真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝研究進展

雷蕊英，季三飛，譚王景，齊鍇亮

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院電氣工程學院，陜西咸陽，712000)

碳纖維增強復合材料作為輕型結(jié)構(gòu)材料在航空航天、海洋和民用工業(yè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用[1]，目前，在航空航天工業(yè)中應(yīng)用的碳纖維增強復合材料主要使用高壓釜工藝制備，以確保碳纖維增強復合材料結(jié)構(gòu)具有高質(zhì)量和優(yōu)異的力學性能，然而高壓釜制備碳纖維增強復合材料的制造成本高，需要大量的惰性氣體、電力和高壓設(shè)備。近年來，非高壓釜工藝被廣泛應(yīng)用于開發(fā)低成本的制造工藝。其中真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)工藝具有明顯降低成本，可一步浸滲成型帶有夾芯、加筋或預埋件的大型構(gòu)件，模具質(zhì)量輕、成本低，環(huán)保友好等顯著優(yōu)點[2]。

近年來，VARTM工藝廣泛應(yīng)用于大型復雜形狀的復合材料結(jié)構(gòu)的制造，如船殼、風力渦輪機葉片和各種航空零部件[3-4]。它是在簡單光滑的剛性模板上鋪放纖維增強體，在真空壓力下推動樹脂流入模具中并完全浸潤纖維進行成型，同時在充填過程中將模具型腔中的氣體排出，然后將模具放在一定的溫度下固化成型。然而，VARTM工藝有多種缺點，比如：(1)充型過程中浸漬速度低，導致循環(huán)時間長；(2)成品零件中可能存在高孔隙率；(3)纖維壓實壓力不均勻且有限，導致層壓板空間性能變化；(4)纖維體積含量較樹脂傳遞模塑成型(RTM)和高壓釜成型低；(5)在真空袋面有較高的表面粗糙度。

高質(zhì)量的VARTM工藝復合材料層壓板具有較高的力學性能和較低的孔隙率[5]，關(guān)于該工藝的研究越來越成為研究的熱點。筆者介紹了近幾年對于VARTM工藝的最新研究進展及應(yīng)用情況。

1 VARTM工藝用樹脂

在VARTM工藝中，對于樹脂基體有較高的要求：低黏度，在室溫下黏度長時間保持不變，固化時不需要額外加壓，具有良好的韌性和可加工性。目前國內(nèi)外針對VARTM工藝開發(fā)了一系列樹脂基體。

G. Ben等[6]以可原位聚合的ε-己內(nèi)酰胺為基體，分別采用VARTM工藝和熱壓成型方法制備碳纖維增強復合材料，結(jié)果表明，相比熱壓工藝，在VARTM工藝中直接使用ε-己內(nèi)酰胺，由于沒有冷卻過程，節(jié)省了加工時間和能源，同時制備的碳纖維增強熱塑性復合材料的彎曲強度較大。

玻璃纖維增強聚氨酯復合材料通常采用拉擠成型工藝制造，然而拉擠工藝僅限于制造等截面的復合材料零件。在VARTM工藝中使用聚氨酯樹脂面臨新的挑戰(zhàn)，要求聚氨酯樹脂長時間保持一個相對穩(wěn)定的低黏度，此外，聚氨酯樹脂體系中的異氰酸酯對水分敏感，容易起泡。M. Mohamed等[7]制備了玻璃纖維增強聚氨酯復合材料，使用新型熱固性單組分聚氨酯樹脂體系，省去了樹脂制備過程中各組分的混合過程，從而降低了VARTM成型過程中氣泡的產(chǎn)生機會，減少了脫氣時間，通過拉伸、彎曲和低速沖擊試驗對聚氨酯復合材料的性能進行測試，其拉伸強度為309.06 MPa，拉伸彈性模量為21.43 GP，彎曲強度為618.88 MPa，彎曲彈性模量為17.1 GPa，在10 J的低速沖擊下，層合板在沖擊一側(cè)有輕微的可見損傷，在20 J的沖擊下，層合板的背面出現(xiàn)裂紋。

Dai Jinyue等[8]合成了一系列適用于VARTM的苯并噁嗪類低聚物，通過差示掃描量熱法、傅立葉紅外光譜和流變性能測試對其性能進行研究。結(jié)果表明，低聚物在60～190℃范圍內(nèi)黏度穩(wěn)定在1 Pa·s以下，即使在120℃等溫加熱2 h后，其黏度仍保持在1 Pa·s左右。表明其優(yōu)異的加工性和VARTM技術(shù)的適用性。固化后的樹脂具有良好的熱力學性能，疏水性好，吸濕性極低，基于低聚物的綜合性能，可作為傳統(tǒng)VARTM樹脂的稀釋劑或增韌劑。

