真空辅助树脂转移模塑工艺研究进展

       先进树脂基复合材料具有比传统结构材料优越的力学性能，具有耐腐蚀、抗振阻尼和吸波透波等功能，在世界范围内得到了迅速的发展。树脂转移模塑成型( Resin Transfer Molding，RTM)技术可制造高质量高精度的复杂制件，广泛应用于宇航工业等高技术领域。但对于大型复杂的部件，RTM成型所需的双面闭合模具的设计制造难度增大，模具制造费用高昂，且很难将制件的缺陷降低到一个可以接受的水平。真空辅助树脂转移模塑成型( Vacuum Assisted  Resin  TransferMolding，VARTM)技术是在RTM工艺基础上发展而来的一种新型低成本先进复合材料制件的成型技术，它是在真空状态下排除纤维预制件中的气体，利用压力差驱动树脂流动、渗透，实现对纤维及其织物浸渍，并在室温或加温条件下进行固化，形成一定形状尺寸和纤维体积分数复合材料制件的工艺方法。近年来，VARTM技术作为一种高性能和低成本大型复合材料制件制造技术有着较好较快的发展。

1  vARTMI艺用树脂研究

       树脂是研究VARTM成型工艺的基础，直接影响VARTM工艺技术的应用。为保证工艺和制件质量，VARTM成型对树脂基体通常有以下要求：①在工艺温度下具有较低的粘度，以便于树脂在预制件中流动；②树脂体系的低粘度能保持较长的时间，与纤维有良好的浸润性和界面粘结性，以保证对增强体的浸润和渗透完全；③具有良好的固化工艺性；④应具有良好的力学性能，以满足结构使用要求。

       可用于VARTM工艺的基体树脂有乙烯基树脂、酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂等。环氧树脂及改性环氧树脂具有优异的力学性能和综合性能，其良好的工艺性，对成型温度和成型压力要求较低，可调节性强，是目前VARTM工艺中应用最普遍的基体树脂体系。对于VARTM成型，普通的环氧树脂粘度偏大，通常需对其进行改性或通过树脂／固化剂的配合，使树脂体系具有很宽的低粘度温度平台和较好的工艺性。近年来，国外研发及生产低粘度环氧树脂的公司有美国的Cytec Fiberite、SHELL及Dow化学公司等。常用的树脂牌号有CYCOM823RTM、EPON862、DER329等。CYCOM823RTM环氧树脂体系，室温粘度低于0.3 Pa-s，适用于VARTM工艺成型，已在国外航空航天结构上广泛应用，如直升机的机身、螺旋桨叶、航天结构及发动机短舱等。Dow化学公司的DER329低粘度环氧树脂体系，用
于真空辅助成型工艺，脱模周期短，超低粘度，力学性能、热性能和耐腐蚀性优良，成型的涡轮机叶片部件能耐恒定振动，能在较宽的温度范围内长期应用。美国聚合物公司的E905RTM双组分环氧树脂体系，在70℃时粘度为200～500 MPa．s，能稳定保留8h以上，可用于真空辅助成型。

       近年来针对不同的应用，西方各大公司还开发了很多低粘度VARTM用环氧树脂。文献报道，  NASA开发了一系列树脂体系，Brian.
WGrimsley等开发的碳纤维增强SI-ZG-5A环氧树脂，制造了飞机“C”型结构件。NASA LaRC采用由Hexcel公司提供3501-6RC型号环氧树脂成型了MD-90-40X型号飞机的Wing box。波音公司采用SI-ZG-5A树脂成型了战斗机的复合材料座舱。其它如Shell公司开发的Epon828环氧树脂体系，SP公司开发的PRIME系列环氧树脂，Jeffco公司生产的Epoxy 1401-16/4101-17型环氧树脂，AppliedPolymerics Inc生产的SC-15、SC-4型环氧树脂等均可适用于VARTM工艺。

