真空導(dǎo)入工藝在風(fēng)電葉片領(lǐng)域的應(yīng)用與研究

郝志勇（天津東汽風(fēng)電葉片工程有限公司天津300456）

真空導(dǎo)入工藝在風(fēng)電葉片領(lǐng)域的應(yīng)用與研究

郝志勇（天津東汽風(fēng)電葉片工程有限公司天津300456）

介紹了真空導(dǎo)入工藝的概念和真空導(dǎo)入的基礎(chǔ)理論，對葉片制作過程中真空導(dǎo)入的壓縮行為進行了研究，得出了葉根區(qū)域一個擬合二次函數(shù)，結(jié)果表明葉片成型在樹脂的真空導(dǎo)入過程中始終受到很大的負(fù)壓。對真空樹脂導(dǎo)入工藝和手糊工藝制作葉片進行了比較，數(shù)據(jù)指出真空導(dǎo)入工藝葉片質(zhì)量更高?！娟P(guān)鍵詞】復(fù)合材料真空導(dǎo)入風(fēng)電葉片手糊工藝

0 引言

真空導(dǎo)入工藝（Vacuum infusion process），簡稱VIP，在模具上鋪“干”增強材料（玻璃纖維、碳纖維、夾心材料等），然后用真空袋進行密封，并將體系抽至真空狀態(tài)，在模具型腔中形成一個負(fù)壓，再利用真空產(chǎn)生的壓力把樹脂通過預(yù)鋪的管路壓入纖維層中，讓樹脂浸潤增強材料最后充滿整個模具。[1-2]制品固化后，揭去真空袋材料，從模具上得到所需的復(fù)合材料制品。由于這種工藝是從國外引入，所以在命名上有多種稱呼，如：真空導(dǎo)入、真空灌注、真空注射等。工藝模型如圖1所示。

圖1 真空導(dǎo)入工藝模型

真空導(dǎo)入工藝是近20年來發(fā)展的低成本制造工藝，尤適合于大型產(chǎn)品的制造。然而在風(fēng)電葉片領(lǐng)域的應(yīng)用，直到近幾年才得到了發(fā)展。

1 真空導(dǎo)入理論[3]

在真空導(dǎo)入工藝中，主要是采用達西定律（Darcy's Law）（即公式l）來描述樹脂流過預(yù)制件的過程。

t=l2h/（2k·DP）（l）t——導(dǎo)入時間，由4個參數(shù)來決定；

h——樹脂粘度，從公式上可以看出，所用樹脂的粘度低，則所需導(dǎo)入時間就短，因此真空導(dǎo)入所用的樹脂粘度一般不能太高，這樣可以使樹脂能夠快速的充滿整個模具；

l——注射長度，指樹脂進料口與到達出料口之間的距離，距離長當(dāng)然所需的時間長；

DP——壓力差，體系內(nèi)與體系外壓力差值越大，對樹脂的驅(qū)動力也越大，樹脂流速越快，當(dāng)然所需導(dǎo)入時間也越短；

k——滲透性，指玻纖、夾心材料等對樹脂浸潤好壞的參數(shù)。k值大說明浸潤好，像連續(xù)氈、多向氈要比方格布、短切氈易被樹脂浸潤。因此為了使樹脂在增強材料被壓實的情況下能方便地充滿體系，一般認(rèn)為應(yīng)設(shè)置一些導(dǎo)流槽，比如在夾心泡沫上下打孔等。

在達西定律中，樹脂被認(rèn)為是不可壓縮的、其粘度不隨切變速度影響的牛頓流體。

2 真空導(dǎo)入的壓縮行為研究

在真空導(dǎo)入工藝中，最終產(chǎn)品的厚度和纖維含量也是關(guān)鍵控制內(nèi)容。由于真空袋是柔性的，不能直接控制制品的厚度，制品的厚度及制品中纖維的含量與體系真空壓力對預(yù)制件的壓縮行為有關(guān)，包括纖維在真空壓力下的壓縮和松弛行為，以及纖維和樹脂間的相互作用。研究表明，制品的厚度與樹脂的流動方向有著密切的關(guān)系，離開真空源越遠(yuǎn)，制品中的樹脂含量越高，相應(yīng)纖維含量越低，制品越厚。在真空導(dǎo)入工藝中預(yù)制件受到的外壓是大氣壓（Patm），這個壓力由樹脂壓力（Pr）和纖維結(jié)構(gòu)支撐（Pf）（公式2）。

樹脂在進口處的壓力為1個大氣壓（1 Patm），其流動前鋒的壓力為零，樹脂壓力從真空源處到進口處，其壓力是從零到1個大氣壓的梯度分布，離開出口處越遠(yuǎn)樹脂壓力越大，相應(yīng)預(yù)制件受到的壓力越小，纖維受壓縮也越小，厚度也較大。在樹脂到達出口處后，關(guān)閉樹脂進口，而繼續(xù)保持真空出口，使樹脂壓力穩(wěn)定地減少，從而使預(yù)制件進一步壓縮，可減緩厚度不均的現(xiàn)象。

