先进树脂基复合材料广泛应用于航空航天领域^[1,2]，但是，先进树脂基复合材料面临的一个突出的问题-成本过高，使得对复合材料很感兴趣的船舶工业、汽车工业、建筑业等望而却步，限制了复合材料更广泛的应用。在复合材料总成本中，制造成本约占60%~70%，所以要降低先进树脂基复合材料的成本，必须要有一种低成本的复合材料成型技术。一些低成本的制造技术如RTM、RFI工艺等应运而生^[3]。
    近年来，VARI成型技术作为一种高性能、低成本的非热压罐成型技术在航空航天领域受到广泛重视，并被美国实施的低成本复合材料计划(CAI计划)作为一项关键低成本制造技术。它是在真空状态下排除纤维增强体中的气体，通过树脂的流动、渗透，实现对纤维及其织物的浸渍，并在室温下进行固化，形成一定树脂、纤维比例的工艺方法^[3]。
1 VARI简介
    与其他工艺相比,VARI具有以下优点^[3,4,6]:①模具成本低。VARI成型不需要能承受注射压力的成型模具，也不需要成型压力；②大厚度、大尺寸制件的成型使用VARI更为适合,尤其适用于船舶、汽车、飞机等结构件；③处于真空负压下的树脂将完全渗透、浸渍层压板，没有了二次胶接带来的麻烦；④同大多数复合材料成型工艺相比,VARI具有很好的可重复性；⑤成型的制品纤维含量高、性能高、孔隙率低；⑥作为一种闭模成型工艺，VARI在树脂固化的循环过程中限制了交联剂的挥发，对环境几乎无污染。
    尽管VARI具有很多优点，但作为一种液体成型技术，在复合材料成型过程中，依然有许多难点需要解决，如对树脂流动的控制以及白斑的防止、树脂/纤维比例的一致等，需要从微观和宏观的机理上深入研究^[4]。根据研究及经验，要实现有效地VA-RI制造，关键技术有以下几点：①具有低粘度、能常温固化、良好力学性能的树脂；②树脂粘度应在0.1~0.3Pa・s范围内；③2h高温环境下树脂粘度不超出0.3Pa・s；④树脂对纤维浸润角小于8°；⑤足够的真空度使叠层压实；⑥选择合适的渗透层；⑦良好的密封；⑧合理的流道设计。
2 VARI专用树脂
    基体树脂是复合材料成型技术的基础材料，在真空辅助成型中，对基体树脂的要求为^[5]:低粘度，仅借助真空即可在增强剂堆积的高密度预成型体中流动、浸润、渗透；足够长时间的不变粘度；可在室温下固化；固化时无需额外压力；具有良好的韧性、抗腐蚀性(耐酸、碱和海水)和可加工性；具有较高的玻璃化转变温度；具有优良的阻燃性能。
    目前国外针对VARI成型技术开发了一系列基体树脂,主要有聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、双马树脂、氰酸酯树脂等。其中聚酯树脂、乙烯基树脂由于强度和耐热性较差，成本较低，主要应用于船舶领域^[6]。航空航天领域主要采用低粘度环氧树脂、双马树脂等。美国著名航空复合材料公司Cytec Fi-berite公司开发了低粘度的高性能基体树脂CY-COM823RTM环氧树脂体系，室温黏度低于0.3Pa・s，可室温注射，适用于RTM和VARI低成本成型工艺。据报道，美国Dow化学公司复合材料部也推出了低粘度环氧树脂体系DER329，用于真空辅助树脂浸渍成型，特点为脱模周期短、超低粘度、良好的力学性能、热性能和耐腐蚀性，所做的涡轮机叶片部件能耐恒定振动，能在较宽的温度范围(-30~60℃)下长期应用，并能承受极端气候变化引起的巨大动力能。此外，New-port复合材料公司开发的NBV-800树脂也为室温注射、中温固化的环氧树脂体系，其室温粘度约为0.3Pa・s，满足VARI成型技术低粘度要求，固化条件为120℃/2h，双组分体系。Newport公司应用该树脂制造了大型复合材料构件，取得了良好的应用效果。
