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1、 潘利剑 潘利剑复合材料真空辅助(VARI)成型技术复合材料真空辅助(VARI)成型技术内容提要内容提要1234VARI成型工艺简介VARI成型的主要问题及技术要求VARI成型厚度变化规律VARI成型的流道设计与模拟VARI成型工艺简介VARI成型的主要问题及技术要求VARI成型厚度变化规律VARI成型的流道设计与模拟5VARI工艺树脂与NCF织物VARI工艺树脂与NCF织物1VARI成型工艺简介VARI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，利用树脂的流动、渗透实现对纤维及其织物浸渍，并在真空压
2、力下固化成型的方法。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，并在真空压力下固化成型的方法。1 VARI成型工艺简介1 VARI成型工艺简介1.1 VARI成型工艺原理成型工艺原理真空袋导流网脱模布压敏胶带树脂流动通道密封胶带脱模剂纤维织物真空接头真空袋导流网脱模布压敏胶带树脂流动通道密封胶带脱模剂纤维织物真空接头VARI成型封装示意图成型封装示意图1 VARI成型工艺简介1 VARI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 装封 装1 VARI成型工艺简介1 VARI成型工艺简介材料铺放材料铺放导入树脂喷涂胶衣配树脂导入树脂
3、喷涂胶衣配树脂模具清理，脱模剂的涂抹纤维织物，脱模布，导流网，导流管和真空管密封胶带，真空袋连接树脂收集器和真空泵保压，检查气密性脱泡按固化工艺固化模具清理，脱模剂的涂抹纤维织物，脱模布，导流网，导流管和真空管密封胶带，真空袋连接树脂收集器和真空泵保压，检查气密性脱泡按固化工艺固化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RTM工艺，基本特点与RTM相同；衍生自RTM工艺，基本特点与RTM相同；2 2 与RTM不同，树脂流动由真空压力驱动；与RTM不同，树脂流动由真空压力驱动；3 3 单面模具，另一面为真空袋，制品只有一面光滑；单面模具，另一面为真空袋
4、，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 VARI成型工艺简介1 VARI成型工艺简介1.3 VARI成型工艺特点成型工艺特点1 VARI成型工艺简介1 VARI成型工艺简介船体风机叶片船体风机叶片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、风机叶片、飞机等船舶、风机叶片、飞机等大型，超大型结构大型，超大型结构2VARI工艺树脂与NCF织物VARI工艺树脂与NCF织物（VARI成型复合材料的两个重
5、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 1 黏度低，粘度范围：黏度低，粘度范围：0.1-0.3Pa.s;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;3 可在较低温度下完全固化可在较低温度下完全固化;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;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;6 具有较高的玻璃化转变温度，满足耐热要求。具有较高的玻璃化转变温度，满足耐热要求。2 VARI工艺树脂与NCF织物2 VARI工艺树脂与NCF织物2.2 VARI工
6、艺树脂种类工艺树脂种类2 VARI工艺树脂与NCF织物2 VARI工艺树脂与NCF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，强度和耐热性较差，主要应用于船舶领域。成本较低，强度和耐热性较差，主要应用于船舶领域。性能相对较高，主要应用于航空航天领域，风机叶片也大多采用环氧树脂。性能相对较高，主要应用于航空航天领域，风机叶片也大多采用环氧树脂。2.3 VARI树脂低粘度平台（工艺窗口）预报树脂低粘度平台（工艺窗口）预报2 VARI工艺树脂与NCF织物2 VARI工艺树脂与NCF织物树脂粘度-温度曲线树脂粘度-时间曲
7、线对同一种树脂，通常二者不可兼得树脂粘度-温度曲线树脂粘度-时间曲线对同一种树脂，通常二者不可兼得VARI树脂两个重要工艺参数：注胶温度，操作时间VARI树脂两个重要工艺参数：注胶温度，操作时间根据具体结构，选择合适的注胶温度，同时满足粘度和工艺操作时间要求根据具体结构，选择合适的注胶温度，同时满足粘度和工艺操作时间要求VARI树脂要求：粘度低，操作时间长树脂要求：粘度低，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度峰值温度起始固化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
