复合材料真空灌注-RTM成型⼯艺及应⽤
概述
真空辅助树脂灌注成型⼯艺(VacuumAssisted Resin Infusion Molding)简称VARIM⼯艺，是在RTM(Resin Transfer Molding)⼯艺基础上发展起来的⼀种⾼性能、低成本的复合材料成型⼯艺。⾃80年代末开发出来，VARIM⼯艺作为⼀种新型的液体模塑成型技术(Liquid Composite Molding，简称LCM)，得到了航空航天、国防⼯程、船舶⼯业、能源⼯业、基础结构⼯程等应⽤领域的⼴泛重视，并被美国实施的低成本复合材料计划(Composite AffordabilityInitiative，简称CAI)作为⼀项关键低成本制造技术进⾏研究和应⽤。
如图1所⽰，VARIM⼯艺的基本原理是在真空负压条件下，利⽤树脂的流动和渗透实现对密闭模腔内的纤维织物增强材料的浸渍，然后固化成型。
VARIM⼯艺的基本流程包括：
(a) 准备阶段。包括单⾯刚性模具的设计和加⼯、模具表⾯的清理和涂覆脱模剂、增强材料(纤维织物、预成型件、芯材等)和真空辅助介质(脱模介质、⾼渗透导流介质、导⽓介质等)的准备等。
(b) 铺层阶段。在单⾯刚性模具上依次铺设增强材料、脱模布、剥离层介质、⾼渗透导流介质、树脂灌注
管道、真空导⽓管道等。
(c) 密封阶段。⽤密封胶带将增强材料及真空辅助介质密封在弹性真空袋膜内，并抽真空，保证密闭模腔达到预定的真空度。
(d) 灌注阶段。在真空负压下，将树脂胶液通过树脂灌注管道导⼊到密闭模腔内，并充分浸渍增强材料。
(e) 固化阶段。继续维持较⾼的真空度，在室温或加热条件下液体树脂发⽣固化交联反应，得到产品预成型坯。
(f) 后处理阶段。包括清理真空袋膜、导流介质、剥离层介质、脱模布等真空辅助介质和脱模修整等，最终得到制品。图1 真空辅助模塑成型(VARIM)⼯艺⽰意图
和传统的开模成型⼯艺以及RTM⼯艺相⽐，VARIM⼯艺具有以下优点：
(1) 模具成本低。与RTM⼯艺需要阴、阳双⾯刚性对模相⽐，VARIM⼯艺只需要单⾯刚性模具；与模压⼯艺需要承受⾼温⾼压的成型模具相⽐，模具的制造成本较低，适⽤于设计开发不同结构复杂外形的⼤型模具。
(2) 制品外形可控，尺⼨精确。VARIM⼯艺对制品尺⼨和形状的限制较少，可以⽤于航空航天、国防⼯程、船舶⼯业、能源⼯业、基础结构⼯程等领域中⼤厚度、⼤尺⼨结构制件的成型，如⽕箭外壳、风电叶⽚、汽车壳体等。
(3) 制品⼒学性能好，重复性⾼。与⼿糊构件相⽐，VARIM⼯艺成型制品的⼒学机械性能可以提⾼1.5倍以上，并且制品的纤维含量⾼、孔隙率低、结构缺陷少、表⾯均匀光滑、构件之间⼀致性⾼，因此VARIM⼯艺成型制品的质量稳定，具有很好的可重复性。双一流建设学科
(4) 环保性好。相⽐与开模成型时，苯⼄烯、丙酮等挥发性有机化合物(VOCs)的挥发量⾼达35~45 %，VARIM⼯艺作为⼀种闭模成型技术，在树脂灌注和固化过程中，易挥发物和有毒空⽓污染物均被局限于真空袋膜中，因此⼏乎不对环境造成污染，是VARIM⼯艺最突出的⼀个优点。
(5) ⽣产效率⾼。处于真空负压下的树脂能够沿着树脂灌注管道迅速导⼊到密闭模腔内，并在凝胶前充分快速渗透和浸渍增强材料，可整体成型⼤型复杂⼏何形状的夹芯和加筋结构件，与开模⼯艺相⽐，VARIM⼯艺可节约劳动⼒50 %以上。明星合成色图
