先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料具有比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料優(yōu)越的力學(xué)性能，具有耐腐蝕、抗振阻尼和吸波透波等功能，在世界范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展。樹脂轉(zhuǎn)移模塑成型( Resin Transfer Molding，RTM)技術(shù)可制造高質(zhì)量高精度的復(fù)雜制件，廣泛應(yīng)用于宇航工業(yè)等高技術(shù)領(lǐng)域。但對于大型復(fù)雜的部件，RTM成型所需的雙面閉合模具的設(shè)計(jì)制造難度增大，模具制造費(fèi)用高昂，且很難將制件的缺陷降低到一個可以接受的水平。真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移模塑成型( Vacuum Assisted  Resin  TransferMolding，VARTM)技術(shù)是在RTM工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型低成本先進(jìn)復(fù)合材料制件的成型技術(shù)，它是在真空狀態(tài)下排除纖維預(yù)制件中的氣體，利用壓力差驅(qū)動樹脂流動、滲透，實(shí)現(xiàn)對纖維及其織物浸漬，并在室溫或加溫條件下進(jìn)行固化，形成一定形狀尺寸和纖維體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料制件的工藝方法。近年來，VARTM技術(shù)作為一種高性能和低成本大型復(fù)合材料制件制造技術(shù)有著較好較快的發(fā)展。

1  vARTMI藝用樹脂研究

       樹脂是研究VARTM成型工藝的基礎(chǔ)，直接影響VARTM工藝技術(shù)的應(yīng)用。為保證工藝和制件質(zhì)量，VARTM成型對樹脂基體通常有以下要求：①在工藝溫度下具有較低的粘度，以便于樹脂在預(yù)制件中流動；②樹脂體系的低粘度能保持較長的時間，與纖維有良好的浸潤性和界面粘結(jié)性，以保證對增強(qiáng)體的浸潤和滲透完全；③具有良好的固化工藝性；④應(yīng)具有良好的力學(xué)性能，以滿足結(jié)構(gòu)使用要求。

       可用于VARTM工藝的基體樹脂有乙烯基樹脂、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂等。環(huán)氧樹脂及改性環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的力學(xué)性能和綜合性能，其良好的工藝性，對成型溫度和成型壓力要求較低，可調(diào)節(jié)性強(qiáng)，是目前VARTM工藝中應(yīng)用最普遍的基體樹脂體系。對于VARTM成型，普通的環(huán)氧樹脂粘度偏大，通常需對其進(jìn)行改性或通過樹脂／固化劑的配合，使樹脂體系具有很寬的低粘度溫度平臺和較好的工藝性。近年來，國外研發(fā)及生產(chǎn)低粘度環(huán)氧樹脂的公司有美國的Cytec Fiberite、SHELL及Dow化學(xué)公司等。常用的樹脂牌號有CYCOM823RTM、EPON862、DER329等。CYCOM823RTM環(huán)氧樹脂體系，室溫粘度低于0.3 Pa-s，適用于VARTM工藝成型，已在國外航空航天結(jié)構(gòu)上廣泛應(yīng)用，如直升機(jī)的機(jī)身、螺旋槳葉、航天結(jié)構(gòu)及發(fā)動機(jī)短艙等。Dow化學(xué)公司的DER329低粘度環(huán)氧樹脂體系，用
于真空輔助成型工藝，脫模周期短，超低粘度，力學(xué)性能、熱性能和耐腐蝕性優(yōu)良，成型的渦輪機(jī)葉片部件能耐恒定振動，能在較寬的溫度范圍內(nèi)長期應(yīng)用。美國聚合物公司的E905RTM雙組分環(huán)氧樹脂體系，在70℃時粘度為200～500 MPa．s，能穩(wěn)定保留8h以上，可用于真空輔助成型。