      国内适用于VARTM的低粘度环氧树脂品种相对较少，资料报道较多的有TDE-85型环氧树脂，它是一种三官能团的脂环族环氧树脂，挥发分<1%，粘度低，25℃粘度为2.0～3.0 Pa-s，凝胶时间长。同所有脂环族环氧树脂一样，其制品长期暴露于高温条件下仍能保持良好的力学性能和电性能。另外文献报道的还有添加异佛尔酮二胺(IPDA)的CYD-128环氧树脂体系，A40/DDM/DMTDA复合体系固化的双酚F型环氧树脂体系等。

       总体分析，环氧树脂体系及经改性的环氧树脂体系以其优异的工艺性能和力学性能，在VARTM成型工艺中获得了广泛的应用。国外公司环氧树脂的发展趋势，一方面针对阻燃、低烟、低毒性及降低成型温度要求开发的低粘度环氧树脂，涉及的树脂包括双酚A、双酚F和有机硅改性环氧树脂体系。其中双酚F型环氧树脂因其独特的性能、较低的价格，是低粘度环氧树脂的重要品种之_[8]。另一方面，通过橡胶弹性体增韧、热塑性树脂增韧等，改善环氧树脂的韧性。北京航空材料研究院益小苏等采用离位增韧技术，开发出3266中温环氧树脂，CAI值达到国际领先水平。

       双马来酰亚胺树脂的使用温度为150～250℃，其耐热性、耐湿热性、力学性能、阻燃性等优于环氧树脂，工艺性能接近环氧树脂，已发展成为环氧树脂之后先进复合材料的一个重要的基体材料。目茼，国内用于VARTM的双马树脂基本处在研究阶段。北京航空工程制造研究所研制的BA9911改性双马树脂体系，粘度低于0.3 Pa．s，工作寿命>4 h，在室温下具有良好的流动性，工艺性优良，符合VARTM工艺对树脂体系的要求。西北工业大学的卢忠远‘纠研制了用于VARTM的5406双马来酰亚胺树脂，其研究表明，5406树脂在130～140℃之间粘度<100 mPa-s时间能保持100 min以上，符合VARTM工艺对粘度的要求。

2 VARTM工艺过程研究

       根据树脂不同的分配系统，可以将VARTM成型工艺分成高渗透介质型和沟槽型。高渗透介质型VARTM成型工艺方法是在模具上放置纤维增强体，在纤维增强体上铺设剥离层，再在剥离层上铺设高渗透介质，最后用真空袋密封，在真空压力的作用下，树脂同时从平面和厚度方向浸渍纤维增强体。高渗透介质型VARTM成型工艺设计灵活，可成型形状复杂制品，是常用的VARTM成型工艺。沟槽型VARTM成型工艺是在模具或低密度泡沫芯材上刻槽以加速树脂流动，这种形式树脂在沟槽中的充模速率较高，并减轻了部件质量、减少材料浪费。采用沟槽型VARTM成型工艺制造复合材料制件，最主要的工作之一就是根据实际情况设计树脂流道和真空通路[12]，成型工艺不如高渗透介质型工艺设计简单灵活。

        X．D．Sun、祝颖丹、李新华等对高渗透型和沟槽型VARTM工艺进行了试验研究，对高渗透介质型VARTM工艺的研究表明，高渗透介质是决定充模时间的主要因素，高渗透介质层和预制件之间的剥离层不仅有利于脱模，还可以提高充模速度，缩短充模时间。从渗透率角度来看[17]，影响充模的主要因素是高渗透介质的平面渗透率及预成型体与剥离层的横向渗透率。要获得较快且均匀的充模，树脂源应置于模腔的几何中心，以尽量缩短树脂的流动距离，而且树脂源与真空源应尽可能对称和平衡布置，以避免干点的产生。

       对沟槽型VARTM工艺研究表明，沟槽型真空注射成型工艺的充模速度远远高于高渗透介质型真空注射成型工艺。树脂需流过的最长距离和最短距离应该平衡，不宜相差过大。要获得较快且均匀的充模，树脂源应布置在模腔的几何中心，尽量缩短树脂的流动距离以提高充模速度，树脂总是先充满沟槽，然后才从沟槽进入预制。

