先進樹脂基復合材料具有比傳統結構材料優(yōu)越的力學性能，具有耐腐蝕、抗振阻尼和吸波透波等功能，在世界范圍內得到了迅速的發(fā)展。樹脂轉移模塑成型( Resin Transfer Molding，RTM)技術可制造高質量高精度的復雜制件，廣泛應用于宇航工業(yè)等高技術領域。但對于大型復雜的部件，RTM成型所需的雙面閉合模具的設計制造難度增大，模具制造費用高昂，且很難將制件的缺陷降低到一個可以接受的水平。真空輔助樹脂轉移模塑成型( Vacuum Assisted  Resin  TransferMolding，VARTM)技術是在RTM工藝基礎上發(fā)展而來的一種新型低成本先進復合材料制件的成型技術，它是在真空狀態(tài)下排除纖維預制件中的氣體，利用壓力差驅動樹脂流動、滲透，實現對纖維及其織物浸漬，并在室溫或加溫條件下進行固化，形成一定形狀尺寸和纖維體積分數復合材料制件的工藝方法。近年來，VARTM技術作為一種高性能和低成本大型復合材料制件制造技術有著較好較快的發(fā)展。

1  vARTMI藝用樹脂研究

       樹脂是研究VARTM成型工藝的基礎，直接影響VARTM工藝技術的應用。為保證工藝和制件質量，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性，以保證對增強體的浸潤和滲透完全；③具有良好的固化工藝性；④應具有良好的力學性能，以滿足結構使用要求。

       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，可調節(jié)性強，是目前VARTM工藝中應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)及生產低粘度環(huán)氧樹脂的公司有美國的Cytec Fiberite、SHELL及Dow化學公司等。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構上廣泛應用，如直升機的機身、螺旋槳葉、航天結構及發(fā)動機短艙等。Dow化學公司的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，力學性能、熱性能和耐腐蝕性優(yōu)良，成型的渦輪機葉片部件能耐恒定振動，能在較寬的溫度范圍內長期應用。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。文獻報道，  NASA開發(fā)了一系列樹脂體系，Brian.
WGrimsley等開發(fā)的碳纖維增強SI-ZG-5A環(huán)氧樹脂，制造了飛機“C”型結構件。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型號飛機的Wing box。波音公司采用SI-ZG-5A樹脂成型了戰(zhàn)斗機的復合材料座艙。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公司生產的Epoxy 1401-16/4101-17型環(huán)氧樹脂，AppliedPolymerics Inc生產的SC-15、SC-4型環(huán)氧樹脂等均可適用于VARTM工藝。

      國內適用于VARTM的低粘度環(huán)氧樹脂品種相對較少，資料報道較多的有TDE-85型環(huán)氧樹脂，它是一種三官能團的脂環(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性能和電性能。另外文獻報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)氧樹脂體系及經改性的環(huán)氧樹脂體系以其優(yōu)異的工藝性能和力學性能，在VARTM成型工藝中獲得了廣泛的應用。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和有機硅改性環(huán)氧樹脂體系。其中雙酚F型環(huán)氧樹脂因其獨特的性能、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，開發(fā)出3266中溫環(huán)氧樹脂，CAI值達到國際領先水平。

       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)氧樹脂之后先進復合材料的一個重要的基體材料。目茼，國內用于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)大學的盧忠遠‘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

       根據樹脂不同的分配系統，可以將VARTM成型工藝分成高滲透介質型和溝槽型。高滲透介質型VARTM成型工藝方法是在模具上放置纖維增強體，在纖維增強體上鋪設剝離層，再在剝離層上鋪設高滲透介質，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體。高滲透介質型VARTM成型工藝設計靈活，可成型形狀復雜制品，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，并減輕了部件質量、減少材料浪費。采用溝槽型VARTM成型工藝制造復合材料制件，最主要的工作之一就是根據實際情況設計樹脂流道和真空通路[12]，成型工藝不如高滲透介質型工藝設計簡單靈活。

        X．D．Sun、祝穎丹、李新華等對高滲透型和溝槽型VARTM工藝進行了試驗研究，對高滲透介質型VARTM工藝的研究表明，高滲透介質是決定充模時間的主要因素，高滲透介質層和預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的平面滲透率及預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盡可能對稱和平衡布置，以避免干點的產生。

       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遠高于高滲透介質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該平衡，不宜相差過大。要獲得較快且均勻的充模，樹脂源應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，然后才從溝槽進入預制。

       X.D. Sun[13-14]等模擬了兩種類型VARTM工藝，在試驗研究和有限元控制體積法(CVFEM)模擬的基礎上，將預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)。模型的預測結果和實驗結果有很好的一致性。M. Grujicic等在X．D．Sun研究的基礎上，對高滲透型VARTM成型過程進行了非等溫模擬研究。優(yōu)化結果表明，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合材料制件的厚度梯度進行了研究。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。通過植入纖維增強體中的傳感器來研究樹脂流速和表面值移的相關性，樹脂流動前沿三維動態(tài)圖像通過相應的軟件得以實現。其試驗研究結果表明，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，導致了制件厚度梯度的產生。樹脂在預制件中的流速越低，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層滲透至預制件層的特點，Ali Gokce等將滲透介質層作為預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層和預制件層的滲透率。John M. Bayldon等充分考慮流動前沿預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，能更準確地預測流動前沿區(qū)域預制件的厚度變化。Pavel Simacek[21]等對VARTM成型中的后注射過程進行了研究，分析了樹脂從受壓變形的高滲透介質層進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確性。