       近年來針對不同的應(yīng)用，西方各大公司還開發(fā)了很多低粘度VARTM用環(huán)氧樹脂。文獻(xiàn)報(bào)道，  NASA開發(fā)了一系列樹脂體系，Brian.
WGrimsley等開發(fā)的碳纖維增強(qiáng)SI-ZG-5A環(huán)氧樹脂，制造了飛機(jī)“C”型結(jié)構(gòu)件。NASA LaRC采用由Hexcel公司提供3501-6RC型號環(huán)氧樹脂成型了MD-90-40X型號飛機(jī)的Wing box。波音公司采用SI-ZG-5A樹脂成型了戰(zhàn)斗機(jī)的復(fù)合材料座艙。其它如Shell公司開發(fā)的Epon828環(huán)氧樹脂體系，SP公司開發(fā)的PRIME系列環(huán)氧樹脂，Jeffco公司生產(chǎn)的Epoxy 1401-16/4101-17型環(huán)氧樹脂，AppliedPolymerics Inc生產(chǎn)的SC-15、SC-4型環(huán)氧樹脂等均可適用于VARTM工藝。

      國內(nèi)適用于VARTM的低粘度環(huán)氧樹脂品種相對較少，資料報(bào)道較多的有TDE-85型環(huán)氧樹脂，它是一種三官能團(tuán)的脂環(huán)族環(huán)氧樹脂，揮發(fā)分<1%，粘度低，25℃粘度為2.0～3.0 Pa-s，凝膠時間長。同所有脂環(huán)族環(huán)氧樹脂一樣，其制品長期暴露于高溫條件下仍能保持良好的力學(xué)性能和電性能。另外文獻(xiàn)報(bào)道的還有添加異佛爾酮二胺(IPDA)的CYD-128環(huán)氧樹脂體系，A40/DDM/DMTDA復(fù)合體系固化的雙酚F型環(huán)氧樹脂體系等。

       總體分析，環(huán)氧樹脂體系及經(jīng)改性的環(huán)氧樹脂體系以其優(yōu)異的工藝性能和力學(xué)性能，在VARTM成型工藝中獲得了廣泛的應(yīng)用。國外公司環(huán)氧樹脂的發(fā)展趨勢，一方面針對阻燃、低煙、低毒性及降低成型溫度要求開發(fā)的低粘度環(huán)氧樹脂，涉及的樹脂包括雙酚A、雙酚F和有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂體系。其中雙酚F型環(huán)氧樹脂因其獨(dú)特的性能、較低的價格，是低粘度環(huán)氧樹脂的重要品種之_[8]。另一方面，通過橡膠彈性體增韌、熱塑性樹脂增韌等，改善環(huán)氧樹脂的韌性。北京航空材料研究院益小蘇等采用離位增韌技術(shù)，開發(fā)出3266中溫環(huán)氧樹脂，CAI值達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

       雙馬來酰亞胺樹脂的使用溫度為150～250℃，其耐熱性、耐濕熱性、力學(xué)性能、阻燃性等優(yōu)于環(huán)氧樹脂，工藝性能接近環(huán)氧樹脂，已發(fā)展成為環(huán)氧樹脂之后先進(jìn)復(fù)合材料的一個重要的基體材料。目茼，國內(nèi)用于VARTM的雙馬樹脂基本處在研究階段。北京航空工程制造研究所研制的BA9911改性雙馬樹脂體系，粘度低于0.3 Pa．s，工作壽命>4 h，在室溫下具有良好的流動性，工藝性優(yōu)良，符合VARTM工藝對樹脂體系的要求。西北工業(yè)大學(xué)的盧忠遠(yuǎn)‘糾研制了用于VARTM的5406雙馬來酰亞胺樹脂，其研究表明，5406樹脂在130～140℃之間粘度<100 mPa-s時間能保持100 min以上，符合VARTM工藝對粘度的要求。

2 VARTM工藝過程研究

       根據(jù)樹脂不同的分配系統(tǒng)，可以將VARTM成型工藝分成高滲透介質(zhì)型和溝槽型。高滲透介質(zhì)型VARTM成型工藝方法是在模具上放置纖維增強(qiáng)體，在纖維增強(qiáng)體上鋪設(shè)剝離層，再在剝離層上鋪設(shè)高滲透介質(zhì)，最后用真空袋密封，在真空壓力的作用下，樹脂同時從平面和厚度方向浸漬纖維增強(qiáng)體。高滲透介質(zhì)型VARTM成型工藝設(shè)計(jì)靈活，可成型形狀復(fù)雜制品，是常用的VARTM成型工藝。溝槽型VARTM成型工藝是在模具或低密度泡沫芯材上刻槽以加速樹脂流動，這種形式樹脂在溝槽中的充模速率較高，并減輕了部件質(zhì)量、減少材料浪費(fèi)。采用溝槽型VARTM成型工藝制造復(fù)合材料制件，最主要的工作之一就是根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)樹脂流道和真空通路[12]，成型工藝不如高滲透介質(zhì)型工藝設(shè)計(jì)簡單靈活。