    国内目前针对VARI成型技术开发的树脂主要为BA9911和BA9912两个体系，均由北京航空制造工程研究所开发,并已进行了大量的VARI成型工艺研究。其中,BA9911树脂属于乙烯基-双马树脂改性体系,粘度低于0.3Pa・s,工作寿命大于4h，可在室温下注射和固化，具有较好的耐热性和阻燃性，主要适用于船舶、舰艇领域。BA9912树脂属于环氧树脂体系，中温固化(120℃/4h)，初始注射粘度约为0.27Pa・s，低粘度约为0.02Pa・s,可室温注射，该树脂力学性能、耐热性能和工艺性能优良，在无人机、民机次承力结构上获得应用。国防科技大学与四川亭江科技股份公司合作开发了双酚F及双酚F环氧树脂^[7,8]，生产出了与国外产品性能相当的低粘度双酚F环氧树脂产品，结束了无国产低粘度双酚F型环氧树脂产品的历史。产品的主要技术指标如下^[7]:环氧值:0.50~0.55eq/100g;粘度(25℃):＜4000mPa・s；分子量分布：340~380；易皂化氯:＜0.01％；无机氯:＜50ppm(10^-6)；主要力学性能：拉伸强度＞70MPa；弯曲强度＞140MPa。
3 VARI的成型方法
    VARI的主要成型过程(以碳布为增强材料制造VARI复合材料平板为例)如下^[6,18]：
    (1)模板制造：根据结构件的尺寸与形状来设计和制造模板。
    (2)裁布：将碳布按样板裁剪成所需的大小和形状。
    (3)铺层与封装：在进行封装之前，需要在模板上贴一层脱膜布，以便成型后制件和模具顺利分开。根据制件的大小和形状来确定进胶通路和真空通路的布置。
    (4)抽真空：封装完成后进行抽真空。抽真空可预压实叠层块，有助于控制复合材料板件终厚度，还可抽出多余气体，减少复合材料的缺陷，保证层压板质量。同时根据制件的大小准备适量的VARI树脂。
    (5)树脂吸注：确定封装系统无漏气，并达到一定真空度，便开始吸注树脂。树脂吸注过程中能肉眼观察到胶液流动情况，注胶结束时碳布应被完全浸透。完毕后用密封夹具密封吸胶管。
    (6)固化：若为室温固化，则将注胶完毕的板材静置预定固化时间使之固化完全。若为加热固化，则将之移到烘箱中加热，按预定固化工艺规范进行固化处理。
    (7)检测：制成的复合材料板件外观应光滑、平整。对成型后的制件进行无损检测分析。
4 VARI的树脂的分配系统
    根据树脂的分配系统，可将工艺分为两种，一种为高渗透介质型，另一种为沟槽型^[9~11]。 [-page-]
4.1 高渗透介质型
    高渗透介质型真空注射成型工艺是在模具上先铺覆增强材料，接着在增强纤维上铺设剥离层，再在剥离层上铺设高渗透介质，然后用真空袋密封，树脂在真空力的作用下同时从平面和厚度方向浸渍增强材料。高渗透性介质一般都是采用编制的立体网状结构，有利于树脂的流动和渗透。这种方式是树脂从预成型体的上表面向下表面渗透。
    祝颖丹等人^[12]在高渗透介质型真空注射成型工艺的研究中发现，对于某固定尺寸的制件，无高渗透介质时，树脂充模时间为1939s，而有高渗透介质时，充模时间为70s，可见高渗透介质的存在使得充模时间大为减少，将近减少27倍。这说明，高渗透介质是影响高渗透介质型真空注射成型工艺的主要因素。实验还发现，要获得较快且均匀的充模，树脂源应置于模腔的几何中心，以尽量缩短树脂的流动距离，而且树脂源与真空源应尽可能对称、平衡布置，以避免干点的产生。
4.2 沟槽型
    高渗透介质型设计相对灵活且简单，但一些材料如剥离层、高渗透介质等不能重复使用，不仅产生了固体废弃物且增加了生产成本，充模速度也相对较慢。沟槽型则可克服这些缺点，不需要高渗透介质和剥离材料，同时沟槽的渗透率远远高于高渗透介质，充模速度得到大幅度提高，特别适合于大型、加筋和夹芯异型结构件的制备^[13~15]。沟槽的设计主要有以下几种方式^[4]：
    (1)在模具表面上加工导流槽。这种形式的装置是树脂从制件下表面往上表面进行渗透。在模具表面上加工出合适的沟槽以作为流胶通道。沟槽的尺寸和数量要根据制件的形状、尺寸以及树脂的粘度通过实验来确定。对于复杂型面的模具，沟槽加工也有一定的困难，并且增加了模具成本。