       X.D. Sun[13-14]等模拟了两种类型VARTM工艺，在试验研究和有限元控制体积法(CVFEM)模拟的基础上，将预制件和脱模布看作是树脂流动时透过的一个个渗漏的小槽，建立了渗漏流动模型(Leakage Flow Model)。模型的预测结果和实验结果有很好的一致性。M. Grujicic等在X．D．Sun研究的基础上，对高渗透型VARTM成型过程进行了非等温模拟研究。优化结果表明，在70%～80%的树脂充模后，对模具以一定速率升温，可减少约5%的充模时间。

       Kirk D．Tackitt[19]等对VARTM充模和固化过程中复合材料制件的厚度梯度进行了研究。其通过LVDT位移传感器阵列监控成型过程中表面位移的变化来研究厚度梯度场的形成。通过植入纤维增强体中的传感器来研究树脂流速和表面值移的相关性，树脂流动前沿三维动态图像通过相应的软件得以实现。其试验研究结果表明，在VARTM成型工艺过程中，树脂入口和真空口之间存在压力变化梯度，导致了制件厚度梯度的产生。树脂在预制件中的流速越低，制件的厚度梯度越小。要控制这种厚度梯度，就需要平衡树脂入口和真空口之间的压力。

       针对VARTM工艺中树脂从高渗透介质层渗透至预制件层的特点，Ali Gokce等将渗透介质层作为预制件的一个功能性铺层，提出渗透评价算法(Permeabiliy estimation algorithm, PEA),可用来估算高渗透介质层和预制件层的渗透率。John M. Bayldon等充分考虑流动前沿预制件厚度的非线性变化，将流动前沿之后的部分浸润区域纳入其所建立的模型，能更准确地预测流动前沿区域预制件的厚度变化。Pavel Simacek[21]等对VARTM成型中的后注射过程进行了研究，分析了树脂从受压变形的高渗透介质层进入未完全浸润树脂纤维层的过程，并在建模中予以充分考虑，提高了对树脂流动行为模拟的准确性。

       以上基于数值模拟优化工艺参数控制树脂的流动行为的方法，缩短了工艺过程中工艺优化的进程。但由于VARTM工艺边界条件和工艺参数复杂，边缘和流道效应等常超出数值模拟的能力范围，仅靠数值模拟来优化工艺往往不能完全避免实际工艺过程中制件出现“干斑”等缺陷。采用先进监控技术实时采集和分析树脂流动行为信息，并根据需要实时对树脂流动行为进行调整的研究，是VARTM工艺技术研究的一个重要内容。

       Dominik Bende/22]等建立了一套流速控制试验装置。这套控制装置通过对进料桶抽一定的真空来调节树脂注入口和真空口之间的压力差，压力差调节由一套模糊逻辑系统根据进料桶中树脂的质量和植入预制件中的传感器对流动前沿的反馈自动控制。采用这套系统，据称可成功实现渗透率和粘度值在较宽范围的树脂的匀速流动。

       R.J.  Johns on[23-24]等则采用线圈局部感应加热的方法来控制树脂的流动。具体做法是在树脂注入阶段根据流动前沿位置的反馈和数值模拟的结果，动态决定加热线圈的轨迹和加热电压，局部加热树脂降低其粘度来抵消预制件铺层中渗透率的不均匀性，保证流动前沿的均匀推进，从而消除“干斑”等缺陷，降低充模所需的时间。Ryo suke[25-26]等开发出一种多功能叉指电极阵列薄膜，这种薄膜上布满了排列整齐的方形面传感器和加热电极。薄膜非常柔软，厚度只有0.013mm，可很好的铺贴在复杂构型的模具上，可全面监测树脂的流动，可通过电极间的连接加热其上任何需要降低粘度促进树脂流动的位置，从而实现对整个流动过程的控制，防止缺陷的产生。

       总体而言，在VARTM工艺过程的研究中，国外借助传感器技术等先进手段，采用有限元控制体积法等数值模拟方法，对工艺过程进行优化和控制，对易产生缺陷部位的树脂流动进行实时监控和调整。国内基本还处在凭经验进行试制的阶段，采用数值模拟等先进手段进行VARTM工艺研究的报道较少。