        X．D．Sun、祝穎丹、李新華等對高滲透型和溝槽型VARTM工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對高滲透介質(zhì)型VARTM工藝的研究表明，高滲透介質(zhì)是決定充模時間的主要因素，高滲透介質(zhì)層和預(yù)制件之間的剝離層不僅有利于脫模，還可以提高充模速度，縮短充模時間。從滲透率角度來看[17]，影響充模的主要因素是高滲透介質(zhì)的平面滲透率及預(yù)成型體與剝離層的橫向滲透率。要獲得較快且均勻的充模，樹脂源應(yīng)置于模腔的幾何中心，以盡量縮短樹脂的流動距離，而且樹脂源與真空源應(yīng)盡可能對稱和平衡布置，以避免干點(diǎn)的產(chǎn)生。

       對溝槽型VARTM工藝研究表明，溝槽型真空注射成型工藝的充模速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高滲透介質(zhì)型真空注射成型工藝。樹脂需流過的最長距離和最短距離應(yīng)該平衡，不宜相差過大。要獲得較快且均勻的充模，樹脂源應(yīng)布置在模腔的幾何中心，盡量縮短樹脂的流動距離以提高充模速度，樹脂總是先充滿溝槽，然后才從溝槽進(jìn)入預(yù)制。

       X.D. Sun[13-14]等模擬了兩種類型VARTM工藝，在試驗(yàn)研究和有限元控制體積法(CVFEM)模擬的基礎(chǔ)上，將預(yù)制件和脫模布看作是樹脂流動時透過的一個個滲漏的小槽，建立了滲漏流動模型(Leakage Flow Model)。模型的預(yù)測結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性。M. Grujicic等在X．D．Sun研究的基礎(chǔ)上，對高滲透型VARTM成型過程進(jìn)行了非等溫模擬研究。優(yōu)化結(jié)果表明，在70%～80%的樹脂充模后，對模具以一定速率升溫，可減少約5%的充模時間。

       Kirk D．Tackitt[19]等對VARTM充模和固化過程中復(fù)合材料制件的厚度梯度進(jìn)行了研究。其通過LVDT位移傳感器陣列監(jiān)控成型過程中表面位移的變化來研究厚度梯度場的形成。通過植入纖維增強(qiáng)體中的傳感器來研究樹脂流速和表面值移的相關(guān)性，樹脂流動前沿三維動態(tài)圖像通過相應(yīng)的軟件得以實(shí)現(xiàn)。其試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在VARTM成型工藝過程中，樹脂入口和真空口之間存在壓力變化梯度，導(dǎo)致了制件厚度梯度的產(chǎn)生。樹脂在預(yù)制件中的流速越低，制件的厚度梯度越小。要控制這種厚度梯度，就需要平衡樹脂入口和真空口之間的壓力。

       針對VARTM工藝中樹脂從高滲透介質(zhì)層滲透至預(yù)制件層的特點(diǎn)，Ali Gokce等將滲透介質(zhì)層作為預(yù)制件的一個功能性鋪層，提出滲透評價算法(Permeabiliy estimation algorithm, PEA),可用來估算高滲透介質(zhì)層和預(yù)制件層的滲透率。John M. Bayldon等充分考慮流動前沿預(yù)制件厚度的非線性變化，將流動前沿之后的部分浸潤區(qū)域納入其所建立的模型，能更準(zhǔn)確地預(yù)測流動前沿區(qū)域預(yù)制件的厚度變化。Pavel Simacek[21]等對VARTM成型中的后注射過程進(jìn)行了研究，分析了樹脂從受壓變形的高滲透介質(zhì)層進(jìn)入未完全浸潤樹脂纖維層的過程，并在建模中予以充分考慮，提高了對樹脂流動行為模擬的準(zhǔn)確性。

