真空辅助树脂灌注成型工艺及应用
发布时间：2020-03-25 11:17:50 点击率：
真空辅助树脂灌注成型工艺(VacuumAssisted Resin Infusion Molding)简称VARIM工艺，是在RTM(Resin Transfer Molding)工艺基础上发展起来的一种高性能、低成本的复合材料成型工艺。自80年代末开发出来，VARIM工艺作为一种新型的液体模塑成型技术(Liquid Composite Molding，简称LCM)，得到了航空航天、国防工程、船舶工业、能源工业、基础结构工程等应用领域的广泛重视，并被美国实施的低成本复合材料计划(Composite AffordabilityInitiative，简称CAI)作为一项关键低成本制造技术进行研究和应用。
如图1所示，VARIM工艺的基本原理是在真空负压条件下，利用树脂的流动和渗透实现对密闭模腔内的纤维织物增强材料的浸渍，然后固化成型。
VARIM工艺的基本流程包括：
(a) 准备阶段。包括单面刚性模具的设计和加工、模具表面的清理和涂覆脱模剂、增强材料(纤维织物、预成型件、芯材等)和真空辅助介质(脱模介质、高渗透导流介质、导气介质等)的准备等。
(b) 铺层阶段。在单面刚性模具上依次铺设增强材料、脱模布、剥离层介质、高渗透导流介质、树脂灌注管道、真空导气管道等。
(c) 密封阶段。用密封胶带将增强材料及真空辅助介质密封在弹性真空袋膜内，并抽真空，保证密闭模腔达到预定的真空度。
(d) 灌注阶段。在真空负压下，将树脂胶液通过树脂灌注管道导入到密闭模腔内，并充分浸渍增强材料。
(e) 固化阶段。继续维持较高的真空度，在室温或加热条件下液体树脂发生固化交联反应，得到产品预成型坯。
(f) 后处理阶段。包括清理真空袋膜、导流介质、剥离层介质、脱模布等真空辅助介质和脱模修整等，终得到制品。
真空辅助树脂灌注成型工艺(VacuumAssisted Resin Infusion Molding)简称VARIM工艺，是在RTM(Resin Transfer Molding)工艺基础上发展起来的一种高性能、低成本的复合材料成型工艺。自80年代末开发出来，VARIM工艺作为一种新型的液体模塑成型技术(Liquid Composite Molding，简称LCM)，得到了航空航天、国防工程、船舶工业、能源工业、基础结构工程等应用领域的广泛重视，并被美国实施的低成本复合材料计划(Composite AffordabilityInitiative，简称CAI)作为一项关键低成本制造技术进行研究和应用。
如图1所示，VARIM工艺的基本原理是在真空负压条件下，利用树脂的流动和渗透实现对密闭模腔内的纤维织物增强材料的浸渍，然后固化成型。
VARIM工艺的基本流程包括：
(a) 准备阶段。包括单面刚性模具的设计和加工、模具表面的清理和涂覆脱模剂、增强材料(纤维织物、预成型件、芯材等)和真空辅助介质(脱模介质、高渗透导流介质、导气介质等)的准备等。
(b) 铺层阶段。在单面刚性模具上依次铺设增强材料、脱模布、剥离层介质、高渗透导流介质、树脂灌注管道、真空导气管道等。
(c) 密封阶段。用密封胶带将增强材料及真空辅助介质密封在弹性真空袋膜内，并抽真空，保证密闭模腔达到预定的真空度。
(d) 灌注阶段。在真空负压下，将树脂胶液通过树脂灌注管道导入到密闭模腔内，并充分浸渍增强材料。
(e) 固化阶段。继续维持较高的真空度，在室温或加热条件下液体树脂发生固化交联反应，得到产品预成型坯。
(f) 后处理阶段。包括清理真空袋膜、导流介质、剥离层介质、脱模布等真空辅助介质和脱模修整等，终得到制品。
真空辅助模塑成型(VARIM)工艺中，树脂的宏观流动和微观流动示意图[6]
