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真空輔助樹脂灌注成型工藝及應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2020-03-25 11:17:50 點(diǎn)擊率：
真空輔助樹脂灌注成型工藝(VacuumAssisted Resin Infusion Molding)簡稱VARIM工藝，是在RTM(Resin Transfer Molding)工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高性能、低成本的復(fù)合材料成型工藝。自80年代末開發(fā)出來，VARIM工藝作為一種新型的液體模塑成型技術(shù)(Liquid Composite Molding，簡稱LCM)，得到了航空航天、國防工程、船舶工業(yè)、能源工業(yè)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)工程等應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛重視，并被美國實(shí)施的低成本復(fù)合材料計(jì)劃(Composite AffordabilityInitiative，簡稱CAI)作為一項(xiàng)關(guān)鍵低成本制造技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用。
如圖1所示，VARIM工藝的基本原理是在真空負(fù)壓條件下，利用樹脂的流動(dòng)和滲透實(shí)現(xiàn)對(duì)密閉模腔內(nèi)的纖維織物增強(qiáng)材料的浸漬，然后固化成型。
VARIM工藝的基本流程包括：
(a) 準(zhǔn)備階段。包括單面剛性模具的設(shè)計(jì)和加工、模具表面的清理和涂覆脫模劑、增強(qiáng)材料(纖維織物、預(yù)成型件、芯材等)和真空輔助介質(zhì)(脫模介質(zhì)、高滲透導(dǎo)流介質(zhì)、導(dǎo)氣介質(zhì)等)的準(zhǔn)備等。
(b) 鋪層階段。在單面剛性模具上依次鋪設(shè)增強(qiáng)材料、脫模布、剝離層介質(zhì)、高滲透導(dǎo)流介質(zhì)、樹脂灌注管道、真空導(dǎo)氣管道等。
(c) 密封階段。用密封膠帶將增強(qiáng)材料及真空輔助介質(zhì)密封在彈性真空袋膜內(nèi)，并抽真空，保證密閉模腔達(dá)到預(yù)定的真空度。
(d) 灌注階段。在真空負(fù)壓下，將樹脂膠液通過樹脂灌注管道導(dǎo)入到密閉模腔內(nèi)，并充分浸漬增強(qiáng)材料。
(e) 固化階段。繼續(xù)維持較高的真空度，在室溫或加熱條件下液體樹脂發(fā)生固化交聯(lián)反應(yīng)，得到產(chǎn)品預(yù)成型坯。
(f) 后處理階段。包括清理真空袋膜、導(dǎo)流介質(zhì)、剝離層介質(zhì)、脫模布等真空輔助介質(zhì)和脫模修整等，終得到制品。
真空輔助樹脂灌注成型工藝(VacuumAssisted Resin Infusion Molding)簡稱VARIM工藝，是在RTM(Resin Transfer Molding)工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高性能、低成本的復(fù)合材料成型工藝。自80年代末開發(fā)出來，VARIM工藝作為一種新型的液體模塑成型技術(shù)(Liquid Composite Molding，簡稱LCM)，得到了航空航天、國防工程、船舶工業(yè)、能源工業(yè)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)工程等應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛重視，并被美國實(shí)施的低成本復(fù)合材料計(jì)劃(Composite AffordabilityInitiative，簡稱CAI)作為一項(xiàng)關(guān)鍵低成本制造技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用。