VARIM⼯艺的主要原材料
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1.1.树脂
适⽤于VARIM⼯艺的树脂包括环氧树脂、⼄烯基树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等低粘度树脂。VARIM⼯艺对树脂的要求⼀般有以下⼏点：
(a) 树脂体系粘度低。⼀般要求树脂体系粘度在100~800 mPa·s，最佳粘度范围为100~300 mPa·s，从⽽使树脂在真空负压⼒作⽤下能够完全浸渍增强材料。如果树脂粘度过⾼，充模流动速度慢，并且对纤维织物的浸渍效果也不理想；如果树脂粘度过低，树脂流动速度太快，容易形成⼲斑等缺陷。
(b) 凝胶时间适宜。不同的⼯艺对凝胶时间有不同的要求，因此凝胶时间应可变易控，具有合适的操作周期，是VARIM ⼯艺专⽤树脂体系的⼀项重要指标。⼀般对于⼤型制件成型⽽⾔，要求树脂体系的低粘度平台时间(即⼯艺操作窗⼝)不少于30 min，以避免树脂在灌注过程就发⽣剧烈的凝胶反应和固化交联反应。
(c) 固化放热峰值适中。⾼放热峰会降低模具的使⽤寿命、可能对制品中的芯材、加强筋等部件产⽣影响。同时，⾼的放热峰可能引起部件的裂纹，影响制品性能。
(d) 其它物理化学性能，包括良好的⼒学机械性能，以满⾜⼯程应⽤的⾼要求，抗热氧⽼化性、耐化学
腐蚀性、阻燃性、⽆毒、成本低等。
蛋糕图片生日蛋糕1.
1.2.增强材料
增强材料⼀般包括E玻纤、碳纤维、Kevlar纤维、Spectra纤维以及E玻纤与其它⼏种纤维的混杂形式。增强材料的可以是短切纤维或纤维织物，但通常采⽤织物，如⽆捻粗纱织物、加捻织物、双向缝合织物等，其中新型的针织材料和平纹单向纤维是较理想的选择。
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1.3.真空袋膜
耐⾼温尼龙膜和聚丙烯膜是最常⽤的真空袋膜，主要利⽤它们的延展性、柔韧性和抗穿刺性能；同时要求材料具有较⾼的耐热温度（具体需考虑树脂性能）和优异的阻隔⽓密性。
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1.4.密封胶粘带
密封胶粘带是⼀种以丁基橡胶为基胶，添加耐温的补强剂和增粘剂等助剂的真空袋膜密封剂，要求材料具有⾼弹性、表⾯粘接性以及耐温性等性能，保证在制品成型周期内具有优异的密封性能。
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比喻老师1.5.⾼渗透介质
⾼渗透介质的作⽤是保证树脂在真空灌注过程中能够迅速渗透和流动，⼤幅度提⾼充模流动速度，通常可采⽤尼龙⽹和机织纤维。
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1.6.剥离层介质
剥离层介质的作⽤是将制品和⾼渗透介质或真空袋膜分隔开，避免真空辅助介质粘附在制品上。⼀般选⽤低孔隙率、低渗透率的薄膜材料作为剥离层介质，如PE、PP多孔膜等。
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1.7.轻质芯材
