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摘 要：本文分析了VARI工藝系統(tǒng)真空對(duì)成型質(zhì)量的重要性，通過(guò)在VARI工藝的進(jìn)膠管道、出膠管道及真空袋等不同部位設(shè)置滲漏點(diǎn)，調(diào)整滲漏點(diǎn)的大小控制真空滲漏的嚴(yán)重程度并開(kāi)展工藝實(shí)驗(yàn)，對(duì)研制的不同實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行外觀、超聲、厚度、性能等檢查和測(cè)試，得出了VARI工藝過(guò)程中真空滲漏的位置和程度與成型質(zhì)量之間的關(guān)系。
關(guān)鍵詞：VARI；真空滲漏；成型質(zhì)量；孔隙率；厚度
1 前 言
復(fù)合材料的低成本制造技術(shù)已經(jīng)成為新一代復(fù)合材料的發(fā)展方向。真空輔助樹(shù)脂滲透(Vacuum Assisted Resin Infusion，簡(jiǎn)稱(chēng)VARI)作為一種典型的低成本成型工藝已廣泛應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)上。與預(yù)浸料，熱壓罐工藝相比，VARI工藝具有：(1)無(wú)需價(jià)格昂貴的熱壓罐和預(yù)浸料，設(shè)備、材料和工藝成本低；(2)適用于大型或超大型零件的整體成型；(3)環(huán)境污染小。鑒于VARI工藝的上述優(yōu)點(diǎn)，空客和波音公司已率先將其在航空復(fù)合材料構(gòu)件上進(jìn)行了商業(yè)化應(yīng)用。中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中航復(fù)材)于20世紀(jì)90年代率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)展了VARI技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)的VARI專(zhuān)用樹(shù)脂體系BA9912、BA9914其工藝性及其復(fù)合材料力學(xué)性能均達(dá)到了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的水平，采用VARI工藝研制的航空典型結(jié)構(gòu)件已在多個(gè)項(xiàng)目中進(jìn)行了驗(yàn)證和應(yīng)用。圖1所示為中航復(fù)材公司采用VARI工藝成形的機(jī)翼盒段試驗(yàn)件(結(jié)構(gòu)尺寸為4500min×1200mm×200mm)。
真空滲漏是VARI工藝過(guò)程中常見(jiàn)的一種工藝缺陷，輕微真空滲漏即可能造成零件孔隙超標(biāo)和厚度超差，甚至導(dǎo)致零件出現(xiàn)疏松及干斑等嚴(yán)重缺陷。本文針對(duì)VARI工藝成型過(guò)程中存在的真空滲漏現(xiàn)象，在VARI工藝系統(tǒng)的不同位置預(yù)設(shè)滲漏點(diǎn)，通過(guò)改變滲漏點(diǎn)的大小來(lái)控制真空滲漏的嚴(yán)重程度，通過(guò)觀察成型過(guò)程的系統(tǒng)真空狀態(tài)及對(duì)研制的真空滲漏實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行外觀檢查和內(nèi)部檢測(cè)，終得出VARI工藝過(guò)程中真空滲漏的位置和程度與成型質(zhì)量之間的關(guān)系。
2 實(shí)驗(yàn)材料與方法
2.1 實(shí)驗(yàn)材料
2.1.1 增強(qiáng)材料
U－3160，CCF300－3K碳纖維單向機(jī)織物，面密度為160g／m2。
2.1.2 樹(shù)脂體系
BA9914，高溫環(huán)氧樹(shù)脂，樹(shù)脂轉(zhuǎn)移溫度70～75℃，6h操作期內(nèi)樹(shù)脂粘度<300cps；
2.1.3 實(shí)驗(yàn)件尺寸
實(shí)驗(yàn)件的尺寸為600mm×600mm×2.56mm，鋪層為[45／0／-45／90]2s。
2.2 實(shí)驗(yàn)方法
選取在區(qū)域l(樹(shù)脂進(jìn)膠管路截門(mén)前)、區(qū)域2(樹(shù)脂出膠管路截門(mén)后)和區(qū)域3(進(jìn)出膠管道截門(mén)之間)預(yù)設(shè)滲漏點(diǎn)，具體位置見(jiàn)圖2。系統(tǒng)真空讀數(shù)不小于0.097MPa定義為真空正常；系統(tǒng)真空讀數(shù)不小于0.095MPa定義為真空輕微滲漏；系統(tǒng)真空讀數(shù)小于0.095MPa定位為真空嚴(yán)重滲漏。將真空正常實(shí)驗(yàn)件編號(hào)為B0，將區(qū)域1輕微滲漏／嚴(yán)重滲漏實(shí)驗(yàn)件編號(hào)為B1／B2；區(qū)域2輕微滲漏／嚴(yán)重滲漏實(shí)驗(yàn)件編號(hào)為B3／B4；區(qū)域3輕微滲漏儼重滲漏實(shí)驗(yàn)件編號(hào)為B5／B6。所有實(shí)驗(yàn)件均進(jìn)行外觀目視檢查、超聲A掃描檢測(cè)和厚度分布測(cè)量。
3 結(jié)果與分析
3.1 區(qū)域1滲漏對(duì)成型質(zhì)量的影響
