VARI工藝在大型曲面復(fù)合材料制件上的工程化應(yīng)用研究

郭紹華，張東致，冉安國(guó)，段正才

（中航飛機(jī)股份有限公司漢中飛機(jī)分公司，陜西 漢中 723213）

VARI工藝在大型曲面復(fù)合材料制件上的工程化應(yīng)用研究

郭紹華，張東致，冉安國(guó)，段正才

（中航飛機(jī)股份有限公司漢中飛機(jī)分公司，陜西 漢中 723213）

對(duì)真空輔助樹(shù)脂傳遞成型（VARI）成型工藝制造大型曲面復(fù)合材料制件的工程化應(yīng)用進(jìn)行了研究，對(duì)其技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)分析。重點(diǎn)指出了注膠口位置和真空管路設(shè)計(jì)、輔助材料的合理鋪放及封裝、樹(shù)脂的脫泡處理等都是直接影響復(fù)合材料制件質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

VARI；復(fù)合材料；工程化應(yīng)用；封裝；樹(shù)脂脫泡

目前，復(fù)合材料制件采用的新工藝、新技術(shù)大都是以低成本和高性能為前提和原則的。降低復(fù)合材料成本一般從降低制造工藝成本和原材料成本這2方面進(jìn)行考慮[1]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，先進(jìn)復(fù)合材料70%左右的成本是其制造工藝成本[1～3]。隨著復(fù)合材料制件用量的不斷增加，目前大量采用的熱壓罐成型工藝成本較高的問(wèn)題愈加突出：一方面使用該工藝實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料制件的整體成型需要較多的工序，很難實(shí)現(xiàn)一步化的整體成型；另一方面受熱壓罐及其配套設(shè)施、預(yù)浸料（包括：制備、低溫貯存、運(yùn)輸和工藝過(guò)程等）等的高投入影響，復(fù)合材料制件的制造成本一直居高不下。高整體性、低成本已成為目前復(fù)合材料的主要研發(fā)方向[4，5]。

在復(fù)合材料的成型工藝中，真空輔助樹(shù)脂傳遞成型（vacuum assisted resin infusion，VARI）工藝是近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一種適合大型復(fù)合材料制件整體成型的低成本制造技術(shù)。與其他傳統(tǒng)成型工藝相比，VARI成型工藝具有以下特點(diǎn)：①該工藝可以結(jié)合縫合、編織等三維編織技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜復(fù)合材料制件的整體成型，不僅減少了緊固件和零件的數(shù)量，而且還降低了緊固件及其配套的成本；②整個(gè)工藝過(guò)程是在真空壓力下進(jìn)行的，不需要熱壓罐施加額外的壓力，不僅節(jié)省了熱壓罐及其配套設(shè)備的投入，制件尺寸還不會(huì)受熱壓罐尺寸的約束，并且制件性能與采用熱壓罐成型工藝的性能相近，特別適用于大尺寸構(gòu)件的成型；③工藝成型周期短，且容易實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料制件的整體性能；④基本上不會(huì)污染環(huán)境[2～10]。

如某大型曲面復(fù)合材料制件，是尺寸較大（面積約4 m×2.2 m）的等厚度（厚度約3.5 mm）薄壁制件。如采用現(xiàn)有熱壓罐成型工藝，制作工藝復(fù)雜而且成本較高。而此制件非常適合采用VARI成型工藝進(jìn)行制造。VARI工藝方法在試驗(yàn)室研究階段已獲成功，但在工程化應(yīng)用上還較少，本研究將VARI工藝用于實(shí)際生產(chǎn)中，成功制造出合格的復(fù)合材料制件，不僅大大降低了生產(chǎn)成本，并且積累了大量工程化應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 VARI成型工藝原理

VARI成型工藝是在真空狀態(tài)下利用真空壓力排除纖維預(yù)成型體中的氣體，實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂的流動(dòng)、滲透，以完成對(duì)纖維預(yù)成型體的浸漬，最后在真空壓力下升溫固化的成型方法， 其 原 理如圖1所 示[6]。

