先進樹脂基復合材料廣泛應用于航空航天領域^[1,2]，但是，先進樹脂基復合材料面臨的一個突出的問題-成本過高，使得對復合材料很感興趣的船舶工業、汽車工業、建筑業等望而卻步，限制了復合材料更廣泛的應用。在復合材料總成本中，制造成本約占60%~70%，所以要降低先進樹脂基復合材料的成本，必須要有一種低成本的復合材料成型技術。一些低成本的制造技術如RTM、RFI工藝等應運而生^[3]。
    近年來，VARI成型技術作為一種高性能、低成本的非熱壓罐成型技術在航空航天領域受到廣泛重視，并被美國實施的低成本復合材料計劃(CAI計劃)作為一項關鍵低成本制造技術。它是在真空狀態下排除纖維增強體中的氣體，通過樹脂的流動、滲透，實現對纖維及其織物的浸漬，并在室溫下進行固化，形成一定樹脂、纖維比例的工藝方法^[3]。
1 VARI簡介
    與其他工藝相比,VARI具有以下優點^[3,4,6]:①模具成本低。VARI成型不需要能承受注射壓力的成型模具，也不需要成型壓力；②大厚度、大尺寸制件的成型使用VARI更為適合,尤其適用于船舶、汽車、飛機等結構件；③處于真空負壓下的樹脂將完全滲透、浸漬層壓板，沒有了二次膠接帶來的麻煩；④同大多數復合材料成型工藝相比,VARI具有很好的可重復性；⑤成型的制品纖維含量高、性能高、孔隙率低；⑥作為一種閉模成型工藝，VARI在樹脂固化的循環過程中限制了交聯劑的揮發，對環境幾乎無污染。
    盡管VARI具有很多優點，但作為一種液體成型技術，在復合材料成型過程中，依然有許多難點需要解決，如對樹脂流動的控制以及白斑的防止、樹脂/纖維比例的一致等，需要從微觀和宏觀的機理上深入研究^[4]。根據研究及經驗，要實現有效地VA-RI制造，關鍵技術有以下幾點：①具有低粘度、能常溫固化、良好力學性能的樹脂；②樹脂粘度應在0.1~0.3Pa?s范圍內；③2h高溫環境下樹脂粘度不超出0.3Pa?s；④樹脂對纖維浸潤角小于8°；⑤足夠的真空度使疊層壓實；⑥選擇合適的滲透層；⑦良好的密封；⑧合理的流道設計。
2 VARI專用樹脂
    基體樹脂是復合材料成型技術的基礎材料，在真空輔助成型中，對基體樹脂的要求為^[5]:低粘度，僅借助真空即可在增強劑堆積的高密度預成型體中流動、浸潤、滲透；足夠長時間的不變粘度；可在室溫下固化；固化時無需額外壓力；具有良好的韌性、抗腐蝕性(耐酸、堿和海水)和可加工性；具有較高的玻璃化轉變溫度；具有優良的阻燃性能。
    目前國外針對VARI成型技術開發了一系列基體樹脂,主要有聚酯樹脂、乙烯基樹脂、環氧樹脂、雙馬樹脂、氰酸酯樹脂等。其中聚酯樹脂、乙烯基樹脂由于強度和耐熱性較差，成本較低，主要應用于船舶領域^[6]。航空航天領域主要采用低粘度環氧樹脂、雙馬樹脂等。美國著名航空復合材料公司Cytec Fi-berite公司開發了低粘度的高性能基體樹脂CY-COM823RTM環氧樹脂體系，室溫黏度低于0.3Pa?s，可室溫注射，適用于RTM和VARI低成本成型工藝。據報道，美國Dow化學公司復合材料部也推出了低粘度環氧樹脂體系DER329，用于真空輔助樹脂浸漬成型，特點為脫模周期短、超低粘度、良好的力學性能、熱性能和耐腐蝕性，所做的渦輪機葉片部件能耐恒定振動，能在較寬的溫度范圍(-30~60℃)下長期應用，并能承受極端氣候變化引起的巨大動力能。此外，New-port復合材料公司開發的NBV-800樹脂也為室溫注射、中溫固化的環氧樹脂體系，其室溫粘度約為0.3Pa?s，滿足VARI成型技術低粘度要求，固化條件為120℃/2h，雙組分體系。Newport公司應用該樹脂制造了大型復合材料構件，取得了良好的應用效果。