如圖1所示，VARIM工藝的基本原理是在真空負(fù)壓條件下，利用樹脂的流動(dòng)和滲透實(shí)現(xiàn)對(duì)密閉模腔內(nèi)的纖維織物增強(qiáng)材料的浸漬，然后固化成型。
VARIM工藝的基本流程包括：
(a) 準(zhǔn)備階段。包括單面剛性模具的設(shè)計(jì)和加工、模具表面的清理和涂覆脫模劑、增強(qiáng)材料(纖維織物、預(yù)成型件、芯材等)和真空輔助介質(zhì)(脫模介質(zhì)、高滲透導(dǎo)流介質(zhì)、導(dǎo)氣介質(zhì)等)的準(zhǔn)備等。
(b) 鋪層階段。在單面剛性模具上依次鋪設(shè)增強(qiáng)材料、脫模布、剝離層介質(zhì)、高滲透導(dǎo)流介質(zhì)、樹脂灌注管道、真空導(dǎo)氣管道等。
(c) 密封階段。用密封膠帶將增強(qiáng)材料及真空輔助介質(zhì)密封在彈性真空袋膜內(nèi)，并抽真空，保證密閉模腔達(dá)到預(yù)定的真空度。
(d) 灌注階段。在真空負(fù)壓下，將樹脂膠液通過樹脂灌注管道導(dǎo)入到密閉模腔內(nèi)，并充分浸漬增強(qiáng)材料。
(e) 固化階段。繼續(xù)維持較高的真空度，在室溫或加熱條件下液體樹脂發(fā)生固化交聯(lián)反應(yīng)，得到產(chǎn)品預(yù)成型坯。
(f) 后處理階段。包括清理真空袋膜、導(dǎo)流介質(zhì)、剝離層介質(zhì)、脫模布等真空輔助介質(zhì)和脫模修整等，終得到制品。
真空輔助模塑成型(VARIM)工藝中，樹脂的宏觀流動(dòng)和微觀流動(dòng)示意圖[6]
局部“包氣”現(xiàn)象的產(chǎn)生是因?yàn)闃渲暮暧^流動(dòng)和微觀流動(dòng)不一致，其中宏觀流動(dòng)前緣的流速與灌注壓力梯度有關(guān)，灌注壓力梯度越大，宏觀流動(dòng)越快；而微觀流動(dòng)前緣的流速與纖維單絲之間的毛細(xì)管作用力有關(guān)，毛細(xì)管作用力越大，微觀流動(dòng)越快。因此，如圖3(a)所示，當(dāng)灌注壓力梯度小于毛細(xì)管作用力時(shí)，樹脂微觀流動(dòng)前緣的流速就會(huì)大于宏觀流動(dòng)前緣的流速，此時(shí)纖維束內(nèi)部的樹脂發(fā)生橫向滲透，而將纖維束空隙之間的殘余氣體包裹，形成大氣泡；相反，如圖3(b)所示，當(dāng)灌注壓力梯度大于毛細(xì)管作用力時(shí)，樹脂宏觀流動(dòng)前緣的流速就會(huì)大于微觀流動(dòng)前緣的流速，此時(shí)纖維束之間空隙的樹脂就會(huì)向纖維束內(nèi)部發(fā)生橫向滲透，而在纖維束內(nèi)部形成小氣泡。為了減少及避免局部“包氣”現(xiàn)象的產(chǎn)生，通常需要預(yù)先抽真空并在設(shè)定的真空度維持一定的時(shí)間，從而盡可能的排除密閉模腔內(nèi)的空氣，同時(shí)適宜將樹脂灌注流道設(shè)計(jì)成樹脂沿著纖維織物垂直(90°)方向流動(dòng)，而不是如圖3和圖4所示的樹脂沿著纖維織物平行(0°)方向流動(dòng)。
真空輔助模塑成型(VARIM)工藝中，氣泡和白斑缺陷形成的示意圖[6]
1.1.干斑和干區(qū)
在VARIM工藝中，樹脂在纖維束之間的流動(dòng)速度不一致，如果樹脂灌注流道或纖維織物鋪層設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)導(dǎo)致“流道效應(yīng)”或“短路效應(yīng)”的發(fā)生，樹脂在低阻力區(qū)域的流動(dòng)速度將會(huì)顯著大于高阻力區(qū)域的流動(dòng)速度，高達(dá)10~100倍，從而樹脂將主要在低阻力區(qū)域內(nèi)發(fā)生流動(dòng)和滲透，使得高阻力區(qū)域內(nèi)的纖維織物不能充分浸漬甚至完全未浸漬，制件在宏觀上表現(xiàn)出干斑和干區(qū)的不良現(xiàn)象。纖維織物與樹脂之間的浸潤性匹配不良、纖維織物局部結(jié)構(gòu)松散或過于緊密或扭曲變形、夾心芯材與纖維織物之間的空隙過大等原因都可能會(huì)造成制件出現(xiàn)干斑和干區(qū)的不良現(xiàn)象。
1.2.褶皺和翹曲