⼀般芯材都在可选范围内，如轻质⽊材、PVC、PEI、PMI、SAN、PS泡沫和其它线性微孔封闭型塑料等。对于开孔型芯材(如蜂窝状)，树脂会充满其空⽳，加重了制品的重量和成本，因此这类芯材不宜选⽤。
专科大学排名VARIM⼯艺的常见缺陷及原因分析
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2.1.⽓泡和⽩斑
如图2所⽰，在VARIM⼯艺中，树脂在纤维织物中的渗透流动可以分为宏观流动和微观流动，其中树脂在纤维束空隙之间的流动称为宏观流动，⽽树脂在纤维束内部纤维单丝之间的流动称为微观流动。如果宏观流动与微观流动的流动速度不同，即两者的流动前缘存在不⼀致时，树脂就会在纤维织物层内发⽣横向渗透，从⽽导致局部“包⽓”的现象，其中在制件的表⾯层表现出⽓泡的产⽣，⽽在制件的内部层表现出⽩斑的产⽣。
图2 真空辅助模塑成型(VARIM)⼯艺中，树脂的宏观流动和微观流动⽰意图[6]
局部“包⽓”现象的产⽣是因为树脂的宏观流动和微观流动不⼀致，其中宏观流动前缘的流速与灌注压⼒梯度有关，灌注压⼒梯度越⼤，宏观流动越快；⽽微观流动前缘的流速与纤维单丝之间的⽑细管作
⽤⼒有关，⽑细管作⽤⼒越⼤，微观流动越快。因此，如图3(a)所⽰，当灌注压⼒梯度⼩于⽑细管作⽤⼒时，树脂微观流动前缘的流速就会⼤于宏观流动前缘的流速，此时纤维束内部的树脂发⽣横向渗透，⽽将纤维束空隙之间的残余⽓体包裹，形成⼤⽓泡；相反，如图3(b)所⽰，当灌注压⼒梯度⼤于⽑细管作⽤⼒时，树脂宏观流动前缘的流速就会⼤于微观流动前缘的流速，此时纤维束之间空隙的树脂就会向纤维束内部发⽣横向渗透，⽽在纤维束内部形成⼩⽓泡。为了减少及避免局部“包⽓”现象的产⽣，通常需要预先抽真空并在设定的真空度维持⼀定的时间，从⽽尽可能的排除密闭模腔内的空⽓，同时适宜将树脂灌注流道设计成树脂沿着纤维织物垂直(90°)⽅向流动，⽽不是如图3和图4所⽰的树脂沿着纤维织物平⾏(0°)⽅向流动。
图3 真空辅助模塑成型(VARIM)⼯艺中，⽓泡和⽩斑缺陷形成的⽰意图[6]
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古诗石灰吟1.1.⼲斑和⼲区
在VARIM⼯艺中，树脂在纤维束之间的流动速度不⼀致，如果树脂灌注流道或纤维织物铺层设计不合理，就会导致“流道效应”或“短路效应”的发⽣，树脂在低阻⼒区域的流动速度将会显著⼤于⾼阻⼒区域的流动速度，⾼达10~100倍，从⽽树脂将主要在低阻⼒区域内发⽣流动和渗透，使得⾼阻⼒区域内的纤维织物不能充分浸渍甚⾄完全未浸渍，制件在宏观上表现出⼲斑和⼲区的不良现象。纤维织物与树
脂之间的浸润性匹配不良、纤维织物局部结构松散或过于紧密或扭曲变形、夹⼼芯材与纤维织物之间的空隙过⼤等原因都可能会造成制件出现⼲斑和⼲区的不良现象。
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1.2.褶皱和翘曲
在铺层阶段，如果纤维织物没有铺设紧密和平整，树脂在灌注过程中就有可能挤压甚⾄冲散纤维束，导致固化后的制件出现褶皱和翘曲的不良现象。此外，树脂发⽣凝胶反应和固化交联反应时，会具有⼀定的体积收缩率，并且会释放出⼤量的反应热，在很⼤的内应⼒或热应⼒下导致松散的纤维织物发⽣扭曲变形，进⽽引起制件出现翘曲的现象。为了消除褶皱和翘曲不良现象的发⽣，要求纤维织物及预成型件的铺设要展放平整，宜选⽤体积收缩率⼩、放热量⼩的树脂体系，并且采⽤合理的固化制度和散热循环系统。