       以上基于數(shù)值模擬優(yōu)化工藝參數(shù)控制樹脂的流動行為的方法，縮短了工藝過程中工藝優(yōu)化的進(jìn)程。但由于VARTM工藝邊界條件和工藝參數(shù)復(fù)雜，邊緣和流道效應(yīng)等常超出數(shù)值模擬的能力范圍，僅靠數(shù)值模擬來優(yōu)化工藝往往不能完全避免實(shí)際工藝過程中制件出現(xiàn)“干斑”等缺陷。采用先進(jìn)監(jiān)控技術(shù)實(shí)時采集和分析樹脂流動行為信息，并根據(jù)需要實(shí)時對樹脂流動行為進(jìn)行調(diào)整的研究，是VARTM工藝技術(shù)研究的一個重要內(nèi)容。

       Dominik Bende/22]等建立了一套流速控制試驗(yàn)裝置。這套控制裝置通過對進(jìn)料桶抽一定的真空來調(diào)節(jié)樹脂注入口和真空口之間的壓力差，壓力差調(diào)節(jié)由一套模糊邏輯系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)料桶中樹脂的質(zhì)量和植入預(yù)制件中的傳感器對流動前沿的反饋?zhàn)詣涌刂?。采用這套系統(tǒng)，據(jù)稱可成功實(shí)現(xiàn)滲透率和粘度值在較寬范圍的樹脂的勻速流動。

       R.J.  Johns on[23-24]等則采用線圈局部感應(yīng)加熱的方法來控制樹脂的流動。具體做法是在樹脂注入階段根據(jù)流動前沿位置的反饋和數(shù)值模擬的結(jié)果，動態(tài)決定加熱線圈的軌跡和加熱電壓，局部加熱樹脂降低其粘度來抵消預(yù)制件鋪層中滲透率的不均勻性，保證流動前沿的均勻推進(jìn)，從而消除“干斑”等缺陷，降低充模所需的時間。Ryo suke[25-26]等開發(fā)出一種多功能叉指電極陣列薄膜，這種薄膜上布滿了排列整齊的方形面?zhèn)鞲衅骱图訜犭姌O。薄膜非常柔軟，厚度只有0.013mm，可很好的鋪貼在復(fù)雜構(gòu)型的模具上，可全面監(jiān)測樹脂的流動，可通過電極間的連接加熱其上任何需要降低粘度促進(jìn)樹脂流動的位置，從而實(shí)現(xiàn)對整個流動過程的控制，防止缺陷的產(chǎn)生。

       總體而言，在VARTM工藝過程的研究中，國外借助傳感器技術(shù)等先進(jìn)手段，采用有限元控制體積法等數(shù)值模擬方法，對工藝過程進(jìn)行優(yōu)化和控制，對易產(chǎn)生缺陷部位的樹脂流動進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和調(diào)整。國內(nèi)基本還處在憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行試制的階段，采用數(shù)值模擬等先進(jìn)手段進(jìn)行VARTM工藝研究的報(bào)道較少。