局部“包气”现象的产生是因为树脂的宏观流动和微观流动不一致，其中宏观流动前缘的流速与灌注压力梯度有关，灌注压力梯度越大，宏观流动越快；而微观流动前缘的流速与纤维单丝之间的毛细管作用力有关，毛细管作用力越大，微观流动越快。因此，如图3(a)所示，当灌注压力梯度小于毛细管作用力时，树脂微观流动前缘的流速就会大于宏观流动前缘的流速，此时纤维束内部的树脂发生横向渗透，而将纤维束空隙之间的残余气体包裹，形成大气泡；相反，如图3(b)所示，当灌注压力梯度大于毛细管作用力时，树脂宏观流动前缘的流速就会大于微观流动前缘的流速，此时纤维束之间空隙的树脂就会向纤维束内部发生横向渗透，而在纤维束内部形成小气泡。为了减少及避免局部“包气”现象的产生，通常需要预先抽真空并在设定的真空度维持一定的时间，从而尽可能的排除密闭模腔内的空气，同时适宜将树脂灌注流道设计成树脂沿着纤维织物垂直(90°)方向流动，而不是如图3和图4所示的树脂沿着纤维织物平行(0°)方向流动。
真空辅助模塑成型(VARIM)工艺中，气泡和白斑缺陷形成的示意图[6]
1.1.干斑和干区
在VARIM工艺中，树脂在纤维束之间的流动速度不一致，如果树脂灌注流道或纤维织物铺层设计不合理，就会导致“流道效应”或“短路效应”的发生，树脂在低阻力区域的流动速度将会显著大于高阻力区域的流动速度，高达10~100倍，从而树脂将主要在低阻力区域内发生流动和渗透，使得高阻力区域内的纤维织物不能充分浸渍甚至完全未浸渍，制件在宏观上表现出干斑和干区的不良现象。纤维织物与树脂之间的浸润性匹配不良、纤维织物局部结构松散或过于紧密或扭曲变形、夹心芯材与纤维织物之间的空隙过大等原因都可能会造成制件出现干斑和干区的不良现象。
1.2.褶皱和翘曲
在铺层阶段，如果纤维织物没有铺设紧密和平整，树脂在灌注过程中就有可能挤压甚至冲散纤维束，导致固化后的制件出现褶皱和翘曲的不良现象。此外，树脂发生凝胶反应和固化交联反应时，会具有一定的体积收缩率，并且会释放出大量的反应热，在很大的内应力或热应力下导致松散的纤维织物发生扭曲变形，进而引起制件出现翘曲的现象。为了消除褶皱和翘曲不良现象的发生，要求纤维织物及预成型件的铺设要展放平整，宜选用体积收缩率小、放热量小的树脂体系，并且采用合理的固化制度和散热循环系统。
1.3.过抽和缺胶
在VARIM工艺中，为了维持树脂灌注过程仍具有很高的真空度，确保灌注所需的真空压力梯度以及制品的质量，需要持续地抽真空排出密闭模腔内、纤维束间空隙的残余气体。如果真空通道设置不合理，或树脂灌注管道设置不合理，抽气的同时就容易将大量的低粘度树脂也抽走，从而导致制品出现大面积缺胶，产生过抽的不良现象。
1.4.杂斑和富胶
在铺层阶段，如果在纤维织物层中夹杂团块状物体，将会使局部区域内的纤维织物发生变形，导致树脂胶液出现局部富集，固化后的制件则出现凹凸不平的杂斑。
与缺胶现象相同，富胶现象的产生也主要是由于真空通道和树脂灌注管道铺设不合理所致，这是因为树脂在灌注进口处的压力为大气压，而其流动前缘处的压力几乎为零，这样离真空管口越远(即树脂灌注进口)，树脂含量越高，相应的纤维含量越低；而离真空管口越近(即树脂流动前缘)，树脂含量越低，相应的纤维含量越高。因此，真空通道和树脂灌注管道铺设不合理，或者树脂达到出口处时就立即关闭树脂进口和真空系统，就会导致树脂灌注进口区域出现富胶的现象，大尺寸、大厚度制件也将会出现厚度不均的现象。
为了削弱上述的富胶现象，需要合理设置真空通道和树脂灌注管道，并且在树脂达到出口处后，关闭树脂灌注进口，而在不出现过抽的情况下，继续维持抽真空一段时间，使树脂压力稳定地减少，尽量使制件各区域的树脂含量均匀一致。此外，较大厚度的芯材和加强筋边界处也会出现胶液富集的现象，因此需要铺设一些三角形或梯形材料作为过渡，避免富胶现象的产生。
VARIM工艺的应用
VARIM工艺作为一种新型的复合材料成型工艺，始于20世纪80年代末，该工艺一开始并没有受到人们的高度重视，未能实现其潜在的巨大商业价值。直至1996年，由于在船舶上的成功应用，VARIM工艺才在当年的SPI复合材料年会上得到人们的认可和重视。由于VARIM工艺具有成本低、产品质量高、适合制造大型、复杂整体结构制件等诸多优点，因此经过十多年的研究和应用，VARIM工艺已经不再局限于船舶工业的应用，而广泛应用到了很多军用和民用设施的建设上，如军用舰船、导弹舱、雷达罩、风电叶片、桥梁、汽车外壳、冷藏箱等。
航空大型部件
战机座舱：美国洛克希德-马丁公司(Lockheed MartinCorporation)研制的F-35战机采用了VARIM工艺制造座舱，成本比热压罐工艺下降了38 %。