    (2)在泡沫芯材上开孔或制槽来作为树脂流动的通路。泡沫芯材放在模具的表面上，树脂从预成型体的下表面向上表面渗透。开孔或制槽(槽的形式很多，可以是单向的，也可以是十字交错的)的泡沫芯材终是产品的一部分。
    李新华等人^[17]在沟槽型真空注射成型工艺的研究中发现，沟槽型真空注射成型工艺的充模速度远远高于高渗透介质型真空注射成型工艺。实验还发现，要获得较快且均匀的充模，树脂源应布置在模腔的几何中心，尽量缩短树脂的流动距离，以提高充模速度；但树脂源和真空源的对称性在沟槽型真空注射中并不如在高渗透介质型真空注射中重要，因为板材上的沟槽为真空提供了良好的通道。
    (3)在模具表面打孔作为树脂和真空的通道。采用这种形式，树脂为从下往上渗透，打孔或制槽的金属板放置在预成型体的上下表面。其树脂流动的主通道是在模具上制出合适的孔。
4.3 高渗透介质与沟槽的配合使用
    这种形式不需要在模具上加工出很多的沟槽，只需加工出一个或几个主要的沟槽作为进胶的通道就可以了^[3]。也可以用管子来替代沟槽，不需要在模具表面加工。树脂从下往上渗透，整个制件表面的树脂流动就通过高渗透性的介质来完成。
5 VARI的树脂流动模拟
    对于复合材料液体成型工艺而言,必要条件为树脂对纤维充分浸润,否则就会出现白斑、分层、薄厚不均、纤维含量低而强度不够等一系列问题。对于小尺寸、形状简单的制件，流道易于设计，树脂流动容易控制，对纤维的浸润易达到要求；对于大尺寸或复杂构件，流道难以设计，树脂流动不易控制，可能导致树脂对纤维的浸润性不好，鉴于高昂的模具和材料成本，不可能进行实验找出佳方案，此时，工艺过程的建模和数字模拟对成型工艺的设计和优化变得非常重要。目前多用的数值方法为有限差分法、边界元法、有限元法、控制体积有限元法等^[17]。
    控制体积有限元法(FE/CV)的出现使得数值模拟取得了重大进展,从两维扩展到三维,计算精度也大为提高。其中有代表性的如个向异性多孔介质的充模过程模拟(薄壁壳体)、RTM三维非等热充模过程模拟(薄壁壳体和简单三维)，都使用了FE/CV法。计算结果与实验结果符合的较好^[18]。Khattab等人^[27]针对VARI建立了一种虚拟流动模型，该模型利用基于有限差分法的控制体积法模拟树脂在编织物中的流动行为。该模型可以预测树脂流动模式、模腔内压力分布以及产生的缺陷。柔性膜的机械变形和树脂在模腔内的流动用一系列边界条件下的数学公式来描述。基于这一模型，建立了一套数字模拟树脂流动的方法。
    在FE/CV方法中，需要确定填充因子来表征某一区域的状态(已填充或未填充),并且对时间步长做了限制，以确保准稳态近似的准确性。求解过程仅建立在连续性方程的基础上，这就要求必须求解压力场，显式的确定速度场及流动速度。为了解决FE/CV方法中存在的问题，在研究中提出了纯粹的有限元法。这种分析方法中采用了另一种方法来得到质量平衡方程，包含了填充系数对时间的导数，根据流经多孔介质的Darcy定律可以得到速度场的近似解，再引入对压力场和填充系数的有限元近似,就避免了定义控制体积，实现了纯粹的有限元方法。此外，还有一些比较著名的模拟方法，例如：标记单元法和流体体积法，以及体适应有限元法，后者的结点坐标由有限元法中的坐标经椭圆坐标变换得到。还有一些非一致有限元法，此方法的优点在于树脂在局部严格满足物质守恒，无需细化渗透率变化显著的内部边界处的网格。
    然而，已有的这些模拟方法是建立在假设制件足够薄从而忽略了厚度变化。对于厚尺寸制件而言，需要考虑厚度方向的流动。对于有着高渗透层的多层纤维增强体也如此。当模具与树脂温度不同时，会引起树脂的粘度变化，这时，树脂在厚度方向的流动会不同。在以上这三种情况下，厚度方向热传导不能再忽略，因此必须对3D热传递进行分析^[19~21]。然而，3D非等温充模的数值模拟非常浪费计算机计算时间。因此，有人提出了以下两种方法来节约时间，一种为由热传导和对流的Galerkin/Lesaint-Raviart逼近方程组成的纯粹有限元法；另一种为混合方式：有限元用来分析平面热交换，同时一个1D有限微分方程计算厚度方向热流动。 [-page-] 