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1.3.过抽和缺胶
在VARIM⼯艺中，为了维持树脂灌注过程仍具有很⾼的真空度，确保灌注所需的真空压⼒梯度以及制品的质量，需要持续地抽真空排出密闭模腔内、纤维束间空隙的残余⽓体。如果真空通道设置不合理，
或树脂灌注管道设置不合理，抽⽓的同时就容易将⼤量的低粘度树脂也抽⾛，从⽽导致制品出现⼤⾯积缺胶，产⽣过抽的不良现象。
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1.4.杂斑和富胶
1.4.杂斑和富胶
在铺层阶段，如果在纤维织物层中夹杂团块状物体，将会使局部区域内的纤维织物发⽣变形，导致树脂胶液出现局部富集，固化后的制件则出现凹凸不平的杂斑。
与缺胶现象相同，富胶现象的产⽣也主要是由于真空通道和树脂灌注管道铺设不合理所致，这是因为树脂在灌注进⼝处的压⼒为⼤⽓压，⽽其流动前缘处的压⼒⼏乎为零，这样离真空管⼝越远(即树脂灌注进⼝)，树脂含量越⾼，相应的纤维含量越低；⽽离真空管⼝越近(即树脂流动前缘)，树脂含量越低，相应的纤维含量越⾼。因此，真空通道和树脂灌注管道铺设不合理，或者树脂达到出⼝处时就⽴即关闭树脂进⼝和真空系统，就会导致树脂灌注进⼝区域出现富胶的现象，⼤尺⼨、⼤厚度制件也将会出现厚度不均的现象。
为了削弱上述的富胶现象，需要合理设置真空通道和树脂灌注管道，并且在树脂达到出⼝处后，关闭
树脂灌注进⼝，⽽在不出现过抽的情况下，继续维持抽真空⼀段时间，使树脂压⼒稳定地减少，尽量使制件各区域的树脂含量均匀⼀致。此外，较⼤厚度的芯材和加强筋边界处也会出现胶液富集的现象，因此需要铺设⼀些三⾓形或梯形材料作为过渡，避免富胶现象的产⽣。
VARIM⼯艺的应⽤
VARIM⼯艺作为⼀种新型的复合材料成型⼯艺，始于20世纪80年代末，该⼯艺⼀开始并没有受到⼈们的⾼度重视，未能实现其潜在的巨⼤商业价值。直⾄1996年，由于在船舶上的成功应⽤，VARIM⼯艺才在当年的SPI复合材料年会上得到⼈们的认可和重视。由于VARIM⼯艺具有成本低、产品质量⾼、适合制造⼤型、复杂整体结构制件等诸多优点，因此经过⼗多年的研究和应⽤，VARIM⼯艺已经不再局限于船舶⼯业的应⽤，⽽⼴泛应⽤到了很多军⽤和民⽤设施的建设上，如军⽤舰船、导弹舱、雷达罩、风电叶⽚、桥梁、汽车外壳、冷藏箱等。
航空⼤型部件
战机座舱：美国洛克希德-马丁公司(Lockheed MartinCorporation)研制的F-35战机⾸次采⽤了VARIM⼯艺制造座舱，成本⽐热压罐⼯艺下降了38 %。
⼤型飞机机翼：在由美国NASA(National Aeronautics and Space Administration)资助的“波⾳预成型体
”计划中，V System Composites公司采⽤VARIM⼯艺，研究了机翼结构复合材料及带加强筋机⾝整体复合材料夹层结构的成型，⽽波⾳公司则研究了⼤型飞机机翼蒙⽪的整体成型。
⼤型舰艇及上层建筑
