基于VARTM工藝的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料攜行箱的研制*

龔水蓮，田 陽(yáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所， 江蘇 南京 210007)

基于VARTM工藝的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料攜行箱的研制*

龔水蓮，田 陽(yáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所， 江蘇 南京 210007)

為適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的快速變化，要求系統(tǒng)具有高機(jī)動(dòng)性能，也要求用來(lái)裝載和保護(hù)電子設(shè)備的攜行箱更加輕量化。文中針對(duì)輕量化需求，采用高強(qiáng)度、高模量的碳纖維材料和耐沖擊性能好的芳綸材料作為增強(qiáng)復(fù)合材料，研究真空輔助樹脂傳遞模塑(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding，VARTM)整體成型工藝，研制了輕型復(fù)合材料攜行箱，并對(duì)攜行箱VARTM 工藝成型的有效性及可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。采用該工藝制作的攜行箱具有重量輕、強(qiáng)度高、成型快速、生產(chǎn)效率高、制造成本低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的工程價(jià)值和發(fā)展前景。

攜行箱；復(fù)合材料；真空輔助樹脂傳遞模塑工藝；整體成型法

引 言

車載攜行箱也稱可搬移箱，是一種用來(lái)裝載和保護(hù)電子設(shè)備的小型機(jī)箱，可使用載車進(jìn)行運(yùn)輸。它集成度高，體積小，質(zhì)量輕，攜行方便，便于搬運(yùn)，并具有抗振、抗沖擊、防水性能強(qiáng)等特點(diǎn)，主要用來(lái)承載系統(tǒng)設(shè)備，使設(shè)備具有可搬移、快速架設(shè)功能，可應(yīng)用于車載的機(jī)動(dòng)式指揮所、地面的固定式指揮所和帳篷式指揮所以及倉(cāng)庫(kù)、車站、港口碼頭等場(chǎng)所。目前國(guó)外的攜行箱箱體一般采用聚乙烯材料注塑成型，適合大批量、定型產(chǎn)品的生產(chǎn)，但注塑成型的攜行箱外形大，箱殼厚，重量重[1]，致使安裝設(shè)備有限。而輕型鋁質(zhì)攜行箱一般采用折彎后的鉚接或焊接的結(jié)構(gòu)形式，生產(chǎn)效率低，制造成本高。

隨著戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的快速變化，提高系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性能尤為重要，產(chǎn)品輕量化的需求愈加迫切。本文采用高強(qiáng)度、高模量的碳纖維材料和耐沖擊性能好的芳綸纖維材料作為增強(qiáng)復(fù)合材料，研究了真空輔助樹脂傳遞模塑(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding，VARTM)整體成型工藝，研制出輕型的復(fù)合材料攜行箱，減輕了攜行箱結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，降低了制造成本。

1 攜行箱結(jié)構(gòu)和材料

攜行箱主要由機(jī)箱外殼、骨架、箱蓋、把手等組成，如圖1所示。機(jī)箱外殼主體采用O型結(jié)構(gòu)，前后配備2塊相同的可快速卸下的箱體蓋板。箱體內(nèi)部安裝有骨架，骨架與箱體通過(guò)隔振器連接，骨架內(nèi)部可預(yù)裝導(dǎo)軌、托盤等各種配件，可以方便地安裝設(shè)備等。箱蓋上設(shè)計(jì)了定位孔，與箱體連接時(shí)，將定位孔對(duì)準(zhǔn)箱體上的定位銷，通過(guò)可搬移專用的鎖與箱體連接起來(lái)。在箱體的兩側(cè)壁安裝有把手，便于機(jī)箱搬運(yùn)。

圖1 攜行箱結(jié)構(gòu)示意圖

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高剛度等特點(diǎn)，已被越來(lái)越多地應(yīng)用于航天、航空、兵器、電子等領(lǐng)域。本文研制的攜行箱采用了高強(qiáng)度、高模量的碳纖維材料和耐沖擊性能好的芳綸纖維材料作為增強(qiáng)復(fù)合材料，采用VARTM整體成型工藝，在滿足強(qiáng)度及剛度要求的前提下，與同類型的鋁合金材質(zhì)攜行箱相比，重量減輕了20%以上，且產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，具有極廣闊的應(yīng)用前景。

2 復(fù)合材料攜行箱制造工藝

隨著復(fù)合材料專業(yè)的發(fā)展，復(fù)合材料制備技術(shù)也在不斷地發(fā)展和完善。迄今為止，已有的復(fù)合材料制備技術(shù)有手糊或濕法鋪覆工藝，真空袋壓、真空成型和熱壓罐成型工藝，模壓成型工藝，熱壓/冷壓模塑成型工藝，注射模塑成型工藝，纏繞成型工藝，拉擠成型工藝，復(fù)合材料液體成型工藝等。

2.1 手糊成型工藝

手糊成型是通過(guò)含有固化劑的樹脂將纖維材料粘附在模具上，直到達(dá)到所需厚度，最后在室溫下或加熱固化成型，脫模得到制品[2]。手糊工藝不適宜結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的攜行箱箱體制作，因?yàn)樗嬖谝韵氯毕輀2]：