8、温度）2.4 树脂固化特性树脂固化特性2 VARI工艺树脂与NCF织物2 VARI工艺树脂与NCF织物不同升温速率下树脂体系的不同升温速率下树脂体系的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固化起始温度和峰值温度固化起始温度和峰值温度树脂固化温度树脂固化温度2 VARI工艺树脂与NCF织物2 VARI工艺树脂与NCF织物2.4 树脂固化特性树脂固化特性-50050100150200250300350400HH t/min等温DSC扫描等温DSC扫描固化时间固化时间2 VARI工艺树脂与NCF织物2 VARI工艺树脂与NCF织物2.5 NCF织物织物NCF（non-crimp
9、 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行）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织物普通机织物织物普通机织物2 VARI工艺树脂与NCF织物2 VARI工艺树脂与NCF织物2.5 NCF织物织物（1）更好的拉伸性能；）更好的拉伸性能；（3）更高的损伤容限；）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：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。NCF织物为多层结构，目前最
10、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。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（2）更高的抗疲劳性能；）更高的抗疲劳性能；（4）更好的浸润性，更高的工作效率。）更好的浸润性，更高的工作效率。3VARI成型的主要问题及技术要求VARI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 VARI成型的主要问题及技术要求3 VARI成型的主要问题及技术要求出现干斑、干区；出现干斑、
11、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）1432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）（固化压力低，不超过一个大气压力等）3 VARI成型的主要问题及技术要求3 VARI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
12、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
13、一）4VARI成型厚度变化规律VARI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123织物所受的净压力织物的压缩特性织物与树脂的相互作用织物所受的净压力织物的压缩特性织物与树脂的相互作用VARI成型厚度成型厚度4 VARI成型厚度变化规律4 VARI成型厚度变化规律crnPPP4.2 VARI成型压力分析成型压力分析为总压力（大气压力，且保持不变）树脂压力预成型体所受的净压力为总压力（大气压力，且保持不变）树脂压力预成型体所受的净压力4 VARI成型厚度变化规律4 VARI成型厚度变化规律4 VARI成型厚度变化规律4 VARI成型厚度变化规律树脂吸注前树脂吸注过程中树脂
14、吸注完树脂吸注前树脂吸注过程中树脂吸注完织物处于干态，净压力为大力树脂浸入后，树脂承担一部分压力，织物净压力减小树脂管关闭，树脂压力减小，织物净压力增大织物处于干态，净压力为大力树脂浸入后，树脂承担一部分压力，织物净压力减小树脂管关闭，树脂压力减小，织物净压力增大4.2 VARI成型压力分析成型压力分析4 VARI成型厚度变化规律4 VARI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据采集系统控制与数据采集系统4 VARI成型厚度变化规律4 VARI成型厚度变化规律厚度监测结果厚度监测结果第一阶段：树脂吸注，织物
15、厚度迅速增大第二阶段持续注胶，厚度基本不变化第三阶段：注胶结束，关闭树脂管，厚度迅速减小第一阶段：树脂吸注，织物厚度迅速增大第二阶段持续注胶，厚度基本不变化第三阶段：注胶结束，关闭树脂管，厚度迅速减小4.3 VARI成型厚度监测成型厚度监测VARI成型的流道设计与模拟VARI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