       以上基于數值模擬優(yōu)化工藝參數控制樹脂的流動行為的方法，縮短了工藝過程中工藝優(yōu)化的進程。但由于VARTM工藝邊界條件和工藝參數復雜，邊緣和流道效應等常超出數值模擬的能力范圍，僅靠數值模擬來優(yōu)化工藝往往不能完全避免實際工藝過程中制件出現“干斑”等缺陷。采用先進監(jiān)控技術實時采集和分析樹脂流動行為信息，并根據需要實時對樹脂流動行為進行調整的研究，是VARTM工藝技術研究的一個重要內容。

       Dominik Bende/22]等建立了一套流速控制試驗裝置。這套控制裝置通過對進料桶抽一定的真空來調節(jié)樹脂注入口和真空口之間的壓力差，壓力差調節(jié)由一套模糊邏輯系統根據進料桶中樹脂的質量和植入預制件中的傳感器對流動前沿的反饋自動控制。采用這套系統，據稱可成功實現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流動前沿位置的反饋和數值模擬的結果，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制件鋪層中滲透率的不均勻性，保證流動前沿的均勻推進，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，可很好的鋪貼在復雜構型的模具上，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樹脂流動的位置，從而實現對整個流動過程的控制，防止缺陷的產生。

       總體而言，在VARTM工藝過程的研究中，國外借助傳感器技術等先進手段，采用有限元控制體積法等數值模擬方法，對工藝過程進行優(yōu)化和控制，對易產生缺陷部位的樹脂流動進行實時監(jiān)控和調整。國內基本還處在憑經驗進行試制的階段，采用數值模擬等先進手段進行VARTM工藝研究的報道較少。

3 VARTM工程應用

        美國在20世紀80年代以來，先后實施了一系列與復合材料技術相關的研究計劃，如先進復合材料技術計劃(ACT，AdvancedCompositeTechnology Program)，經濟可承受的復合材料研究計劃(CAI，CompositeAffordability Initiative)等；歐盟也有針對民機的技術應用近期商業(yè)目標(TANGO, Technology Application tothe Near-TermBusiness Goals and Objectives)研究計劃。這些計劃使復合材料廣泛應用于軍用和民用飛機上，極大地提高了飛機的性能，并促進了材料業(yè)和航空制造業(yè)的共同快速發(fā)展。VARTM技術作為一種
高性能和低成本大型復合材料制件制造技術，在這一系列計劃中受到廣泛重視和應用。在美國先進戰(zhàn)斗機F-22上，每架飛機上的VARTM部件多達360個，總質量為254 kg。機冀中部構件、機翼尾部梁和肋、機身前部隔離框架和機身中部帽形加強肋及直徑為1.1 m、質量為27 kg的飛機引擎進氣口殼都是VARTM產品。空客大型軍用運輸機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等機型上也已著手進行真空輔助成型工藝試驗及驗證工作。隨著復合材料在民用飛機上應用量的急劇增長，VARTM技術在大型民用客機的制造中也獲得了廣泛應用。波音787機翼后緣由德哈維蘭公司采用VARTM工藝制造[31]，787機身的大部分地板，飛機的副翼、襟翼、擾流板以及機
身的后壓力隔框，A380的后機身壓力隔框、襟翼等均采用VARTM工藝制造。

        除航空航天領域，在船舶制造工業(yè)中，VARTM也獲得了廣泛應用。Hardcore復合材料公司采用VARTM工藝制造的船用防護板，具有足夠的強度和剛度，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、船體的上部構造也是用VARTM工藝制造；美國在建的DDG-1000朱姆沃爾特級導彈驅逐艦，船體外殼、艦船的一體化艙面船室等多采用VARTM復合材料夾芯板，據稱諾斯羅普格魯曼公司格爾夫波特工廠采用該工藝生產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構，樹脂的灌注時間為12 h。

       在其它行業(yè)，VARTM也得到了廣泛的應用。風力發(fā)電行業(yè)，目前全球3大風力發(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制造生產大型風力發(fā)電葉片，如LM公司采用VARTM成型開發(fā)出56 m長全玻璃纖維風力發(fā)電葉片[33]。汽車行業(yè)，英國SPsystems使用VARTM工藝制造復合材料制件，空隙率小，制件性能高，可大大節(jié)約工時，降低成本，大量應用于汽車零件的生產制造中。Lotus公司已實現VARTM工藝的大規(guī)模生產，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結語

       VARTM技術是十多年來發(fā)展起來的一種高性能和低成本大型復合材料制件制造技術，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；工藝過程的試驗研究和數值模擬發(fā)展迅速，國外借助先進技術手段，采用數值模擬方法等對工藝過程進行優(yōu)化和控制的研究日趨活躍，在航空、船舶等領域，VARTM成型工藝已獲得廣泛應用。

資料下載：   真空輔助樹脂轉移模塑工藝研究進展.pdf