性和抗微裂纹能力。这两种工具继续保持真空完整性，固化零件质量保持高水平。

图4经过多次零件固化后使用测试工具

雅尼基将继续将小型测试工具循环至至少200个工艺循环，以评估TP2230在实际生产条件下的使用寿命。总体而言，使用AS4C纤维的工具表现出更高的耐用性，与韧性效果一致。

雅尼基通过开场图中展示的6.1米工具进一步评估了TP2230的生产能力（见图1）。初始的航空航天级零件正在该工具上成型，以评估模具材料在生产规模和复杂度下的尺寸稳定性和性能。公司已经在该工具上制造了多个部件，每个周期后都会进行全面评估，未来还计划更多部件。此外，雅尼基已确定今年晚些时候将根据TP2230制造大量生产工具。

低固化温度 BMI 工具预产期，用于未来项目

金冈和雅尼基指出，将初始固化温度从177°C降至121°C，可以使用更经济的母模选项。此外，较低的初始固化温度大大降低了工具固化过程中真空袋失效的风险，因为尼龙真空袋在暴露于低于149°C的BMI树脂时更不易降解和失效。

雅尼基看到的新模具材料的一些具体好处包括工具交货时间缩短25%-50%，刀具成本降低20-40%。

小滝表示：“通过将降低固化温度与长期热稳定性结合，TP2230为经济高效工具开辟了新机遇。”

雅尼基研发高级总监托德·“TJ”·查斯(Todd 'TJ' Chace)指出：“TP2230的低温初始固化使我们能够简化刀具制造流程，为客户降低刀具成本、缩短交货周期开辟了一条道路，同时保持他们所需的高温、高耐用性性能。”“经过全面评估，我们有信心用这种材料制造的工具能够为大多数程序生产高质量的零件。雅尼基将于2026年初生产首批TP2230生产工具，并持续发掘未来客户项目的新机遇。”

原文,《Kaneka BMI material attains >25% lead time, >20% tool cost reductions in Janicki evaluations》 2026.2.25