在VARTM工藝中，黏度是選用樹脂的一個重要指標，必須確保樹脂在真空負壓的作用下以合適的速度流動并浸潤纖維。傳統(tǒng)酚醛樹脂的本體黏度較高，通常需要加入溶劑以降低黏度，會導致固化成型時釋放大量小分子，因此不適宜直接用VARTM成型。田謀鋒等[9]采用雙阿累尼烏斯模型，研究了牌號為Z615101酚醛樹脂的非等溫黏度特性和等溫黏度特性，并建立了等溫黏度模型，結(jié)果表明，在75℃下，樹脂黏度為500 mPa·s，適用期為2 h，適用于VARTM工藝。王寶春等[10]研究了乙烯基酯樹脂(SW905-N)體系中溫度、稀釋劑對樹脂黏度的影響，通過對樹脂流動性的研究表明，該樹脂體系在玻纖織物中具有較好的流動速率，能夠有效浸潤纖維織物。

2 VARTM工藝改進研究

M. A. Yalcinkaya等[11]對傳統(tǒng)的VARTM工藝進行了改進，用螺栓在模具頂部固定一個壓力室，通過外部加壓增加真空袋的壓實壓力，制得高質(zhì)量的復合材料層合板，其孔隙率小于1%，纖維的體積分數(shù)提高了25%，層合板的彎曲強度提高了13%。實驗結(jié)果表明，通過在加熱模具的外面施加壓力提高了纖維的體積分數(shù)，同時提高了層合板的力學性能，說明加壓VARTM在制造高質(zhì)量復合材料方面具有很大的潛力。

在磁鐵輔助復合材料制造(MACM)工藝中，復合材料放置于磁性工具模具和一組能夠產(chǎn)生足夠高的固結(jié)壓力的磁鐵之間。M. Amirkhosravi[12]等結(jié)合MACM工藝，研究了永磁體在VARTM工藝中的有效性。采用VARTM制備層合板時，樹脂灌注前后分別在真空袋上放置永磁體。結(jié)果表明，這種永磁體具有相當好的優(yōu)點，顯著改善了表面質(zhì)量，減少了層合板厚度，并將纖維體積分數(shù)提高到50%以上。制備的6層、12層環(huán)氧樹脂／e-玻璃復合材料層合板的彎曲強度分別提高了28%和23%，彎曲彈性模量也分別提高了41%和34%。由于織物的滲透性降低，在注射前使用磁鐵會增加填充時間，制得的層合板孔隙率降到1%以下。

M. A. Yalcinkaya等[13]利用加熱VARTM工藝，采用施加外壓和樹脂沖洗相結(jié)合的方法，制備的層合板孔隙率可由最初的2.4%降到0.86%，孔隙空間分布更均勻，外壓壓實程度越高，纖維含量可高達62%。研究表明，施加外部壓力可減小層合板的孔洞尺寸，而樹脂沖洗有助于去除層合板中的孔洞，此外，采用沖洗法和外壓法制備的層合板的彎曲強度和彎曲彈性模量均有較大提高。因此，將樹脂沖洗與外部加壓相結(jié)合是提高層合板質(zhì)量較為有效的方法之一。

T. Yokozeki等[14]將一種具有定型和真空功能的多孔模塑工藝(PMP)與VARTM工藝相結(jié)合，提出了一種碳纖維增強熱塑性復合材料制備中樹脂含量的控制方法，樹脂從入口進入，不流出，這意味著注入的樹脂含量與從入口供應(yīng)的樹脂含量相同，很容易控制。研究的目的是通過樹脂注射過程中厚度的變化來控制樹脂含量，從而控制固化復合材料的性能。通過控制厚度變化比(真空下無樹脂的纖維疊層厚度與樹脂浸漬的纖維疊層厚度比值)得到不同厚度的制件，對制件的性能研究結(jié)果表明，纖維體積分數(shù)隨厚度變化比的減小而增大。在全樹脂灌注實驗中，注射后沒有關(guān)閉入口，最終的纖維體積分數(shù)被限制在50%左右，在本實驗中體積分數(shù)可以提高到60%，隨著厚度變化比的減小，彎曲彈性模量略有增加。說明通過樹脂注射控制方法可以對材料的性能進行預先控制。