圖1 VARI成型工藝原理示意圖Fig.1 VARI molding process principle diagram

1.2 材料選擇

樹(shù)脂是影響VARI技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要因素。在VARI成型過(guò)程中，要求樹(shù)脂：①具有低黏度，僅借助真空壓力即可在預(yù)成型體中實(shí)現(xiàn)流動(dòng)、濕潤(rùn)和滲透；②室溫下黏度長(zhǎng)時(shí)間保持不變；③固化時(shí)無(wú)需額外壓力[3,10～12]。本研究選用3組分的壓注成型的3266環(huán)氧樹(shù)脂，預(yù)成型體采用多軸向經(jīng)編非屈曲織物S-OCT1760，該織物未經(jīng)過(guò)編織，僅對(duì)Z向進(jìn)行縫合，可減少樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)程中的阻力。輔助材料中的流動(dòng)介質(zhì)則選擇使用導(dǎo)流網(wǎng)，取代在模具上制作的導(dǎo)流槽，不僅簡(jiǎn)化了模具的設(shè)計(jì)與制造，而且由于導(dǎo)流網(wǎng)的網(wǎng)格分布均勻，能有效減少制件干斑的產(chǎn)生，從而提高了制件質(zhì)量。復(fù)合材料制件所用材料（主輔材料）如表1所示。

表1 產(chǎn)品材料及主要輔助材料表Tab.1 List of product materials and main assisted materials

1.3 設(shè)備

復(fù)合材料制件成型主要設(shè)備及成型工裝有：LGL-1型加溫固化爐（溫度均勻性為±5℃）；LC-XD-020型真空泵（真空度不低于-0.095 MPa）；AGS-5000N型電子拉力試驗(yàn)機(jī)；XP504型電子分析天平；D64型馬弗爐等，以及復(fù)合材料制件專用成型凹模。

2 VARI成型制件的過(guò)程要點(diǎn)分析

2.1 注膠口位置及真空管路設(shè)計(jì)

樹(shù)脂的注射方式?jīng)Q定著樹(shù)脂的滲透模式和樹(shù)脂充模滲透時(shí)間[13]。據(jù)研究，一般采用四周注膠口的注膠方法比中間注膠口的方法其滲透效果更好[14]。為此，根據(jù)制件的外形選擇，在制件時(shí)一邊注膠、另一邊真空抽氣，在真空壓力下，可以約束樹(shù)脂的流動(dòng)和滲透方向。在樹(shù)脂的流動(dòng)和滲透過(guò)程中，毛細(xì)作用可使樹(shù)脂沿纖維長(zhǎng)度方向地流動(dòng)更快，這也使得沿纖維方向的樹(shù)脂滲透率增大[15]。這種管路的設(shè)計(jì)造成樹(shù)脂滲透路徑和濕潤(rùn)時(shí)間變得相對(duì)最短、滲透率更高。注膠及抽真空管路示意圖（平面圖）如圖2所示。

2.2 纖維預(yù)制體的封裝

纖維預(yù)制體在鋪放時(shí)不允許纖維皺折、屈曲與架橋。本研究在實(shí)施中增加了一道真空壓實(shí)工序，此舉一方面可以減小纖維的回彈變形、使纖維預(yù)制體盡量平整、保證膠液滲透順暢、降低制件的厚度以及提高制件的纖維體積分?jǐn)?shù)[4]；另一方面可以排除纖維間的空氣和潮氣、降低孔隙率。封裝的具體步驟為：①在纖維預(yù)制體上依次鋪放剝離布、脫模布，使其完全覆蓋于鋪放好的纖維預(yù)制體之上；②導(dǎo)流網(wǎng)鋪放；③注膠管路的鋪放是在注膠管上均勻合理地設(shè)置多個(gè)小口使樹(shù)脂注入均勻；④單向透氣織物鋪放需覆蓋以上各層材料，并用密封膠帶將單向透氣織物四周密封；⑤抽氣管路的鋪放是在抽氣管路中間位置上布置抽氣口，抽氣口與固化爐的真空管路連接；⑥真空袋封裝。纖維預(yù)制體各輔助材料鋪放順序如圖3所示。

圖2 注膠及抽真空管路布置示意圖（平面圖）Fig.2 Layout diagram of injecting and vacuum pumping line（planar graph）

圖3 纖維預(yù)制體各材料鋪放順序示意圖Fig.3 Laying sequence diagram of each material of fibre prefabricated body

2.3 樹(shù)脂脫泡處理

用VARI工藝制備孔隙率較低的產(chǎn)品，其樹(shù)脂真空脫泡處理較為關(guān)鍵。樹(shù)脂脫泡要求注入纖維預(yù)制體中的樹(shù)脂無(wú)可見(jiàn)氣泡，減少孔隙的產(chǎn)生[17，18]。本研究所用的膠液中未使用任何溶劑，也沒(méi)有使用脫泡劑，而是采用加溫并抽真空的方法。其原理是，當(dāng)溫度升高時(shí)，膠液中的氣泡體積變大，浮力不斷增加，保溫并抽真空后，氣泡會(huì)快速浮出液面、破裂并放出氣體。