1)纖維中樹脂含量大，制品偏重，不符合輕量化要求；

2)纖維中的空隙率大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，力學(xué)性能差；

3)手糊時(shí)各層之間很容易留有空隙，各纖維層之間不緊實(shí)；

4)樹脂固化時(shí)間長(zhǎng)，工序繁瑣，制作周期長(zhǎng)；

5)手糊工藝對(duì)工人技能要求高；

6)作業(yè)環(huán)境較差，對(duì)身體及周邊環(huán)境危害較大。

2.2 VARTM成型工藝

由于手糊工藝中存在的不足，目前VARTM正被逐漸應(yīng)用到復(fù)合材料成型工藝中。它是一種低成本的復(fù)合材料大型構(gòu)件成型制造技術(shù)，其過(guò)程可以分解成2個(gè)平行的子過(guò)程：流動(dòng)、浸潤(rùn)、浸滲、充模等物理過(guò)程和由低黏度液態(tài)樹脂轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w材料的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程[3]。采用低成本VARTM 工藝, 無(wú)需熱壓罐就可生產(chǎn)形狀復(fù)雜的高強(qiáng)度、高性能碳纖維宇航結(jié)構(gòu)件[4]。

VARTM工藝的流程是先將增強(qiáng)材料、導(dǎo)流網(wǎng)、脫模布依次鋪敷在單面模具上，然后布設(shè)管道，用真空袋對(duì)模具進(jìn)行單面密封，在負(fù)壓的作用下將樹脂導(dǎo)入到復(fù)合材料層中，加熱固化，最后脫模得到制件[5]。其工藝示意圖如圖2所示。

圖2 攜行箱VARTM工藝示意圖

VARTM工藝在整個(gè)過(guò)程中都是負(fù)壓狀態(tài)，因此可以有效避免空隙的產(chǎn)生，降低樹脂的含量，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保護(hù)工人的身體健康；還可以通過(guò)使用快速固化的樹脂來(lái)縮短工藝周期，提高生產(chǎn)效率。碳纖維布[6]和芳綸布[7]混鋪，不僅提高了制件的強(qiáng)度和抗沖擊性能，而且滿足了輕量化的需求。

3 VARTM制作攜行箱成型工藝

攜行箱利用VARTM工藝整體成型可以減少所用的結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量，與同類折彎結(jié)構(gòu)的鋁質(zhì)攜行箱組裝結(jié)構(gòu)相比，零部件數(shù)量減少了70%。由于采用整體成型結(jié)構(gòu)，取消了焊接、鉚接、封膠等流程，因此所使用的緊固件數(shù)量以及攜行箱成型、組裝所需的工時(shí)數(shù)都大幅度減少。復(fù)合材料攜行箱的整個(gè)研制過(guò)程包括6個(gè)步驟：模具設(shè)計(jì)和制作，增強(qiáng)纖維的鋪層，導(dǎo)流網(wǎng)、管的布設(shè)，密封、抽真空，導(dǎo)流，固化和脫模。

3.1 模具設(shè)計(jì)和制作

1)分模設(shè)計(jì)。將圖3所示的4塊模具組成箱身并初步鎖定模，然后將2塊箱蓋模具與箱身模具合膜成箱體模具。

圖3 箱身分模圖

2)模具的制作。制作鈑金陽(yáng)模毛坯并對(duì)外表面進(jìn)行高光處理；翻制纖維樹脂陰模并對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行高光處理；制作內(nèi)扣式把手的陰模。

3)模具組合裝配。密封模具；在模具裝配飛邊中間位置打定位孔；用銷扣快速鎖模。

3.2 增強(qiáng)纖維的鋪層

根據(jù)攜行箱剛強(qiáng)度要求，選擇相應(yīng)規(guī)格的增強(qiáng)纖維，鋪層順序依次為碳纖維、芳綸、碳纖維。多層材料鋪層采用多軸向鋪設(shè)，并對(duì)棱角處進(jìn)行加強(qiáng)，以增強(qiáng)箱體的整體性能。鋪層過(guò)程為：首先清潔模具表面并打蠟，然后借助3M噴膠將裁剪好的纖維增強(qiáng)材料按照工藝鋪層的設(shè)計(jì)鋪敷在單面模具上，注意不要有纖維層的變形、脫落、空隙，同層間纖維的軸向要保持一致。同時(shí)將埋板預(yù)埋在箱身的4條棱角處，并用同種增強(qiáng)纖維對(duì)4條棱角處進(jìn)行加強(qiáng)。

3.3 導(dǎo)流網(wǎng)、管的布設(shè)