在鋪層階段，如果纖維織物沒有鋪設(shè)緊密和平整，樹脂在灌注過程中就有可能擠壓甚至沖散纖維束，導(dǎo)致固化后的制件出現(xiàn)褶皺和翹曲的不良現(xiàn)象。此外，樹脂發(fā)生凝膠反應(yīng)和固化交聯(lián)反應(yīng)時(shí)，會(huì)具有一定的體積收縮率，并且會(huì)釋放出大量的反應(yīng)熱，在很大的內(nèi)應(yīng)力或熱應(yīng)力下導(dǎo)致松散的纖維織物發(fā)生扭曲變形，進(jìn)而引起制件出現(xiàn)翹曲的現(xiàn)象。為了消除褶皺和翹曲不良現(xiàn)象的發(fā)生，要求纖維織物及預(yù)成型件的鋪設(shè)要展放平整，宜選用體積收縮率小、放熱量小的樹脂體系，并且采用合理的固化制度和散熱循環(huán)系統(tǒng)。
1.3.過抽和缺膠
在VARIM工藝中，為了維持樹脂灌注過程仍具有很高的真空度，確保灌注所需的真空壓力梯度以及制品的質(zhì)量，需要持續(xù)地抽真空排出密閉模腔內(nèi)、纖維束間空隙的殘余氣體。如果真空通道設(shè)置不合理，或樹脂灌注管道設(shè)置不合理，抽氣的同時(shí)就容易將大量的低粘度樹脂也抽走，從而導(dǎo)致制品出現(xiàn)大面積缺膠，產(chǎn)生過抽的不良現(xiàn)象。
1.4.雜斑和富膠
在鋪層階段，如果在纖維織物層中夾雜團(tuán)塊狀物體，將會(huì)使局部區(qū)域內(nèi)的纖維織物發(fā)生變形，導(dǎo)致樹脂膠液出現(xiàn)局部富集，固化后的制件則出現(xiàn)凹凸不平的雜斑。
與缺膠現(xiàn)象相同，富膠現(xiàn)象的產(chǎn)生也主要是由于真空通道和樹脂灌注管道鋪設(shè)不合理所致，這是因?yàn)闃渲诠嘧⑦M(jìn)口處的壓力為大氣壓，而其流動(dòng)前緣處的壓力幾乎為零，這樣離真空管口越遠(yuǎn)(即樹脂灌注進(jìn)口)，樹脂含量越高，相應(yīng)的纖維含量越低；而離真空管口越近(即樹脂流動(dòng)前緣)，樹脂含量越低，相應(yīng)的纖維含量越高。因此，真空通道和樹脂灌注管道鋪設(shè)不合理，或者樹脂達(dá)到出口處時(shí)就立即關(guān)閉樹脂進(jìn)口和真空系統(tǒng)，就會(huì)導(dǎo)致樹脂灌注進(jìn)口區(qū)域出現(xiàn)富膠的現(xiàn)象，大尺寸、大厚度制件也將會(huì)出現(xiàn)厚度不均的現(xiàn)象。
為了削弱上述的富膠現(xiàn)象，需要合理設(shè)置真空通道和樹脂灌注管道，并且在樹脂達(dá)到出口處后，關(guān)閉樹脂灌注進(jìn)口，而在不出現(xiàn)過抽的情況下，繼續(xù)維持抽真空一段時(shí)間，使樹脂壓力穩(wěn)定地減少，盡量使制件各區(qū)域的樹脂含量均勻一致。此外，較大厚度的芯材和加強(qiáng)筋邊界處也會(huì)出現(xiàn)膠液富集的現(xiàn)象，因此需要鋪設(shè)一些三角形或梯形材料作為過渡，避免富膠現(xiàn)象的產(chǎn)生。
VARIM工藝的應(yīng)用
VARIM工藝作為一種新型的復(fù)合材料成型工藝，始于20世紀(jì)80年代末，該工藝一開始并沒有受到人們的高度重視，未能實(shí)現(xiàn)其潛在的巨大商業(yè)價(jià)值。直至1996年，由于在船舶上的成功應(yīng)用，VARIM工藝才在當(dāng)年的SPI復(fù)合材料年會(huì)上得到人們的認(rèn)可和重視。由于VARIM工藝具有成本低、產(chǎn)品質(zhì)量高、適合制造大型、復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)制件等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此經(jīng)過十多年的研究和應(yīng)用，VARIM工藝已經(jīng)不再局限于船舶工業(yè)的應(yīng)用，而廣泛應(yīng)用到了很多軍用和民用設(shè)施的建設(shè)上，如軍用艦船、導(dǎo)彈艙、雷達(dá)罩、風(fēng)電葉片、橋梁、汽車外殼、冷藏箱等。
航空大型部件
戰(zhàn)機(jī)座艙：美國洛克希德-馬丁公司(Lockheed MartinCorporation)研制的F-35戰(zhàn)機(jī)采用了VARIM工藝制造座艙，成本比熱壓罐工藝下降了38 %。