    國內目前針對VARI成型技術開發的樹脂主要為BA9911和BA9912兩個體系，均由北京航空制造工程研究所開發,并已進行了大量的VARI成型工藝研究。其中,BA9911樹脂屬于乙烯基-雙馬樹脂改性體系,粘度低于0.3Pa?s,工作壽命大于4h，可在室溫下注射和固化，具有較好的耐熱性和阻燃性，主要適用于船舶、艦艇領域。BA9912樹脂屬于環氧樹脂體系，中溫固化(120℃/4h)，初始注射粘度約為0.27Pa?s，低粘度約為0.02Pa?s,可室溫注射，該樹脂力學性能、耐熱性能和工藝性能優良，在無人機、民機次承力結構上獲得應用。國防科技大學與四川亭江科技股份公司合作開發了雙酚F及雙酚F環氧樹脂^[7,8]，生產出了與國外產品性能相當的低粘度雙酚F環氧樹脂產品，結束了無國產低粘度雙酚F型環氧樹脂產品的歷史。產品的主要技術指標如下^[7]:環氧值:0.50~0.55eq/100g;粘度(25℃):＜4000mPa?s；分子量分布：340~380；易皂化氯:＜0.01％；無機氯:＜50ppm(10^-6)；主要力學性能：拉伸強度＞70MPa；彎曲強度＞140MPa。
3 VARI的成型方法
    VARI的主要成型過程(以碳布為增強材料制造VARI復合材料平板為例)如下^[6,18]：
    (1)模板制造：根據結構件的尺寸與形狀來設計和制造模板。
    (2)裁布：將碳布按樣板裁剪成所需的大小和形狀。
    (3)鋪層與封裝：在進行封裝之前，需要在模板上貼一層脫膜布，以便成型后制件和模具順利分開。根據制件的大小和形狀來確定進膠通路和真空通路的布置。
    (4)抽真空：封裝完成后進行抽真空。抽真空可預壓實疊層塊，有助于控制復合材料板件終厚度，還可抽出多余氣體，減少復合材料的缺陷，保證層壓板質量。同時根據制件的大小準備適量的VARI樹脂。
    (5)樹脂吸注：確定封裝系統無漏氣，并達到一定真空度，便開始吸注樹脂。樹脂吸注過程中能肉眼觀察到膠液流動情況，注膠結束時碳布應被完全浸透。完畢后用密封夾具密封吸膠管。
    (6)固化：若為室溫固化，則將注膠完畢的板材靜置預定固化時間使之固化完全。若為加熱固化，則將之移到烘箱中加熱，按預定固化工藝規范進行固化處理。
    (7)檢測：制成的復合材料板件外觀應光滑、平整。對成型后的制件進行無損檢測分析。
4 VARI的樹脂的分配系統
    根據樹脂的分配系統，可將工藝分為兩種，一種為高滲透介質型，另一種為溝槽型^[9~11]。 [-page-]
4.1 高滲透介質型
    高滲透介質型真空注射成型工藝是在模具上先鋪覆增強材料，接著在增強纖維上鋪設剝離層，再在剝離層上鋪設高滲透介質，然后用真空袋密封，樹脂在真空力的作用下同時從平面和厚度方向浸漬增強材料。高滲透性介質一般都是采用編制的立體網狀結構，有利于樹脂的流動和滲透。這種方式是樹脂從預成型體的上表面向下表面滲透。
    祝穎丹等人^[12]在高滲透介質型真空注射成型工藝的研究中發現，對于某固定尺寸的制件，無高滲透介質時，樹脂充模時間為1939s，而有高滲透介質時，充模時間為70s，可見高滲透介質的存在使得充模時間大為減少，將近減少27倍。這說明，高滲透介質是影響高滲透介質型真空注射成型工藝的主要因素。實驗還發現，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、平衡布置，以避免干點的產生。
4.2 溝槽型
    高滲透介質型設計相對靈活且簡單，但一些材料如剝離層、高滲透介質等不能重復使用，不僅產生了固體廢棄物且增加了生產成本，充模速度也相對較慢。溝槽型則可克服這些缺點，不需要高滲透介質和剝離材料，同時溝槽的滲透率遠遠高于高滲透介質，充模速度得到大幅度提高，特別適合于大型、加筋和夾芯異型結構件的制備^[13~15]。溝槽的設計主要有以下幾種方式^[4]：
    (1)在模具表面上加工導流槽。這種形式的裝置是樹脂從制件下表面往上表面進行滲透。在模具表面上加工出合適的溝槽以作為流膠通道。溝槽的尺寸和數量要根據制件的形狀、尺寸以及樹脂的粘度通過實驗來確定。對于復雜型面的模具，溝槽加工也有一定的困難，并且增加了模具成本。