傳統(tǒng)VARTM工藝不使用覆蓋模具，Chen Dingding等[15]對使用不同剛性覆蓋模具的工藝進行了探索，以提高產(chǎn)品中的纖維體積分數(shù)。結(jié)果表明，使用蓋板有三個優(yōu)點：首先，在充填階段，剛性蓋板可以防止樹脂流動前沿部位的收縮，使樹脂更容易流動，從而縮短完成注射所需的時間；其次，蓋板可以限制過量的樹脂留在已完全浸潤樹脂的部位；最后，在充填后期，蓋板可以加速擠出多余的樹脂。由于這些影響，改進的VARTM工藝可以得到更高纖維體積分數(shù)的產(chǎn)品。

P. Ghabezi等[16]以玻璃纖維和環(huán)氧樹脂為原料，采用不同比例的納米氧化鋁顆粒制備復合材料制品，研究了不同粒度納米顆粒的加入對VARTM成型填充時間的影響。結(jié)果表明，納米顆粒的增加會延長充填時間，而充填時間的延長是由流體黏度的增加引起的。添加納米粒子存在一個最佳質(zhì)量分數(shù)，防止填充時間顯著增加，該最佳質(zhì)量分數(shù)為3%。

Chang Chih-Yuan[17]采用有限差分法對VARTM充填過程進行分析，通過數(shù)值計算，為優(yōu)化VARTM工藝提供了依據(jù)，減少了VARTM工藝制備復合材料制件的填充時間，同時減少了樹脂的浪費。他們將稍過量的樹脂注入到預成型體中，在將樹脂灌注完之后密封入口，直到樹脂完全填滿預成型體，最后，將進口變成真空出口，過量的樹脂通過出口被除去。與傳統(tǒng)方案相比，這一方案的總填充時間減少了60.6%，樹脂的浪費減少了67.4%。

S. Yoon等[18]采用VARTM工藝，分別采用普通裝置(OS)和壓實裝置(CS)制備碳纖維增強復合材料并對其力學性能進行了研究。結(jié)果表明，OS試樣的樹脂層較厚，樹脂含量較高，平均斷裂韌性較大，失效過程中發(fā)生層間斷裂，裂紋沿樹脂層生長蔓延，纖維拉出量少。而CS試樣中在樹脂浸漬階段纖維束周圍宏觀尺度孔洞的形成增強，試樣容易發(fā)生層間斷裂，裂紋擴展和纖維拉出比較明顯，但是由于纖維含量的增加，彎曲強度相比OS試樣提高了16.31 MPa。

采用VARTM工藝很難制造出尺寸公差小的復合材料，T. Gajjar等[19]用非接觸式3D掃描技術(shù)確定了不同厚度層合板的翹曲度，同時確定了不同厚度層合板的厚度、壓力和體積分數(shù)隨長度的變化。結(jié)果表明，翹曲值隨著層合板厚度的增加而減小。隨著樹脂入口到樹脂出口位置距離的增加，厚度偏差隨長度的增大而減小。壓實壓力在樹脂進口處最小，在樹脂出口處最大。體積分數(shù)隨著構(gòu)件厚度的減小和構(gòu)件長度的增加而增大。Wang Changchun等[20]設(shè)計了一種測試裝置用于檢測VARTM過程中預成型體的樹脂流動效應(yīng)和厚度變化，結(jié)果表明，隨著層數(shù)的增加，層間滲透率降低，20層的滲透率約為1層的62%，預成型體厚度受液體黏度和最終填充時間的影響。

纖維預成型材料的壓實壓力是VARTM中最關(guān)鍵的參數(shù)之一，它對預成型材料的滲透性、充型時間和最終復合材料的厚度有重要影響。M. Yalcinkaya等[21]通過控制真空袋在充型過程中及充型后的壓實壓力，實現(xiàn)快速壓實，提高了層合板的纖維體積分數(shù)。結(jié)果表明，動態(tài)壓力控制有以下作用：(1)能夠控制織物滲透率和樹脂的分布速度，減少模具填充時間；(2)通過減小層合板的厚度變化，改善層合板尺寸的一致性；(3)通過外部壓力去除多余樹脂，對預成型體進一步定型，從而提高了纖維體積分數(shù)。該工藝最突出的特點是通過施加外部壓力將樹脂從進氣道中去除，從而使層合板的厚度變化從15%降到1%。與傳統(tǒng)VARTM相比，模具填充時間減少48%，同時纖維體積分數(shù)高達64%，孔隙率低于1%。