風(fēng)電葉片的制作由于其表面積較大，采用真空導(dǎo)入工藝時要安排幾個進膠口和布置較多的抽氣口，灌注完全后，關(guān)閉進膠口，保持真空壓力直到完全固化。以1.5WM某型號葉片為例，研究了葉片根部（L0m）和葉片中部（L18m）處從真空導(dǎo)入灌注開始到灌注結(jié)束時壓力的變化，見表1、圖2、表2所示：

表1 葉片根部（L0m）灌注開始到灌注結(jié)束時壓力變化值

圖2 葉片根部（L0 m）灌注開始到灌注結(jié)束時壓力變化曲線圖

從表1中可以看出葉片根部真空導(dǎo)入灌注過程中，真空壓力值是從小到大逐漸增加，到灌注完全后，壓力值保持一個很小的數(shù)值，恒定不再變化?？梢园言撔吞柸~片根部灌注過程中真空壓力值的變化擬合成一個二次函數(shù)y=-0.0058x2+1.2295x+25.9102，但是否為規(guī)律性的結(jié)論，需要進一步的研究。

表2 葉片中部（L18 m）灌注開始到灌注結(jié)束時壓力變化值

從表2中可以看到真空導(dǎo)入灌注過程中，葉片中部（L18m）區(qū)域灌注開始到灌注結(jié)束真空壓力值同樣是從小到大逐漸增加，但相對根部灌注而言，變化值并不明顯，可以說明該型號葉片從灌注開始到灌注結(jié)束中部區(qū)域始終受到很大的真空壓力。

3 真空導(dǎo)入工藝和手糊工藝的比較

在通常的手糊工藝（hand lay-up）中，采用刷子、輥子或其他方式手工浸潤增強材料，然后將增強材料鋪覆于模具中。目前大型制品的生產(chǎn)，往往采用改進的手糊工藝方法真空袋壓輔助成型。而真空導(dǎo)入工藝相較于傳統(tǒng)工藝具有更多優(yōu)勢：①更少樹脂損耗。用VIP工藝，樹脂的用量可以精確預(yù)算，對于手糊或噴射工藝來說，會因操作人員的多變性而難于控制。VIP可以使得樹脂的損耗達到最少，更重要的是，這樣可以節(jié)約成本。②樹脂分布均勻。對于一個制品來說，不同部分的真空產(chǎn)生的壓力是一致的，因此樹脂對玻纖的浸潤速度和含量趨于一致。這個對于重量要求穩(wěn)定的FRP制件是很關(guān)鍵的。③過程揮發(fā)更少。生產(chǎn)過程中沒有刷子或輥子之類，不會造成樹脂的潑灑或滴落現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，更不會有大量的氣味出現(xiàn)。所以它能提供一個干凈、安全和友好的工作環(huán)境，保護操作者的身心健康。④使用單面模具。僅用一面模具就可以得到兩面光滑平整的制品，可以較好的控制產(chǎn)品的厚度。⑤更高質(zhì)量制品。在真空環(huán)境下樹脂浸潤玻纖，與傳統(tǒng)制造工藝相比，制品中的氣泡極少。體系中不留有多余的樹脂，玻纖含量很高，可達到70%，甚至更高。所得制品重量更輕，強度更高。表3列出了采用手糊工藝（濕法真空袋壓）和真空導(dǎo)入工藝生產(chǎn)的部分葉片根部的巴氏硬度值。

表3 手糊工藝與真空導(dǎo)入工藝生產(chǎn)葉片根部巴氏硬度值

當(dāng)然，任何一種工藝不可能是十全十美的，目前來說VIP所需的一次性耗材生產(chǎn)成本較高，并產(chǎn)生較多的廢料。如真空袋膜、導(dǎo)流介質(zhì)、脫模布及導(dǎo)流管等輔助材料都是一次性使用，而且很大一部分需要依賴進口。另外對操作人員的技能要求更高，每一過程都仔細(xì)按步驟做好才能進入下一步的操作，否則會造成不能逆轉(zhuǎn)的損失。尤其是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的風(fēng)機葉片，一旦在樹脂灌注中失敗，產(chǎn)品易報廢。因此，操作過程要嚴(yán)格執(zhí)行真空導(dǎo)入工藝要求并具備有效的預(yù)防措施，以保證生產(chǎn)出質(zhì)量合格的產(chǎn)品。

4 結(jié)論

真空導(dǎo)入工藝制作葉片過程中，樹脂灌注開始到灌注結(jié)束真空壓力值從小到大逐漸增加，灌注完全后壓力值保持在一個很小的數(shù)值，恒定不再變化。葉中區(qū)域的壓力變化弱于葉根區(qū)域，葉根區(qū)域的壓力變化可擬合成一個二次函數(shù)y=-0.0058x2+1.2295x+25.9102。

本文比較了真空導(dǎo)入工藝和手糊工藝制作葉片的優(yōu)缺點，通過數(shù)據(jù)對比指出：真空導(dǎo)入工藝葉片比手糊工藝葉片有更高的巴氏硬度值，質(zhì)量強度更高。■

[1]趙渠森，趙攀峰.真空輔助成型工藝研究[J].纖維復(fù)合材料，2002（1）：42-46.

[2]Correia N C，Robitaille F，Long A C.Analysis of the vacuum infusion molding process[J].Analytical formulation Composites，2005（3）:1645-1656.

[3]C.D.拉德，A.C.朗，K.N.肯德爾.復(fù)合材料液體模塑成型技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

2011-05-09