3 VARTM工程应用

        美国在20世纪80年代以来，先后实施了一系列与复合材料技术相关的研究计划，如先进复合材料技术计划(ACT，AdvancedCompositeTechnology Program)，经济可承受的复合材料研究计划(CAI，CompositeAffordability Initiative)等；欧盟也有针对民机的技术应用近期商业目标(TANGO, Technology Application tothe Near-TermBusiness Goals and Objectives)研究计划。这些计划使复合材料广泛应用于军用和民用飞机上，极大地提高了飞机的性能，并促进了材料业和航空制造业的共同快速发展。VARTM技术作为一种
高性能和低成本大型复合材料制件制造技术，在这一系列计划中受到广泛重视和应用。在美国先进战斗机F-22上，每架飞机上的VARTM部件多达360个，总质量为254 kg。机冀中部构件、机翼尾部梁和肋、机身前部隔离框架和机身中部帽形加强肋及直径为1.1 m、质量为27 kg的飞机引擎进气口壳都是VARTM产品。空客大型军用运输机A400M的货舱门及后压力隔框亦采用真空轴助成型工艺。美国洛克希德·马丁公司与美国海军IPT公司合作，在P-3的复合材料下翼面整流壁板的制造中采用真空辅助成型工艺，在S-3、C-5、C-130等机型上也已着手进行真空辅助成型工艺试验及验证工作。随着复合材料在民用飞机上应用量的急剧增长，VARTM技术在大型民用客机的制造中也获得了广泛应用。波音787机翼后缘由德哈维兰公司采用VARTM工艺制造[31]，787机身的大部分地板，飞机的副翼、襟翼、扰流板以及机
身的后压力隔框，A380的后机身压力隔框、襟翼等均采用VARTM工艺制造。

        除航空航天领域，在船舶制造工业中，VARTM也获得了广泛应用。Hardcore复合材料公司采用VARTM工艺制造的船用防护板，具有足够的强度和刚度，可承受3 000 t船只的撞击；瑞典73 m长VISBY武装快艇的船体、甲板、船体的上部构造也是用VARTM工艺制造；美国在建的DDG-1000朱姆沃尔特级导弹驱逐舰，船体外壳、舰船的一体化舱面船室等多采用VARTM复合材料夹芯板，据称诺斯罗普格鲁曼公司格尔夫波特工厂采用该工艺生产出了有史以来最大的板材，板材长36.6 m，宽18.3 m，以Alcan Baltek公司提供的巴沙木作为夹心材料，东丽碳纤维美国公司(Toray Carbon Fiber America Inc.)生产的TorayT700 12k FOE碳纤维及亚什兰有限公司(AshlandInc)提供的510A乙烯基树脂作为钋层夹层结构，树脂的灌注时间为12 h。

       在其它行业，VARTM也得到了广泛的应用。风力发电行业，目前全球3大风力发电叶片制造商LM Glasfiber、Vestas Wind Systems A/S及Enercon，均不同程度的采用VARTM制造生产大型风力发电叶片，如LM公司采用VARTM成型开发出56 m长全玻璃纤维风力发电叶片[33]。汽车行业，英国SPsystems使用VARTM工艺制造复合材料制件，空隙率小，制件性能高，可大大节约工时，降低成本，大量应用于汽车零件的生产制造中。Lotus公司已实现VARTM工艺的大规模生产，用于制造大型卡车车顶和面罩、轿车车身、豪华客车及公共汽车前脸等部件。

4结语

       VARTM技术是十多年来发展起来的一种高性能和低成本大型复合材料制件制造技术，环氧树脂是VARTM成型工艺的重要树脂基体，双马树脂作为一个重要的基体材料，目前基本处在研究阶段；工艺过程的试验研究和数值模拟发展迅速，国外借助先进技术手段，采用数值模拟方法等对工艺过程进行优化和控制的研究日趋活跃，在航空、船舶等领域，VARTM成型工艺已获得广泛应用。

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