于然等[22]在VARTM工藝基礎(chǔ)上，通過在真空袋上方附加真空室，這種真空室通常由一塊平板和泡沫橡膠組成，其中平板上加工兩個開口，用于放置真空傳感器和真空源。結(jié)果表明，在真空室的作用下樹脂流動更快，對纖維的滲透率更好，而且成型試樣的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度均有明顯提高，當附加真空室的壓力為40 kPa時，拉伸強度達到456.12 MPa，相比無真空室同等工藝成型下的強度提高了146.19 MPa；當真空室壓力為30 kPa時，彎曲強度為737.45 MPa，提高了105.28 MPa；當真空室壓力為100 kPa時，沖擊強度為312.34 kJ／m2，增加了45.28 kJ／m2。

3 VARTM工藝樹脂流動模擬

VARTM工藝具備很多優(yōu)勢，但同時對其工藝充模方案的設(shè)計、工藝參數(shù)的選取難度較大，為了縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，國內(nèi)外許多學者采用模擬的方法來優(yōu)化VARTM工藝，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

R. Matsuzaki等[23]采用目視觀測和隨機數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了VARTM中樹脂流動數(shù)值模擬問題。通過對線性流場的綜合實驗研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的異步集成平方根濾波器相比，采用四維異步集成平方根濾波器和隨機數(shù)值模擬方法對樹脂浸漬行為的估計精度有所提高，同時預估了滲透率。

Geng Yi等[24]研究了VARTM工藝中樹脂在曲面板上的浸漬行為。由于預成型變形和彎曲板中空氣通道的相互作用，模具中的彎曲區(qū)域會使樹脂填充時間增加15%～30%。他們提出了一種計算壓力損失系數(shù)和整體滲透率變化的分析方法，該分析方法無需對織物變形進行表征，而能夠有效預測樹脂在彎曲模具中的流動過程。此外，利用液體注射成型模擬(LIMS)對不同彎曲角度的彎曲板上樹脂的流動過程進行了一系列數(shù)值模擬，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致。

隨著綠色能源的日益重視，風力發(fā)電機組的葉片尺寸不斷增大，由于在這種大尺寸復合材料制品的生產(chǎn)過程中，不可能對注射過程進行可視化檢查，因此需要一種檢測過程的傳感器系統(tǒng)，M. Nauheimer等[25]提出了一種基于隨機微分方程的灰盒模型，將其用來模擬VARTM成型過程中樹脂流場前沿的動力學，近似估計環(huán)氧樹脂的流動前沿變化過程，對于設(shè)計用于控制VARTM過程中模具內(nèi)環(huán)氧樹脂流動的監(jiān)測系統(tǒng)有很大幫助。

由于VARTM工藝中涉及到大量的物理現(xiàn)象，特別是樹脂流動與預成型壓縮系數(shù)之間的強耦合，即液壓耦合，使得該過程的模擬十分復雜。此外，分布介質(zhì)的使用涉及兩種類型的流動：平面流動和橫向流動，這類流動的模擬過程不能采用二維模型，三維模型需要大量的計算時間。R. Loudad等[26]提出了多層預成型注射過程的數(shù)值模擬方法，提出了一種考慮液壓耦合以及流體沿平面和厚度方向流動共存的VARTM建模方法。通過具體試驗對此模型進行了驗證，得到了滿意的結(jié)果。對滲透率的研究表明，分布介質(zhì)平面滲透率對流場前沿速率的確定起著最主要的作用，預制體的橫向滲透率決定了分布介質(zhì)中流動前沿位置與預制體中流動前沿位置之間的間隙。

在VARTM中，通常使用柔性袋作為上半部分模具，在這種情況下，織物在浸漬過程中會發(fā)生變形，因為預成型體內(nèi)部的樹脂壓力發(fā)生了變化，導致加固厚度、孔隙率和滲透率不斷變化，據(jù)此，F(xiàn). Rubino等[27]提出了一種合適的方法來模擬樹脂流動，該方法將模擬纖維預成型壓實的分析模型與樹脂流動的數(shù)值模型相結(jié)合。結(jié)果表明，預成型壓實對樹脂流動和填充時間有顯著影響，特別是預成型體的可塑性越高，完成浸漬所需的時間就越長。

葉喬丹[28]設(shè)計了復合材料風電葉片中主梁帽的VARTM工藝，并對其樹脂填充進行實驗驗證，研究表明，VARTM成型過程中的注膠管道可以設(shè)置在表面中間，從而提高充模效率。王科等[29]研究了VARTM工藝制備縫合泡沫夾芯復合材料過程中樹脂在預成型體中的流動浸潤，利用“條狀模型”對縫合泡沫夾芯結(jié)構(gòu)預成型體整體建模，并建立了流動可視化實驗裝置進行驗證，結(jié)果表明，數(shù)值模擬與實驗結(jié)果吻合度較好，比較準確地模擬出樹脂的流動行為。