3 VARTM工程應(yīng)用

        美國在20世紀(jì)80年代以來，先后實(shí)施了一系列與復(fù)合材料技術(shù)相關(guān)的研究計(jì)劃，如先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)計(jì)劃(ACT，AdvancedCompositeTechnology Program)，經(jīng)濟(jì)可承受的復(fù)合材料研究計(jì)劃(CAI，CompositeAffordability Initiative)等；歐盟也有針對民機(jī)的技術(shù)應(yīng)用近期商業(yè)目標(biāo)(TANGO, Technology Application tothe Near-TermBusiness Goals and Objectives)研究計(jì)劃。這些計(jì)劃使復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于軍用和民用飛機(jī)上，極大地提高了飛機(jī)的性能，并促進(jìn)了材料業(yè)和航空制造業(yè)的共同快速發(fā)展。VARTM技術(shù)作為一種
高性能和低成本大型復(fù)合材料制件制造技術(shù)，在這一系列計(jì)劃中受到廣泛重視和應(yīng)用。在美國先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)F-22上，每架飛機(jī)上的VARTM部件多達(dá)360個，總質(zhì)量為254 kg。機(jī)冀中部構(gòu)件、機(jī)翼尾部梁和肋、機(jī)身前部隔離框架和機(jī)身中部帽形加強(qiáng)肋及直徑為1.1 m、質(zhì)量為27 kg的飛機(jī)引擎進(jìn)氣口殼都是VARTM產(chǎn)品。空客大型軍用運(yùn)輸機(jī)A400M的貨艙門及后壓力隔框亦采用真空軸助成型工藝。美國洛克希德·馬丁公司與美國海軍IPT公司合作，在P-3的復(fù)合材料下翼面整流壁板的制造中采用真空輔助成型工藝，在S-3、C-5、C-130等機(jī)型上也已著手進(jìn)行真空輔助成型工藝試驗(yàn)及驗(yàn)證工作。隨著復(fù)合材料在民用飛機(jī)上應(yīng)用量的急劇增長，VARTM技術(shù)在大型民用客機(jī)的制造中也獲得了廣泛應(yīng)用。波音787機(jī)翼后緣由德哈維蘭公司采用VARTM工藝制造[31]，787機(jī)身的大部分地板，飛機(jī)的副翼、襟翼、擾流板以及機(jī)
身的后壓力隔框，A380的后機(jī)身壓力隔框、襟翼等均采用VARTM工藝制造。

        除航空航天領(lǐng)域，在船舶制造工業(yè)中，VARTM也獲得了廣泛應(yīng)用。Hardcore復(fù)合材料公司采用VARTM工藝制造的船用防護(hù)板，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，可承受3 000 t船只的撞擊；瑞典73 m長VISBY武裝快艇的船體、甲板、船體的上部構(gòu)造也是用VARTM工藝制造；美國在建的DDG-1000朱姆沃爾特級導(dǎo)彈驅(qū)逐艦，船體外殼、艦船的一體化艙面船室等多采用VARTM復(fù)合材料夾芯板，據(jù)稱諾斯羅普格魯曼公司格爾夫波特工廠采用該工藝生產(chǎn)出了有史以來最大的板材，板材長36.6 m，寬18.3 m，以Alcan Baltek公司提供的巴沙木作為夾心材料，東麗碳纖維美國公司(Toray Carbon Fiber America Inc.)生產(chǎn)的TorayT700 12k FOE碳纖維及亞什蘭有限公司(AshlandInc)提供的510A乙烯基樹脂作為釙層夾層結(jié)構(gòu)，樹脂的灌注時間為12 h。

       在其它行業(yè)，VARTM也得到了廣泛的應(yīng)用。風(fēng)力發(fā)電行業(yè)，目前全球3大風(fēng)力發(fā)電葉片制造商LM Glasfiber、Vestas Wind Systems A/S及Enercon，均不同程度的采用VARTM制造生產(chǎn)大型風(fēng)力發(fā)電葉片，如LM公司采用VARTM成型開發(fā)出56 m長全玻璃纖維風(fēng)力發(fā)電葉片[33]。汽車行業(yè)，英國SPsystems使用VARTM工藝制造復(fù)合材料制件，空隙率小，制件性能高，可大大節(jié)約工時，降低成本，大量應(yīng)用于汽車零件的生產(chǎn)制造中。Lotus公司已實(shí)現(xiàn)VARTM工藝的大規(guī)模生產(chǎn)，用于制造大型卡車車頂和面罩、轎車車身、豪華客車及公共汽車前臉等部件。

4結(jié)語

       VARTM技術(shù)是十多年來發(fā)展起來的一種高性能和低成本大型復(fù)合材料制件制造技術(shù)，環(huán)氧樹脂是VARTM成型工藝的重要樹脂基體，雙馬樹脂作為一個重要的基體材料，目前基本處在研究階段；工藝過程的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬發(fā)展迅速，國外借助先進(jìn)技術(shù)手段，采用數(shù)值模擬方法等對工藝過程進(jìn)行優(yōu)化和控制的研究日趨活躍，在航空、船舶等領(lǐng)域，VARTM成型工藝已獲得廣泛應(yīng)用。

資料下載：   真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移模塑工藝研究進(jìn)展.pdf