    (2)在泡沫芯材上開孔或制槽來作為樹脂流動的通路。泡沫芯材放在模具的表面上，樹脂從預成型體的下表面向上表面滲透。開孔或制槽(槽的形式很多，可以是單向的，也可以是十字交錯的)的泡沫芯材終是產品的一部分。
    李新華等人^[17]在溝槽型真空注射成型工藝的研究中發現，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。實驗還發現，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；但樹脂源和真空源的對稱性在溝槽型真空注射中并不如在高滲透介質型真空注射中重要，因為板材上的溝槽為真空提供了良好的通道。
    (3)在模具表面打孔作為樹脂和真空的通道。采用這種形式，樹脂為從下往上滲透，打孔或制槽的金屬板放置在預成型體的上下表面。其樹脂流動的主通道是在模具上制出合適的孔。
4.3 高滲透介質與溝槽的配合使用
    這種形式不需要在模具上加工出很多的溝槽，只需加工出一個或幾個主要的溝槽作為進膠的通道就可以了^[3]。也可以用管子來替代溝槽，不需要在模具表面加工。樹脂從下往上滲透，整個制件表面的樹脂流動就通過高滲透性的介質來完成。
5 VARI的樹脂流動模擬
    對于復合材料液體成型工藝而言,必要條件為樹脂對纖維充分浸潤,否則就會出現白斑、分層、薄厚不均、纖維含量低而強度不夠等一系列問題。對于小尺寸、形狀簡單的制件，流道易于設計，樹脂流動容易控制，對纖維的浸潤易達到要求；對于大尺寸或復雜構件，流道難以設計，樹脂流動不易控制，可能導致樹脂對纖維的浸潤性不好，鑒于高昂的模具和材料成本，不可能進行實驗找出佳方案，此時，工藝過程的建模和數字模擬對成型工藝的設計和優化變得非常重要。目前多用的數值方法為有限差分法、邊界元法、有限元法、控制體積有限元法等^[17]。
    控制體積有限元法(FE/CV)的出現使得數值模擬取得了重大進展,從兩維擴展到三維,計算精度也大為提高。其中有代表性的如個向異性多孔介質的充模過程模擬(薄壁殼體)、RTM三維非等熱充模過程模擬(薄壁殼體和簡單三維)，都使用了FE/CV法。計算結果與實驗結果符合的較好^[18]。Khattab等人^[27]針對VARI建立了一種虛擬流動模型，該模型利用基于有限差分法的控制體積法模擬樹脂在編織物中的流動行為。該模型可以預測樹脂流動模式、模腔內壓力分布以及產生的缺陷。柔性膜的機械變形和樹脂在模腔內的流動用一系列邊界條件下的數學公式來描述。基于這一模型，建立了一套數字模擬樹脂流動的方法。
    在FE/CV方法中，需要確定填充因子來表征某一區域的狀態(已填充或未填充),并且對時間步長做了限制，以確保準穩態近似的準確性。求解過程僅建立在連續性方程的基礎上，這就要求必須求解壓力場，顯式的確定速度場及流動速度。為了解決FE/CV方法中存在的問題，在研究中提出了純粹的有限元法。這種分析方法中采用了另一種方法來得到質量平衡方程，包含了填充系數對時間的導數，根據流經多孔介質的Darcy定律可以得到速度場的近似解，再引入對壓力場和填充系數的有限元近似,就避免了定義控制體積，實現了純粹的有限元方法。此外，還有一些比較著名的模擬方法，例如：標記單元法和流體體積法，以及體適應有限元法，后者的結點坐標由有限元法中的坐標經橢圓坐標變換得到。還有一些非一致有限元法，此方法的優點在于樹脂在局部嚴格滿足物質守恒，無需細化滲透率變化顯著的內部邊界處的網格。
    然而，已有的這些模擬方法是建立在假設制件足夠薄從而忽略了厚度變化。對于厚尺寸制件而言，需要考慮厚度方向的流動。對于有著高滲透層的多層纖維增強體也如此。當模具與樹脂溫度不同時，會引起樹脂的粘度變化，這時，樹脂在厚度方向的流動會不同。在以上這三種情況下，厚度方向熱傳導不能再忽略，因此必須對3D熱傳遞進行分析^[19~21]。然而，3D非等溫充模的數值模擬非常浪費計算機計算時間。因此，有人提出了以下兩種方法來節約時間，一種為由熱傳導和對流的Galerkin/Lesaint-Raviart逼近方程組成的純粹有限元法；另一種為混合方式：有限元用來分析平面熱交換，同時一個1D有限微分方程計算厚度方向熱流動。 [-page-] 
