复合材料真空辅助(VARI)成型技术

1、复合材料真空辅助(VARI)成型技术 内容提要内容提要 1 2 3 4 VARIVARI成型工艺简介成型工艺简介 VARIVARI成型的主要问题及技术要求成型的主要问题及技术要求 VARIVARI成型厚度变化规律成型厚度变化规律 VARIVARI成型的流道设计与模拟成型的流道设计与模拟5 VARIVARI工艺树脂与工艺树脂与NCFNCF织物织物 1 VARIVARI成型工艺简介成型工艺简介 VARI成型工艺图成型工艺图 VARI(vacuum assistant resin infusion) 成型技术是在真空压力下，利用树成型技术是在真空压力下，利用树 脂的流动、渗透实现对纤维及其织物浸渍，

2、并在真空压力下固化成型的方法脂的流动、渗透实现对纤维及其织物浸渍，并在真空压力下固化成型的方法 。 1 VARI1 VARI成型工艺简介成型工艺简介 1.1 VARI成型工艺原理成型工艺原理 真空袋真空袋 导流网导流网 脱模布脱模布 压敏胶带压敏胶带 树脂流动通道树脂流动通道 密封胶带密封胶带 脱模剂脱模剂 纤维织物纤维织物 真空接头真空接头 VARI成型封装示意图成型封装示意图 1 VARI1 VARI成型工艺简介成型工艺简介 1.1 VARI成型工艺原理成型工艺原理 增强体增强体 脱模修整脱模修整 封封 装装 1 VARI1 VARI成型工艺简介成型工艺简介 材料铺放材料铺放 导入树脂导入

3、树脂 喷涂胶衣喷涂胶衣 配树脂配树脂 模具清理，模具清理， 脱模剂的涂抹脱模剂的涂抹 纤维织物，脱模布，纤维织物，脱模布， 导流网，导流管和真空管导流网，导流管和真空管 密封胶带，真空袋密封胶带，真空袋 连接树脂收集器连接树脂收集器 和真空泵和真空泵 保压，检查气密性保压，检查气密性 脱泡脱泡 按固化工艺固化按固化工艺固化 1.2 VARI成型工艺流程成型工艺流程 准备模具准备模具 抽真空抽真空 1 1 衍生自衍生自RTMRTM工艺，基本特点与工艺，基本特点与RTMRTM相同；相同； 2 2 与与RTMRTM不同，树脂流动由真空压力驱动；不同，树脂流动由真空压力驱动； 3 3 单面模具，另一面

4、为真空袋，制品只有一面光滑；单面模具，另一面为真空袋，制品只有一面光滑； 4 4 模具通常需要加热，满足树脂固化条件；模具通常需要加热，满足树脂固化条件； 5 5 机械化，自动化程度低，生产周期较长；机械化，自动化程度低，生产周期较长； 6 6 生产成本低。生产成本低。 1 VARI1 VARI成型工艺简介成型工艺简介 1.3 VARI成型工艺特点成型工艺特点 1 VARI1 VARI成型工艺简介成型工艺简介 船体船体风机叶片风机叶片 1.4 VARI成型工艺适用领域成型工艺适用领域 机翼壁板机翼壁板 船舶、船舶、风机叶片、风机叶片、飞机等飞机等大型，超大型结构大型，超大型结构 2VARIVA

5、RI工艺树脂与工艺树脂与NCFNCF织物织物 （VARI成型复合材料的两个重要组分材料）成型复合材料的两个重要组分材料） 2.1 VARI工艺对树脂要求工艺对树脂要求 n 1 黏度低，粘度范围：黏度低，粘度范围：0.1-0.3Pa.s; n 2 足够长时间内黏度不变，有利于浸透、排气足够长时间内黏度不变，有利于浸透、排气; n 3 可在较低温度下完全固化可在较低温度下完全固化; n 4 固化时无需额外压力，只需真空压力固化时无需额外压力，只需真空压力; n 5 具有良好的力学性能，满足结构使用要求具有良好的力学性能，满足结构使用要求; n 6 具有较高的玻璃化转变温度，满足耐热要求。具有较高的