2.4 注膠并固化成型

樹(shù)脂配膠及脫泡后，將圖3中的纖維預(yù)制體放入固化爐中于45 ℃下進(jìn)行預(yù)熱并注膠，注膠結(jié)束保持真空壓力并關(guān)閉注膠系統(tǒng)。固化程序?yàn)椋?0 ℃/2 h+140 ℃/（2～3）h，冷卻至室溫后，脫模清理。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 制件外觀

制件脫模清理后在光亮處觀察，制得的制件表面光潔，纖維織物被樹(shù)脂均勻濕潤(rùn)，未出現(xiàn)干斑缺陷，無(wú)明顯可見(jiàn)的富樹(shù)脂區(qū)和貧樹(shù)脂區(qū)，內(nèi)部無(wú)可見(jiàn)夾雜物。經(jīng)測(cè)量，制件及隨爐件的厚度均勻，誤差在理論范圍之內(nèi)。

3.2 隨爐件彎曲強(qiáng)度測(cè)試及樹(shù)脂含量測(cè)試

在隨爐件的注膠口一側(cè)（標(biāo)記為ZJ）、中心位置（標(biāo)記為ZX）和排膠口一側(cè)（標(biāo)記為PJ）各裁制彎曲試樣、樹(shù)脂含量測(cè)試試樣。隨爐件彎曲強(qiáng)度按照GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示；樹(shù)脂含量測(cè)試按照GB/T 2577—2005《玻璃纖維增強(qiáng)塑料樹(shù)脂含量試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，用燒失法進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

由表2和表3的測(cè)試結(jié)果可知：隨爐件具有較高的彎曲強(qiáng)度，平均值為529.98 MPa，隨爐件不同區(qū)域的樹(shù)脂含量從注膠口到中心位置再到排膠口，其降低趨勢(shì)極小，總體比較均勻。從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，隨爐件注膠區(qū)域試樣的彎曲強(qiáng)度較其他區(qū)域偏低，經(jīng)分析可能是注膠區(qū)域樹(shù)脂含量偏高、且3266的脆性較大從而導(dǎo)致彎曲強(qiáng)度偏低所致。樹(shù)脂基復(fù)合材料性能研究[J].熱固性樹(shù)脂,2013,28(5):56-59.

表2 隨爐件不同區(qū)域彎曲強(qiáng)度Tab.2 Bending strength of procession control panel in different regions

表3 隨爐件不同區(qū)域樹(shù)脂含量Tab.3 Resin content of procession control panel in different regions

4 結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)對(duì)VARI工藝成型大型曲面復(fù)合材料制件進(jìn)行的工程化試驗(yàn)結(jié)果表明，制得的制件能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，外觀質(zhì)量良好，彎曲強(qiáng)度較高，樹(shù)脂含量比較均勻，其制造成本遠(yuǎn)低于熱壓罐成型工藝。

（2）本研究提出的注膠口位置及真空管路設(shè)計(jì)、輔助材料的合理鋪放及封裝、樹(shù)脂的脫泡處理等工藝，能夠保證大型曲面復(fù)合材料制件的成功率。

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Abstract：The article introduced the engineering application of vacuum assisted resin infusion (VARI ) molding process in the manufacturing of the large curve-surface composite parts, and emphasized the technical essentials of VARI molding process. The paper mainly pointed out that the position of glue injection port, the design of vacuum pipeline, the reasonably laying and package of assisted materials and the defoaming treatment of resin are all the main factors to effect the quality of composite parts directly.

Key words：VARI; composite material; engineering application; package; resin defoaming

Engineering application of VARI process in manufacturing of large curve-surface composite parts

GUO Shao-hua, ZHANG Dong-zhi, RAN An-guo, DUAN Zheng-cai
(AVIC Hanzhong Aircraft Branch Co., Ltd., Hanzhong, Shaanxi 713213, China)

TQ050.4+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2017）08-0064-04

2017-03-11

郭紹華（1978-），女，高級(jí)工程師，主要從事復(fù)合材料構(gòu)件制造方面的工作。E-mail：shaohuasac@sohu.com。