大型飞机机翼：在由美国NASA(National Aeronautics and Space Administration)资助的“波音预成型体”计划中，V System Composites公司采用VARIM工艺，研究了机翼结构复合材料及带加强筋机身整体复合材料夹层结构的成型，而波音公司则研究了大型飞机机翼蒙皮的整体成型。
大型舰艇及上层建筑
在船舶工业中，英国VosperThornycroft(VT)公司采用VARIM工艺为英国皇家海军制造了270多艘复合材料扫雷舰，并还制造了运输船、作业艇、救生艇船体和海洋港口工程结构等。North End公司使用VARIM工艺制造了长达27.5 m的船体，并经检验船体层合板的空隙率几乎为零，且力学性能与热压罐低温固化成型的制件相当，但制造成本却大幅度地降低。英国Sandown级扫雷艇采用非磁性材料制造，整个舰艇的所用上层建筑和部分内部结构制件均为VARIM工艺所成型，可以抵抗很强的冲击。美国海军DD21 Zumwalt级隐身驱逐舰和瑞典海军YS2000 Visby级隐身反潜轻型巡洋舰都采用了VARIM工艺成型的泡沫夹芯结构作为舰船壳体。佛山市宝达船舶工程有限公司使用VARIM工艺对含有芳纶纤维的混杂增强材料和乙烯基树脂进行了复合成型，制造生产了13.6 m的海关超高速摩托艇。
大型复合材料风电叶片
近年来，VARIM工艺被广泛应用于大型复合材料风电叶片的整体成型。相比于手糊成型工艺，VARIM工艺生产风电叶片的生产效率大幅度的提高，操作环境显著改善，树脂使用量可减少30 %，并且产品质量稳定，重复性好。丹麦艾尔姆(LM)玻璃纤维制品有限公司采用VARIM工艺开发了长达60 m的风电叶片。
采用VARIM工艺制造叶片，主要可分为以下几步工序：
（1）模具准备：对模具进行清理，并涂覆脱模剂。
（2）铺覆增强材料：根据设计要求，铺覆纤维织物。该工序除了织物的型号、位置以及搭接的尺寸必须满足设计要求外，还要保证铺覆的平整以及清洁。
在叶片模具上铺放玻璃布增强材料
（3）布置真空管路：根据工艺要求，布置真空管路，并包覆真空。此步骤是VARIM工艺中较为关键的一步。通常在正式生产前需要结合理论模拟和反复实验确定；在生产中需要保证整个系统的真空度。
树脂灌注及固化：在真空条件下，将混合好的树脂灌注进被压实的增强材料预成型体中。等树脂充满整个模腔后，关闭树脂流道，按规定的条件固化。
蒙皮粘接及后固化：在蒙皮完成固化成型后，将上下蒙皮和剪切腹板粘接成为整体，并按照规定的工艺进行固化。
后处理：产品脱模后，对叶片进行切边、补强、打磨及涂装处理。
叶片外表面涂装处理
[1] A. Goren, C. Atas.Manufacturing of polymer matrix composites using vacuum assisted resin infusionmolding [J]. Archives of Materials Science and Engineering, 2008, 34(2): 117-120.
[2] 祝颖丹, 李新华, 王继辉, 高国强. 高渗透介质型真空注射成型工艺的研究[J]. 复合材料学报, 2003, 20(4): 136-140.
[3] 李柏松, 王继辉, 邓京兰. 真空辅助RTM成型技术的研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2001, (1): 17-23.
[4] 赵晨辉, 张广成, 张悦周. 真空辅助树脂注射成型(VARI)研究进展[J]. 玻璃钢/复合材料, 2009, (1): 80-84.
[5] Xiudong Sun, Shoujie Li, L. James Lee. Molding fillinganalysis in vacuum assisted resin transfer molding [J]. Polymer Composites, 1998,19(6): 807-817.
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