6、玻璃化转变温度，满足耐热要求。 2 VARI2 VARI工艺树脂与工艺树脂与NCFNCF织物织物 2.2 VARI工艺树脂种类工艺树脂种类 2 VARI2 VARI工艺树脂与工艺树脂与NCFNCF织物织物 聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、双马树脂、氰酸酯树脂等。聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、双马树脂、氰酸酯树脂等。 成本较低，强度和成本较低，强度和 耐热性较差，主要耐热性较差，主要 应用于船舶领域。应用于船舶领域。 性能相对较高，主要性能相对较高，主要 应用于航空航天领域应用于航空航天领域 ，风机叶片也大多采，风机叶片也大多采 用环氧树脂。用环氧树脂。 2.3 VARI树脂低粘度平台（工艺窗

7、口）预报树脂低粘度平台（工艺窗口）预报 2 VARI2 VARI工艺树脂与工艺树脂与NCFNCF织物织物 树脂粘度树脂粘度- -温度曲线温度曲线树脂粘度树脂粘度- -时间曲线时间曲线 对同一种树脂，通常二者对同一种树脂，通常二者 不可兼得不可兼得 VARIVARI树脂两个重要工艺参数：注胶温度，操作时间树脂两个重要工艺参数：注胶温度，操作时间 根据具体结构，选择合适根据具体结构，选择合适 的注胶温度，同时满足粘的注胶温度，同时满足粘 度和工艺操作时间要求度和工艺操作时间要求 VARI树脂要求：粘度树脂要求：粘度 低，操作时间长低，操作时间长 最佳交联固化温度范围最佳交联固化温度范围 起始固化温

8、度起始固化温度 峰值温度峰值温度 升温速率升温速率0/min起始固化温度起始固化温度 （凝胶温度）（凝胶温度） 升温速率升温速率0/min峰值温度峰值温度 （固化温度）（固化温度） 2.4 树脂固化特性树脂固化特性 2 VARI2 VARI工艺树脂与工艺树脂与NCFNCF织物织物 不同升温速率下树不同升温速率下树 脂体系的脂体系的DSC分析分析 外推法求升温速率为外推法求升温速率为0/min固固 化起始温度和峰值温度化起始温度和峰值温度 树脂固化温度树脂固化温度 2 VARI2 VARI工艺树脂与工艺树脂与NCFNCF织物织物 2.4 树脂固化特性树脂固化特性 -500501001502002

9、50300350400 HH t/min 等温等温DSCDSC扫描扫描 固化时间固化时间 2 VARI2 VARI工艺树脂与工艺树脂与NCFNCF织物织物 2.5 NCF织物织物 NCF（non-crimp fabrics）织物是利用先进的经编技术将连续的长纤维经多层平直铺放并进）织物是利用先进的经编技术将连续的长纤维经多层平直铺放并进 行行Z向缝合而形成的无卷曲的定向结构织物。向缝合而形成的无卷曲的定向结构织物。 NCF织物织物普通机织物普通机织物 2 VARI2 VARI工艺树脂与工艺树脂与NCFNCF织物织物 2.5 NCF织物织物 n（1）更好的拉伸性能；）更好的拉伸性能； n（3）更

10、高的损伤容限；）更高的损伤容限； 与普通织物结构上的差别：与普通织物结构上的差别： n NCF织物的纱线是伸直而相互平行的，而普通织物的线是卷曲的。织物的纱线是伸直而相互平行的，而普通织物的线是卷曲的。 n NCF织物为多层结构，目前最多可达八层，而普通织物一般只有两层。织物为多层结构，目前最多可达八层，而普通织物一般只有两层。 n NCF织物各层之间用缝线线缝合，纱线不容易移动，而普通织物的纱线容易滑动。织物各层之间用缝线线缝合，纱线不容易移动，而普通织物的纱线容易滑动。 与普通织物性能上的差别与普通织物性能上的差别 n（2）更高的抗疲劳性能；）更高的抗疲劳性能； n（4）更好的浸润性，更高

11、的工作效率。）更好的浸润性，更高的工作效率。 3 VARIVARI成型的主要问题及技术要求成型的主要问题及技术要求 3.1 VARI成型的主要问题成型的主要问题 3 VARI3 VARI成型的主要问题及技术要求成型的主要问题及技术要求 出现干斑、干区；出现干斑、干区；（局部渗透率变化、流道效应等）（局部渗透率变化、流道效应等） 夹杂气泡；夹杂气泡；（漏气、树脂脱泡不干净，小分子挥发等）（漏气、树脂脱泡不干净，小分子挥发等） 厚度或纤维体积含量不均匀；厚度或纤维体积含量不均匀；（压力梯度等）（压力梯度等） 1 4 3 2 纤维体积含量低。纤维体积含量低。（固化压力低，不超过一个大气压力等）（固化