經(jīng)目視檢查發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)件B1表面光滑、平整，未發(fā)現(xiàn)外觀質(zhì)量缺陷；實(shí)驗(yàn)件B2有表面干斑缺陷。經(jīng)超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)件B1內(nèi)部存在少量分散性氣孔，實(shí)驗(yàn)件B2內(nèi)部存在孔隙密集缺陷。對(duì)實(shí)驗(yàn)件B1及B2進(jìn)行孔隙率測(cè)試和厚度測(cè)試的結(jié)果見(jiàn)圖3及圖4。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，區(qū)域1輕微滲漏對(duì)零件的終成型質(zhì)量影響不大。其原因是從滲漏點(diǎn)混入低粘度樹(shù)脂的少量氣泡較易在真空狀態(tài)下逃逸，同時(shí)致密的纖維層和樹(shù)脂導(dǎo)流層對(duì)氣泡有過(guò)濾的作用，因此對(duì)成型質(zhì)量基本無(wú)影響。當(dāng)區(qū)域1出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏時(shí)，對(duì)零件的終成型質(zhì)量有較大的影響，其原因是大量的氣體從滲漏點(diǎn)混入樹(shù)脂中，使樹(shù)脂的流動(dòng)不連續(xù)，妨礙樹(shù)脂對(duì)纖維增強(qiáng)預(yù)制體的正常滲透；其次，大量的氣體不但無(wú)法通過(guò)系統(tǒng)抽真空完全排除，并且削弱了作用在纖維增強(qiáng)預(yù)制體上的真空壓力，導(dǎo)致了成型后的實(shí)驗(yàn)件B2厚度及孔隙率含量超差，纖維體積含量偏低。
3.2 區(qū)域2滲漏對(duì)成型質(zhì)量的影響
經(jīng)目視檢查發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)件B3表面欠光滑，在纖維束與緯紗編織的節(jié)點(diǎn)存在點(diǎn)狀浸潤(rùn)不充分區(qū)域；實(shí)驗(yàn)件B4有表面塊狀干斑缺陷。經(jīng)超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)件B3內(nèi)部存在孔隙密集區(qū)域，實(shí)驗(yàn)件B4內(nèi)部存在大面積疏松及孔隙密集區(qū)域。對(duì)實(shí)驗(yàn)件B3及B4進(jìn)行孔隙率測(cè)試和厚度測(cè)試的結(jié)果見(jiàn)圖5及圖6。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，區(qū)域2的輕微滲漏對(duì)零件的終成型質(zhì)量有影響；區(qū)域2的嚴(yán)重滲漏對(duì)零件的終成型質(zhì)量有較大影響。其原因是區(qū)域2的滲漏存在于VARI工藝操作的全程中。雖然在樹(shù)脂滲透過(guò)程中，通過(guò)真空袋滲漏點(diǎn)進(jìn)入系統(tǒng)的較大部分氣體能被致密的纖維層和樹(shù)脂導(dǎo)流層阻擋并通過(guò)出膠管道抽離系統(tǒng)，但在關(guān)閉進(jìn)出膠通道后，外部氣體仍然會(huì)通過(guò)滲漏點(diǎn)進(jìn)入預(yù)制體內(nèi)部而無(wú)法從排除，從而導(dǎo)致零件產(chǎn)生缺陷。從圖5和圖6可以看出，只要區(qū)域2存在滲漏現(xiàn)象，均會(huì)對(duì)零件的成型質(zhì)量造成影響，而與滲漏的程度無(wú)關(guān)。
3.3 區(qū)域3滲漏對(duì)成型質(zhì)量的影響
經(jīng)目視檢查發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)件B5表面光滑、平整，實(shí)驗(yàn)件B6表面經(jīng)緯紗交接點(diǎn)存在點(diǎn)狀缺陷。經(jīng)超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)件B5內(nèi)部不存在質(zhì)量缺陷，實(shí)驗(yàn)件B6內(nèi)部存在分散性孔隙密集區(qū)域。對(duì)實(shí)驗(yàn)件B5及B6進(jìn)行孔隙率測(cè)試和厚度測(cè)試的結(jié)果見(jiàn)圖7及圖8。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，區(qū)域3的輕微滲漏對(duì)零件的終成型質(zhì)量影響不大。其原因是通過(guò)區(qū)域3進(jìn)入的外部氣體可通過(guò)出膠管道迅速被排出，并不會(huì)進(jìn)人系統(tǒng)內(nèi)部影響樹(shù)脂對(duì)纖維增強(qiáng)預(yù)制體的滲透，在關(guān)閉進(jìn)出膠通道步驟后，該滲漏被終止，因此對(duì)成型質(zhì)量基本無(wú)影響。而區(qū)域3的嚴(yán)重滲漏對(duì)零件的終成型質(zhì)量有一定的影響，雖然通過(guò)區(qū)域3進(jìn)入的外部氣體大部分能通過(guò)出膠管道排出，但會(huì)嚴(yán)重影響樹(shù)脂從出膠管道排出，進(jìn)而影響樹(shù)脂對(duì)纖維增強(qiáng)預(yù)制體的滲透速度。此外，真空滲漏降低了系統(tǒng)的總真空度，削弱了作用在纖維增強(qiáng)預(yù)制體上的真空壓力，同時(shí)纖維增強(qiáng)預(yù)制體內(nèi)部的氣體無(wú)法完全排凈，導(dǎo)致成型的零件出現(xiàn)了缺陷。
4 結(jié) 論
通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可得出如下結(jié)論：(1)當(dāng)系統(tǒng)真空出現(xiàn)輕微滲漏時(shí)，對(duì)VARI工藝成型制件的終質(zhì)量的影響需根據(jù)滲漏部位進(jìn)行判定：①當(dāng)滲漏位于系統(tǒng)進(jìn)出膠截門(mén)之間時(shí)，對(duì)零件的終成型質(zhì)量有影響；②當(dāng)滲漏位于系統(tǒng)進(jìn)出膠截門(mén)之外時(shí)，對(duì)零件的終成型質(zhì)量影響不大；(2)當(dāng)系統(tǒng)真空出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏時(shí)，對(duì)VARI工藝成型制件的終質(zhì)量均有嚴(yán)重影響。