    對于種方法，已進行了多個實驗研究來模擬動量和熱傳導^[23,24]。該研究中，用網格改進技術和推出運算法則增強3D分析來產生終離散區域。實驗證明這種類型的單元可以準確解決充模問題。第二種方法中，Bruschke和Advani^[24]提出了基于平面流動的2D有限元法和控制體積法的一個混合模型。然而，盡管熱傳導/對流被3D有限差分(FD)解決，該方法忽略了厚度方向的熱對流，這是因為對流參數在有限差分中用了平均值。同樣的Ngo和Tamma^[26]在平面流動用了2DFE，熱傳遞/對流用了3DFE，這比3D流動分析快得多，但是又一次忽略了厚度方向的滲透性和樹脂流動中粘度的變化。
    此外，Joubaud等人^[26]研究了用RTM模擬軟件模擬PAM-RTM樹脂灌輸的技術，并提出了一種用于描述VARI滲透性隨壓力變化情況的模型。該模型考慮了制件的厚度變化以及增強體的可壓縮性。并以救護車頂板為例進行實例驗證，數字模擬與真實注射情況對比后發現，模擬樹脂流動前沿與真實情況非常相似。預測充模時間在真實時間5%以內。
6 VARI的國內外應用
    在航空航天上,美國洛克希德-馬丁公司研制的F-35戰機次采用VARI工藝制造的飛機座艙,在保證減重效率不變情況下,成本比熱壓罐工藝下降了38%。在由美國NASA資助的"波音預成型體"計劃中,V System Composites公司采用VARI工藝,對機翼結構復合材料及帶加強筋機身整體復合材料夾層結構的成型進行了驗證。波音公司已就此立項進行研究,對象是大型飛機機翼蒙皮。VARI成型工藝已被用于制造長3m的飛機翼梁。洛-馬公司在制造“三叉戟”IID5彈道導彈儀器艙段的復合材料構件時，為降低成本，終選用VARI成型技術制造彈道導彈儀器艙段，實現了一次整體成型，成本降低了75％(僅有熱壓罐工藝的1/4)^[6]。
    VARI現在也是FRP工業界和展覽會中的熱門話題。英國SP Systems使用VARI制造的FRP制件，孔隙率小，制件性能高，可大大節約工時，降低成本，大量應用于汽車零件的生產制造中。北美客車工業(NABI)已決定采用由TPIFRP公司用VARI制造的大型客車Compo Bus的車身客體，該殼體使用E-玻璃布作為增強體，整個車身分兩部分制造。13.2m長的車身殼體改用FRP后，質量由原來鋼制的13000kg減輕到10000kg，降低了汽車后軸的承載質量，提高了安全性^[3]。
    在船舶制造業中，VARI顯得特別重要：一塊長19.5m、寬3m的潛艇壁板在45min內就可以成型完畢。Hardcore FRP公司采用VARI制造的船用防護板，具有足夠的強度和剛度，完全可以承受3000t排量船只的撞擊；FRP的防護板比木制或鋼制的能吸收更多的能量，但比同樣大小的鋼制板減重近2700kg。North End公司用VARI成型了長為27.5m的船體，經檢驗，27.5m的輕質量的層合板，空隙含量幾乎為0，力學性能/纖維樹脂比均達到了與進料形式的熱壓罐低溫固化的制件水平，并且制造成本大大降低。英國Sandown級掃雷艇采用非磁性材料制造，整個艦艇的所用上層建筑和部分內部結構都為VARI FRP制件，可以抵抗很強沖擊。在隱身艦船方面，大多采用VARI成型的泡沫夾芯結構作為船艦殼體。如美國DD21“Zumwalt”級隱身驅逐艦、瑞典的“Visby”隱身輕巡邏快艇。美國海軍水面作戰中心在對力學性能作出分析后得出結論，VARI將是制造未來戰艦主要殼體結構的重要成型手段^[3]。
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