16、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 VARI成型的流道设计与模拟5 VARI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 VARI成型的流道设计与模拟5 VARI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，由于树脂粘度相对较低，
17、如果真空通道设置不合理，抽气的同时容易将大量的树脂，从而导致制品大面缺胶。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。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 VARI成型的流道设计与模拟5 VARI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沟槽型高渗透介质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）铺放在增强体
18、表面，树脂从增强体表面向内部渗透。将高渗透介质（导流网）铺放在增强体表面，树脂从增强体表面向内部渗透。在泡沫芯材上开孔或制槽来作为树脂流动的通道;在泡沫芯材上开孔或制槽来作为树脂流动的通道;横向与纵向的混合流动，形成抛物线状树脂流动前锋横向与纵向的混合流动，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要的沟槽作为进胶的通道，用导流介质将树脂快速分散。在模具上加工一个或几个主要的沟槽作为进胶的通道，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 VARI成型的流道设计与模拟5 VARI成型的流道设计与模拟5.3 VARI成型树脂流道设
19、计原则成型树脂流道设计原则1尽可能缩短树脂流动距离，缩短树脂流动时间，且各流道之间树脂流动距离尽量保持一致；尽可能缩短树脂流动距离，缩短树脂流动时间，且各流道之间树脂流动距离尽量保持一致；2保证树脂流动在树脂的工艺操作时间内完成。保证树脂流动在树脂的工艺操作时间内完成。3流道之间不能发生干涉。但对于复杂结构，如没有更为合适的流道设计方法，可以在干涉区域增加快速通道，保证在干涉区域的树脂通畅流道之间不能发生干涉。但对于复杂结构，如没有更为合适的流道设计方法，可以在干涉区域增加快速通道，保证在干涉区域的树脂通畅。5 VARI成型的流道设计与模拟5 VARI成型的流道设计与模拟由于在实际构件的流道设
20、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，而且还需要消耗大量的人力和原材料。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工艺流道进行设计。工艺流道进行设计。5.4 VARI成型树脂流动模拟成型树脂流动模拟5 VARI成型的流道设计与模拟5 VARI成型的流道设计与模拟5 VARI成型的流道设计与模拟5 VARI成型的流道设计与模拟PAM-R
21、TM是针对是针对 RTM、VARI 等液体成型工艺开发的专业三维过程模拟软件等液体成型工艺开发的专业三维过程模拟软件能够方便地模拟出树脂在预成型体内的流动状态、压力分布及充模时间等能够方便地模拟出树脂在预成型体内的流动状态、压力分布及充模时间等可以节约大量的人力和物力可以节约大量的人力和物力为为VARI工艺的流道设计、工艺中瑕疵点的排除起着重要作用工艺的流道设计、工艺中瑕疵点的排除起着重要作用5.4 VARI成型树脂流动模拟成型树脂流动模拟肋肋方案进 胶出 胶模拟时间方案进 胶出 胶模拟时间/s 112条肋，下端面上端面条肋，下端面上端面19800 2下端面下端面12条肋，上端面条肋，上端面6
22、8400 312条肋，下端面各肋中间条肋，下端面各肋中间11条通道，上端面条通道，上端面19500 方案1方案3方案1方案3加筋壁板构件方案加筋壁板构件方案1：渗透速度最快，通道干涉。方案：渗透速度最快，通道干涉。方案 2：没有干涉，速度过慢。方案：没有干涉，速度过慢。方案 3：没有干涉，速度较快。：没有干涉，速度较快。5.4 VARI成型树脂流动模拟成型树脂流动模拟5 VARI成型的流道设计与模拟5 VARI成型的流道设计与模拟复合材料复合材料VARI成型技术已成为十分具有活力的复合材料低成本技术，但我国对这项技术的研究起步较晚，技术不是很成熟，以下几个方面有待于我们进一步研究：成型技术已成为十分具有活力的复合材料低成本技术，但我国对这项技术的研究起步较晚，技术不是很成熟，以下几个方面有待于我们进一步研究：1 低粘度、高性能、工艺时间期长的低粘度、高性能、工艺时间期长的VARI树脂基体的开发；树脂基体的开发；2 VARI工艺过程影响参数的系统化研究；工艺过程影响参数的系统化研究；3 制品缺陷形成机理和影响因素的研究；制品缺陷形成机理和影响因素的研究；4 数值模拟的细观化和精确化研究；数值模拟的细观化和精确化研究；5 模拟和实践操作相结合，提高模拟和实践操作相结合，提高VARI工艺的技术水平。工艺的技术水平。结束语结束语