大型飛機(jī)機(jī)翼：在由美國NASA(National Aeronautics and Space Administration)資助的“波音預(yù)成型體”計(jì)劃中，V System Composites公司采用VARIM工藝，研究了機(jī)翼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及帶加強(qiáng)筋機(jī)身整體復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的成型，而波音公司則研究了大型飛機(jī)機(jī)翼蒙皮的整體成型。
大型艦艇及上層建筑
在船舶工業(yè)中，英國VosperThornycroft(VT)公司采用VARIM工藝為英國皇家海軍制造了270多艘復(fù)合材料掃雷艦，并還制造了運(yùn)輸船、作業(yè)艇、救生艇船體和海洋港口工程結(jié)構(gòu)等。North End公司使用VARIM工藝制造了長達(dá)27.5 m的船體，并經(jīng)檢驗(yàn)船體層合板的空隙率幾乎為零，且力學(xué)性能與熱壓罐低溫固化成型的制件相當(dāng)，但制造成本卻大幅度地降低。英國Sandown級(jí)掃雷艇采用非磁性材料制造，整個(gè)艦艇的所用上層建筑和部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)制件均為VARIM工藝所成型，可以抵抗很強(qiáng)的沖擊。美國海軍DD21 Zumwalt級(jí)隱身驅(qū)逐艦和瑞典海軍YS2000 Visby級(jí)隱身反潛輕型巡洋艦都采用了VARIM工藝成型的泡沫夾芯結(jié)構(gòu)作為艦船殼體。佛山市寶達(dá)船舶工程有限公司使用VARIM工藝對(duì)含有芳綸纖維的混雜增強(qiáng)材料和乙烯基樹脂進(jìn)行了復(fù)合成型，制造生產(chǎn)了13.6 m的海關(guān)超高速摩托艇。
大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片
近年來，VARIM工藝被廣泛應(yīng)用于大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片的整體成型。相比于手糊成型工藝，VARIM工藝生產(chǎn)風(fēng)電葉片的生產(chǎn)效率大幅度的提高，操作環(huán)境顯著改善，樹脂使用量可減少30 %，并且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，重復(fù)性好。丹麥艾爾姆(LM)玻璃纖維制品有限公司采用VARIM工藝開發(fā)了長達(dá)60 m的風(fēng)電葉片。
采用VARIM工藝制造葉片，主要可分為以下幾步工序：
（1）模具準(zhǔn)備：對(duì)模具進(jìn)行清理，并涂覆脫模劑。
（2）鋪覆增強(qiáng)材料：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，鋪覆纖維織物。該工序除了織物的型號(hào)、位置以及搭接的尺寸必須滿足設(shè)計(jì)要求外，還要保證鋪覆的平整以及清潔。
在葉片模具上鋪放玻璃布增強(qiáng)材料
（3）布置真空管路：根據(jù)工藝要求，布置真空管路，并包覆真空。此步驟是VARIM工藝中較為關(guān)鍵的一步。通常在正式生產(chǎn)前需要結(jié)合理論模擬和反復(fù)實(shí)驗(yàn)確定；在生產(chǎn)中需要保證整個(gè)系統(tǒng)的真空度。
樹脂灌注及固化：在真空條件下，將混合好的樹脂灌注進(jìn)被壓實(shí)的增強(qiáng)材料預(yù)成型體中。等樹脂充滿整個(gè)模腔后，關(guān)閉樹脂流道，按規(guī)定的條件固化。
蒙皮粘接及后固化：在蒙皮完成固化成型后，將上下蒙皮和剪切腹板粘接成為整體，并按照規(guī)定的工藝進(jìn)行固化。
后處理：產(chǎn)品脫模后，對(duì)葉片進(jìn)行切邊、補(bǔ)強(qiáng)、打磨及涂裝處理。
葉片外表面涂裝處理
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