12、压力低，不超过一个大气压力等） 3 VARI3 VARI成型的主要问题及技术要求成型的主要问题及技术要求 1 采用粘度低、力学性能好的树脂采用粘度低、力学性能好的树脂; 2 树脂粘度应在树脂粘度应在0. 10. 3Pas范围内，便于流动和渗透范围内，便于流动和渗透; 3足够长时间内树脂粘度不超出足够长时间内树脂粘度不超出0. 3Pas; 4 树脂对纤维浸润角小于树脂对纤维浸润角小于8; 5 足够的真空度，真空度不低于足够的真空度，真空度不低于-97KPa; 6 选择合适的导流介质，利于树脂流动和渗透选择合适的导流介质，利于树脂流动和渗透; 7 保证良好的密封，防止空气进入体系而产生气泡保证良好

13、的密封，防止空气进入体系而产生气泡; 8 合理的流道设计，避免缺陷的产生。合理的流道设计，避免缺陷的产生。 3.2 VARI成型的技术要求成型的技术要求 （VARI成型厚度无法直接控制，影响结构装配和力学性能，成为成型厚度无法直接控制，影响结构装配和力学性能，成为VARI成型主要问题之一）成型主要问题之一） 4 VARIVARI成型厚度变化规律成型厚度变化规律 4.1 VARI成型厚度影响因素成型厚度影响因素 织物所受织物所受 的净压力的净压力 织物的压织物的压 缩特性缩特性 织物与树织物与树 脂的相互脂的相互 作用作用 VARI成型成型 厚度厚度 4 VARI4 VARI成型厚度变化规律成型

14、厚度变化规律 crn PPP 4.2 VARI成型压力分析成型压力分析 为总压力为总压力 （大气压力，且保持不变）（大气压力，且保持不变） 树脂压力树脂压力 预成型体所受的净压力预成型体所受的净压力 4 VARI4 VARI成型厚度变化规律成型厚度变化规律 4 VARI4 VARI成型厚度变化规律成型厚度变化规律 树脂吸注前树脂吸注前树脂吸注过程中树脂吸注过程中树脂吸注完树脂吸注完 4.2 VARI成型压力分析成型压力分析 4 VARI4 VARI成型厚度变化规律成型厚度变化规律 4.3 VARI成型厚度监测成型厚度监测 VARI成型厚度监测装置成型厚度监测装置 涡流传感器涡流传感器 控制与数

15、据采控制与数据采 集系统集系统 4 VARI4 VARI成型厚度变化规律成型厚度变化规律 厚度监测结果厚度监测结果 第一阶段：第一阶段： 树脂吸注，织物厚度迅速增大树脂吸注，织物厚度迅速增大 第二阶段第二阶段 持续注胶，持续注胶， 厚度基本厚度基本 不变化不变化 第三阶段：第三阶段： 注胶结束，关闭树脂管，注胶结束，关闭树脂管， 厚度迅速减小厚度迅速减小 4.3 VARI成型厚度监测成型厚度监测 VARIVARI成型的流道设计与模拟成型的流道设计与模拟5 （干斑是（干斑是VARI成型主要问题之一，而合理的流道设计可有效减少干斑的产生）成型主要问题之一，而合理的流道设计可有效减少干斑的产生） 流

16、道设计最流道设计最VARI工艺的主要部分之一，包括树脂流道和真空管路设计。工艺的主要部分之一，包括树脂流道和真空管路设计。 合理的流道设计合理的流道设计 避免树脂发生干涉以及制件干斑的形成避免树脂发生干涉以及制件干斑的形成 缩短树脂渗透时间缩短树脂渗透时间 5.1 VARI成型的流道设计成型的流道设计 5 VARI5 VARI成型的流道设计与模拟成型的流道设计与模拟 干斑干斑（树脂浸渍不充分的区域树脂浸渍不充分的区域） 干区干区（树脂完全未浸渍的区域）树脂完全未浸渍的区域） 流道设计不合理，容易形成干班和干区等严重缺陷！流道设计不合理，容易形成干班和干区等严重缺陷！ 5 VARI5 VARI成