首先用密封膠帶將導(dǎo)流網(wǎng)固定在箱體的四周，并在周邊留下緩沖區(qū)域。然后在箱身兩端周邊各布設(shè)一圈抽氣管，抽氣管由螺旋管纏繞麻繩而成。最后在箱身中央布設(shè)一圈導(dǎo)流管，導(dǎo)流管由螺旋管包裹導(dǎo)流網(wǎng)而成；在箱蓋四周鋪設(shè)一圈導(dǎo)流管，中間鋪一條導(dǎo)流管，兩端留下緩沖區(qū)域。

3.4 密封、抽真空

模具采用密封薄膜單面密封，并預(yù)留合理的打結(jié)位置；將多根抽氣管用三通連通匯集至主管，主管連接到樹脂收集器，樹脂收集器再與真空泵相連；所有接口處用密封膠帶密封；最后打開真空泵抽真空，使真空度負(fù)壓高于0.09 MPa，關(guān)閉真空泵能保壓5 min以上即可進(jìn)行導(dǎo)流工序。

3.5 導(dǎo)流

分批配制膠水，箱身、箱蓋要分開導(dǎo)流，打開真空泵和進(jìn)膠管閥門進(jìn)行導(dǎo)流，當(dāng)箱身四周抽氣管中的麻繩出現(xiàn)回膠現(xiàn)象時(shí)，即可結(jié)束導(dǎo)流工序。

3.6 固化、脫模

導(dǎo)流完畢后，保持負(fù)壓狀態(tài)進(jìn)行整體加熱升溫至50 ℃， 保溫固化4 h以上，然后關(guān)閉真空泵，再整體加熱升溫至80 ℃，進(jìn)行二次保溫固化4 h以上，最后自然冷卻，脫模得到制件。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證攜行箱VARTM 工藝成型的有效性及可行性，對(duì)研制的攜行箱實(shí)物(圖4)進(jìn)行了性能和環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試。先對(duì)其進(jìn)行淋雨試驗(yàn)和高低溫儲(chǔ)存和溫度沖擊試驗(yàn)，結(jié)果表明各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。然后按照GJB 150.16A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第一類：基本運(yùn)輸?shù)囊蟆纷龉愤\(yùn)輸環(huán)境的垂直軸、橫側(cè)軸、縱向軸3個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)；按照GJB 150.18A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法：沖擊試驗(yàn)》進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。將攜行箱按工作狀態(tài)放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)和攜行箱托盤上各設(shè)置1個(gè)加速度傳感器，分別測(cè)量輸入和輸出數(shù)據(jù)。圖5為攜行箱橫向沖擊負(fù)向檢測(cè)曲線圖(沖擊類型為后鋒鋸齒波)。經(jīng)過(guò)振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)后，攜行箱外觀結(jié)構(gòu)性能正常，無(wú)明顯變形，未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂等破壞現(xiàn)象。

圖4 攜行箱實(shí)物圖

圖5 攜行箱橫向沖擊負(fù)向檢測(cè)曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

在利用VARTM工藝進(jìn)行碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料攜行箱研制過(guò)程中取得的成果歸納如下：

1)選用芳綸與碳纖維增強(qiáng)材料的混編鋪層和整體成型工藝過(guò)程質(zhì)量可控，產(chǎn)品氣泡含量低，纖維含量高于70%，攜行箱在滿足強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能條件下，箱體更加輕量化，其重量比鋁質(zhì)攜行箱輕20%以上；

2)使用單面模具就可得到兩面光滑完整的制品，樹脂用量可精確預(yù)算，能有效控制產(chǎn)品厚度；

3)利用VARTM成型工藝的整體成型設(shè)計(jì)，大幅度地減少了零部件的數(shù)量，提高了生產(chǎn)效率，降低了制作成本。

基于VARTM工藝制作的整體成型碳纖維/芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料攜行箱的綜合性能優(yōu)于同類聚乙烯材料注塑成型攜行箱和輕型鋁質(zhì)攜行箱，具有較高的工程價(jià)值和發(fā)展前景。隨著碳纖維生產(chǎn)工藝技術(shù)的重大突破，碳纖維材料的價(jià)格會(huì)大大下降，這為碳纖維增強(qiáng)材料在輕量化產(chǎn)品上的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。

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龔水蓮(1977-)，女，高級(jí)工程師，主要從事結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)工作。

Development of Portable Box with Mixed-fiber Reinforced Plastic Based on VARTM Technique

GONG Shui-lian，TIAN Yang

(The28thResearchInstituteofCETC,Nanjing210007,China)

Because of the rapid change in the battle field, high mobility of the system is required, which means the portable box to load and protect the electronic equipment is required to be lightweight. According to the lightweight requirement, the vacuum assisted resin transfer molding (VARTM) technique is studied and a kind of portable box made of carbon fiber and Kevlar as the reinforced composite material is developed in this paper. The effectiveness and feasibility of this VARTM technique for the portable box with integral shaping method are verified. Due to the advantages of light weight, high intensity, rapid molding, efficient production, low cost and excellent environmental adaptation, this portable box is of high value and has a bright future.

portable box; composite material; vacuum assisted resin transfer molding (VARTM) technique; integral shaping method

2015-04-08

TQ327

A

1008-5300(2015)03-0053-03