余松標[30]通過有限元法，依據(jù)Fluent對VARTM工藝中樹脂固化過程進行模擬，得到不同固化時間下層合板的溫度分布圖，通過對比溫度變化，得到溫度相差最大位置是層合板的中心和四周的位置。這是因為內(nèi)部樹脂發(fā)生反應(yīng)，放出的熱量不能及時散去，致使內(nèi)部溫度升高。

4 VARTM工藝的應(yīng)用

Yu Qiyong等[31]設(shè)計了一種簡單的VARTM過程，并將其用于制備多孔聚苯乙烯(EPS)填充的蜂窩狀復合泡沫塑料。該方法成功地避免了由于原料密度的不同而對EPS微球產(chǎn)生浮力的影響。在沒有任何特殊處理的情況下，空心玻璃微珠(HGMs)和EPS在高體積分數(shù)的復合泡沫中成功地均勻分布。復合泡沫塑料中EPS微球收縮后形成的球形空心結(jié)構(gòu)既能有效地降低泡沫塑料的密度，又能防止裂紋的擴展，平均壓縮強度由3.6 MPa提高到9.3 MPa。為低密度復合泡沫塑料的制備提供了一種優(yōu)化方法。

為改善聚氯乙烯泡沫芯與玻纖復合材料板的界面結(jié)合，提高夾芯結(jié)構(gòu)的力學性能，可以通過在面-芯界面上插入短切纖維，然而無法直接制備出具有短切纖維增韌界面的夾芯板，也難以控制穩(wěn)定性。Chen Qihui等[32]采用VARTM技術(shù)，制備了短切纖維界面增強的復合夾層結(jié)構(gòu)。將短切纖維加到聚氯乙烯夾芯泡沫結(jié)構(gòu)中，VARTM工藝可以穩(wěn)定控制夾芯板的纖維含量，減少局部缺陷。在澆注過程中，壓力將短切纖維壓入泡沫表面的空腔中，保證短切纖維足夠潤濕，在面板與聚氯乙烯泡沫芯之間形成牢固的橋接結(jié)構(gòu)。

波蘭的基礎(chǔ)設(shè)施承包商Mostostal Warszawa公司提出了典型纖維增強復合材料人行橋組合梁-橋面結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新思路。T. Siwowski等[33]對現(xiàn)有纖維增強復合材料人行橋進行綜合調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用VARTM工藝制備了纖維增強復合材料主梁結(jié)構(gòu)，并對大型原型梁的實際剛度、極限強度和破壞模式進行了室內(nèi)綜合靜力試驗研究，為纖維增強復合材料主梁在人行橋中的應(yīng)用提供了很好的前景。

在航空航天領(lǐng)域[34-35]，美國先進戰(zhàn)斗機F-22首次使用VARTM工藝制備零件，每架飛機上所用到VARTM工藝的零件不低于360件?？湛凸続400M大型運輸機的貨艙門蒙皮內(nèi)表面，采用16根長桁對其進行加強，使得貨艙門減重效果明顯，空客對這種工藝申請了真空輔助工藝(VAP)技術(shù)專利，實際上與VARTM工藝類似。中航復材公司應(yīng)用VARTM工藝完成了民機襟翼典型結(jié)構(gòu)件的整體成型。

VARTM工藝現(xiàn)在也是船舶運輸和風能葉片行業(yè)的研究熱點[36-38]，英國VT公司利用VARTM工藝生產(chǎn)出救生艇船體，以及掃雷艦艇的上層建筑用結(jié)構(gòu)制件。美國DD21驅(qū)逐艦通過VARTM工藝實現(xiàn)對泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的樹脂浸潤，并將這種夾芯結(jié)構(gòu)作為艦船殼體。中復連眾制造公司通過技術(shù)創(chuàng)新，利用VARTM技術(shù)成功生產(chǎn)高性能的兆瓦級風電葉片，寶達船舶公司利用VARTM技術(shù)制造出高速水翼船，在提高性能的同時降低了成本。

5 結(jié)語

VARTM工藝作為一種低成本生產(chǎn)大型復合材料的成型技術(shù)，已得到廣泛應(yīng)用，但是它也有諸多局限，對于力學性能要求高、尺寸公差小、孔隙率低的制件，VARTM技術(shù)很少被使用。但隨著VARTM工藝通過施加外壓、加熱等工藝的不斷改進優(yōu)化，制件預成型技術(shù)、澆注仿真技術(shù)、智能監(jiān)測系統(tǒng)等配套技術(shù)的升級發(fā)展，纖維體積含量、層壓板尺寸的一致性、制件力學性能等指標將進一步提升，使得VARTM工藝在大尺寸承力結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用具有良好的前景。