17、型的流道设计与模拟成型的流道设计与模拟 5.1 VARI成型的流道设计成型的流道设计 为保持树脂凝胶前模腔内的持续为保持树脂凝胶前模腔内的持续 真空度，需要连续不断抽真空排真空度，需要连续不断抽真空排 出模腔内的气体，由于树脂粘度出模腔内的气体，由于树脂粘度 相对较低，如果真空通道设置不相对较低，如果真空通道设置不 合理，抽气的同时容易将大量的合理，抽气的同时容易将大量的 树脂，从而导致制品大面缺胶。树脂，从而导致制品大面缺胶。 过抽过抽 真空通道设置不合理，容易导致过抽！真空通道设置不合理，容易导致过抽！ 5 VARI5 VARI成型的流道设计与模拟成型的流道设计与模拟 5.1 VARI成型

18、的流道设计成型的流道设计 5.2 VARI成型树脂流道设计方式成型树脂流道设计方式 高渗透介质型高渗透介质型沟槽型沟槽型 在模具表面上加工导流槽在模具表面上加工导流槽; ;将高渗透介质（导流网）铺将高渗透介质（导流网）铺 放在增强体表面，树脂从增放在增强体表面，树脂从增 强体表面向内部渗透。强体表面向内部渗透。 在泡沫芯材上开孔或制槽在泡沫芯材上开孔或制槽 来作为树脂流动的通道来作为树脂流动的通道; ; 横向与纵向的混合流动，横向与纵向的混合流动， 形成抛物线状树脂流动前锋形成抛物线状树脂流动前锋 两种形式混合两种形式混合 在模具上加工一个或几个主在模具上加工一个或几个主 要的沟槽作为进胶的通

19、道，要的沟槽作为进胶的通道， 用导流介质将树脂快速分散。用导流介质将树脂快速分散。 开孔开槽夹芯材料中树脂流动开孔开槽夹芯材料中树脂流动 5 VARI5 VARI成型的流道设计与模拟成型的流道设计与模拟 5.3 VARI成型树脂流道设计原则成型树脂流道设计原则 1 尽可能缩短树脂流动尽可能缩短树脂流动 距离，缩短树脂流动距离，缩短树脂流动 时间，且各流道之间时间，且各流道之间 树脂流动距离尽量保树脂流动距离尽量保 持一致；持一致； 2 保证树脂流动在树脂保证树脂流动在树脂 的工艺操作时间内完的工艺操作时间内完 成。成。 3 流道之间不能发生干流道之间不能发生干 涉。但对于复杂结构涉。但对于复杂

20、结构 ，如没有更为合适的，如没有更为合适的 流道设计方法，可以流道设计方法，可以 在干涉区域增加快速在干涉区域增加快速 通道，保证在干涉区通道，保证在干涉区 域的树脂通畅域的树脂通畅。 5 VARI5 VARI成型的流道设计与模拟成型的流道设计与模拟 由于在实际构件的流道设计过程中，往往需要采用多种树脂流道组由于在实际构件的流道设计过程中，往往需要采用多种树脂流道组 合，只靠工艺实验很难准确掌握树脂在预成型体中的流动状态，而且合，只靠工艺实验很难准确掌握树脂在预成型体中的流动状态，而且 还需要消耗大量的人力和原材料。还需要消耗大量的人力和原材料。 所以，通常采用数值模拟软件模拟树脂流动行为，并

21、对所以，通常采用数值模拟软件模拟树脂流动行为，并对VARI工艺工艺 流道进行设计。流道进行设计。 5.4 VARI成型树脂流动模拟成型树脂流动模拟 5 VARI5 VARI成型的流道设计与模拟成型的流道设计与模拟 5 VARI5 VARI成型的流道设计与模拟成型的流道设计与模拟 PAM- RTM 是针对是针对 RTM、 VARI 等液体成型等液体成型 工艺开发的专业三工艺开发的专业三 维过程模拟软件维过程模拟软件 能够方便地模拟出能够方便地模拟出 树脂在预成型体内树脂在预成型体内 的流动状态、压力的流动状态、压力 分布及充模时间等分布及充模时间等 可以节约大量可以节约大量 的人力和物力的人力和物力 为为VARI工艺的流道工艺的流道 设计、工艺中瑕疵设计、工艺中瑕疵 点的排除起着重要点的排除起着重要 作用作用 5.