在船舶⼯业中，英国VosperThornycroft(VT)公司采⽤VARIM⼯艺为英国皇家海军制造了270多艘复合材料扫雷舰，并还制造了运输船、作业艇、救⽣艇船体和海洋港⼝⼯程结构等。North End公司使⽤VARIM⼯艺制造了长达27.5 m的船体，并经检验船体层合板的空隙率⼏乎为零，且⼒学性能与热压罐低温固化成型的制件相当，但制造成本却⼤幅度地降低。英国Sandown级扫雷艇采⽤⾮磁性材料制造，整个舰艇的所⽤上层建筑和部分内部结构制件均为VARIM⼯艺所成型，可以抵抗很强的冲击。美国海军DD21 Zumwalt级隐⾝驱逐舰和瑞典海军YS2000 Visby级隐⾝反潜轻型巡洋舰都采⽤了VARIM⼯艺成型的泡沫夹芯结构作为舰船壳体。佛⼭市宝达船舶⼯程有限公司使⽤VARIM⼯艺对含有芳纶纤维的混杂增强材料和⼄烯基树脂进⾏了复合成型，制造⽣产了13.6 m的海关超⾼速摩托艇。
⼤型复合材料风电叶⽚作文推荐
近年来，VARIM⼯艺被⼴泛应⽤于⼤型复合材料风电叶⽚的整体成型。相⽐于⼿糊成型⼯艺，VARIM⼯艺⽣产风电叶⽚的⽣产效率⼤幅度的提⾼，操作环境显著改善，树脂使⽤量可减少30 %，并且产品质量稳定，重复性好。丹麦艾尔姆(LM)玻璃纤维制品有限公司采⽤VARIM⼯艺开发了长达60 m的风电
叶⽚。
采⽤VARIM⼯艺制造叶⽚，主要可分为以下⼏步⼯序：
（1）模具准备：对模具进⾏清理，并涂覆脱模剂。
（2 ）铺覆增强材料：根据设计要求，铺覆纤维织物。该⼯序除了织物的型号、位置以及搭接的尺⼨必须满⾜设计要求外，还要保证铺覆的平整以及清洁。
图4 在叶⽚模具上铺放玻璃布增强材料
图4 在叶⽚模具上铺放玻璃布增强材料
（3）布置真空管路：根据⼯艺要求，布置真空管路，并包覆真空。此步骤是VARIM⼯艺中较为关键的⼀步。通常在正式⽣产前需要结合理论模拟和反复实验确定；在⽣产中需要保证整个系统的真空度。
图5 真空管路布置及真空度检查
（4）树脂灌注及固化：在真空条件下，将混合好的树脂灌注进被压实的增强材料预成型体中。等树脂充满整个模腔后，关闭树脂流道，按规定的条件固化。
图6 真空灌注
（5）蒙⽪粘接及后固化：在蒙⽪完成固化成型后，将上下蒙⽪和剪切腹板粘接成为整体，并按照规定的⼯艺进⾏固化。
图7 蒙⽪粘接
（6）后处理：产品脱模后，对叶⽚进⾏切边、补强、打磨及涂装处理。
图8 叶⽚外表⾯涂装处理
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RTM成型⼯艺过程
RTM⼯艺的基本原理如下图所⽰，先在模腔内预先铺放增强材料预成型体、芯材和预埋件，然后在压⼒或真空作⽤⼒下将树脂注⼊闭合模腔，浸润纤维，固化后脱模，再进⾏⼆次加⼯等后处理⼯序。
纤维预成型有⼿⼯铺放、⼿⼯纤维铺层加模具热压预成型、机械⼿喷射短切加热压预成型、三维⽴体编织等多种形式，需要达到的效果就是纤维能够相对均匀填充模腔，以利于接下来的树脂充模过程。
在合模和锁紧模具的过程中，根据不同的⽣产形式，有的锁模机构安装在模具上，有的采⽤外置的合模锁紧设备，也可以在锁紧模具的同时利⽤真空辅助来提供锁紧⼒，模具抽真空同时可以降低树脂充模产⽣的内压对模具变型的影响。
在树脂注⼊阶段，要求树脂的黏度尽量不要发⽣变化，以保证树脂在模腔内的均匀流动和充分浸渍。在充模过程结束后，要求模具内各部分的树脂能够同步固化，以降低由于固化产⽣的热应⼒对产品变形的影响。这种⼯艺特点对于树脂的黏度和固化反应过程以及相应的固化体系都提出了⽐较⾼的要求。
⼯艺特点