    对于种方法，已进行了多个实验研究来模拟动量和热传导^[23,24]。该研究中，用网格改进技术和推出运算法则增强3D分析来产生终离散区域。实验证明这种类型的单元可以准确解决充模问题。第二种方法中，Bruschke和Advani^[24]提出了基于平面流动的2D有限元法和控制体积法的一个混合模型。然而，尽管热传导/对流被3D有限差分(FD)解决，该方法忽略了厚度方向的热对流，这是因为对流参数在有限差分中用了平均值。同样的Ngo和Tamma^[26]在平面流动用了2DFE，热传递/对流用了3DFE，这比3D流动分析快得多，但是又一次忽略了厚度方向的渗透性和树脂流动中粘度的变化。
    此外，Joubaud等人^[26]研究了用RTM模拟软件模拟PAM-RTM树脂灌输的技术，并提出了一种用于描述VARI渗透性随压力变化情况的模型。该模型考虑了制件的厚度变化以及增强体的可压缩性。并以救护车顶板为例进行实例验证，数字模拟与真实注射情况对比后发现，模拟树脂流动前沿与真实情况非常相似。预测充模时间在真实时间5%以内。
6 VARI的国内外应用
    在航空航天上,美国洛克希德-马丁公司研制的F-35战机次采用VARI工艺制造的飞机座舱,在保证减重效率不变情况下,成本比热压罐工艺下降了38%。在由美国NASA资助的"波音预成型体"计划中,V System Composites公司采用VARI工艺,对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进行了验证。波音公司已就此立项进行研究,对象是大型飞机机翼蒙皮。VARI成型工艺已被用于制造长3m的飞机翼梁。洛-马公司在制造“三叉戟”IID5弹道导弹仪器舱段的复合材料构件时，为降低成本，终选用VARI成型技术制造弹道导弹仪器舱段，实现了一次整体成型，成本降低了75％(仅有热压罐工艺的1/4)^[6]。
    VARI现在也是FRP工业界和展览会中的热门话题。英国SP Systems使用VARI制造的FRP制件，孔隙率小，制件性能高，可大大节约工时，降低成本，大量应用于汽车零件的生产制造中。北美客车工业(NABI)已决定采用由TPIFRP公司用VARI制造的大型客车Compo Bus的车身客体，该壳体使用E-玻璃布作为增强体，整个车身分两部分制造。13.2m长的车身壳体改用FRP后，质量由原来钢制的13000kg减轻到10000kg，降低了汽车后轴的承载质量，提高了安全性^[3]。
    在船舶制造业中，VARI显得特别重要：一块长19.5m、宽3m的潜艇壁板在45min内就可以成型完毕。Hardcore FRP公司采用VARI制造的船用防护板，具有足够的强度和刚度，完全可以承受3000t排量船只的撞击；FRP的防护板比木制或钢制的能吸收更多的能量，但比同样大小的钢制板减重近2700kg。North End公司用VARI成型了长为27.5m的船体，经检验，27.5m的轻质量的层合板，空隙含量几乎为0，力学性能/纤维树脂比均达到了与进料形式的热压罐低温固化的制件水平，并且制造成本大大降低。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都为VARI FRP制件，可以抵抗很强冲击。在隐身舰船方面，大多采用VARI成型的泡沫夹芯结构作为船舰壳体。如美国DD21“Zumwalt”级隐身驱逐舰、瑞典的“Visby”隐身轻巡逻快艇。美国海军水面作战中心在对力学性能作出分析后得出结论，VARI将是制造未来战舰主要壳体结构的重要成型手段^[3]。
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