【編者按】樹脂基復(fù)合材料因其具有比強(qiáng)度高幔憋、比剛度大和可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)已成為航空航天等領(lǐng)域廣泛采用的最主要的結(jié)構(gòu)材料之一浑娜。但隨著用量的不斷增加瓮钥，傳統(tǒng)樹脂基復(fù)合材料自身的弱點(diǎn)也不斷暴露出來狱意，突出表現(xiàn)在傳統(tǒng)樹脂基復(fù)合材料的制造成本較高湖苞，這主要是由于傳統(tǒng)復(fù)合材料大多采用預(yù)浸料/熱壓罐成型，預(yù)浸料的制備和低溫儲(chǔ)藏详囤、繁雜工藝過程以及價(jià)格昂貴的熱壓罐等設(shè)備投資勢必造成復(fù)合材料的高成本财骨，這在一定程度上又限制了復(fù)合材料用量的進(jìn)一步擴(kuò)大。
　　
　　VARI（VacuumAssistantResinInfusion）即真空輔助樹脂滲透是近年來發(fā)展起來的一種復(fù)合材料低成本制造技術(shù)藏姐，其工藝原理是將按照結(jié)構(gòu)和性能要求制備好的纖維預(yù)成型體放置在模具上隆箩，在一個(gè)真空作用下使液態(tài)樹脂在預(yù)成型體內(nèi)流動(dòng)并浸潤纖維，再經(jīng)升溫固化羔杨、冷卻脫模得到能夠承載的復(fù)合材料構(gòu)件捌臊，如圖1所示。VARI工藝的最大特點(diǎn)是全工藝過程都是在一個(gè)真空條件下完成的兜材，不需要施加額外的壓力肘认，因此不需要熱壓罐，不僅省卻了熱壓罐及配套設(shè)備的投入猖生，而且所成型零件的尺寸不受熱壓罐尺寸的限制舞铝，尤其適用于超大尺寸復(fù)合材料零件成型捞书。同時(shí)可以結(jié)合縫合、編織等三維增強(qiáng)手段實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的整體成型毁设，從而減少零件和緊固件數(shù)量佣锁，降低了緊固件和裝配成本。但VARI工藝自身的特點(diǎn)決定了所成型零件的纖維體積含量（一般在50%以下）與預(yù)浸料/熱壓罐工藝存在差距厢卖，要實(shí)現(xiàn)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用必須對(duì)傳統(tǒng)的VARI工藝進(jìn)行改進(jìn)擎津。

　　
　　國外VARI技術(shù)應(yīng)用情況
　　
　　國外VARI技術(shù)最初應(yīng)用在艦船領(lǐng)域，因其在降低復(fù)合材料制造成本及大型構(gòu)件整體成型方面具有的優(yōu)勢象人，近年來相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)對(duì)VARI技術(shù)在航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的可行性方面已做了大量的研究工作养烙。
　　
　　洛克希德·馬丁公司是最早將VARI技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的研究機(jī)構(gòu)，采用VARI技術(shù)成型整體復(fù)合材料座艙蜀谤，51個(gè)零件通過VARI工藝共固化成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，有效地提高了結(jié)構(gòu)的整體性耙替，減少緊固件400個(gè)亚侠，在保證減重效率不變的情況下，成本降低38％以上俗扇。該公司還與海軍IPT公司合作硝烂，采用VARI工藝制造P-3飛機(jī)的下翼面整流復(fù)合材料壁板，并且計(jì)劃將VARI工藝擴(kuò)大應(yīng)用到其它零件上铜幽。此外滞谢，洛克希德·馬丁公司為加速VARI低成本技術(shù)在大型飛機(jī)上的應(yīng)用，目前已經(jīng)著手在C-5除抛、C-130等機(jī)型上開展VARI工藝的試驗(yàn)及驗(yàn)證工作[1]狮杨。
　　
　　在由美國航空航天局（NASA）資助的“波音預(yù)成型體”計(jì)劃中逸寓，VSystemComposites公司采用VARI工藝對(duì)復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)及帶加強(qiáng)筋機(jī)身整體復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的成型進(jìn)行了驗(yàn)證剧腻，整個(gè)加筋?yuàn)A層壁板結(jié)構(gòu)在一個(gè)注射過程中完成截巢。另外陷揪，波音公司還將VARI技術(shù)用于CH-47部分零件的制造糙枚。美國Seaman公司實(shí)施的“希曼”計(jì)劃守譬，其主要目的之一是采用VARI工藝在一個(gè)注射過程中完成半個(gè)機(jī)身的整體制造白嘁。與波音公司合并的麥道公司放棄了采用預(yù)浸料熱壓罐成型工藝制造機(jī)翼蒙皮的方法心墅，轉(zhuǎn)入采用VARI工藝制造大型機(jī)翼蒙皮的研究塞补。
　　
　　VARI工藝在其他國防領(lǐng)域也得到應(yīng)用青烙。洛克希德·馬丁公司在制造“三叉戟”IID5彈道導(dǎo)彈儀器艙段的復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)，為降低成本喻丐，對(duì)預(yù)浸料熱壓罐成型工藝冕店、低溫預(yù)浸料工藝及VARI工藝等的制造成本及復(fù)合材料制件力學(xué)性能進(jìn)行綜合評(píng)估，最終選用VARI成型工藝制造了彈道導(dǎo)彈儀器艙段篷浅，實(shí)現(xiàn)了一次整體成型填庄。與預(yù)浸料熱壓罐工藝相比：零件總數(shù)由61減少到1婿孟，緊固件減少376個(gè)，力學(xué)性能及減重效果相同（制件纖維體積含量達(dá)58.6％）题琅，成本降低75％孟盅。
　　
　　GermanAerospaceCenter采用樹脂滲透的方法，完成了全尺寸ROHACELL泡沫夾芯復(fù)合材料前機(jī)身的研制歉活。
　　
　　最具代表性的是歐洲防務(wù)公司于2007年研制成功的A400M運(yùn)輸機(jī)的貨艙門（如圖2所示）該艙門尺寸約7m×4m悠怕，位于機(jī)身的密封艙部分，因其要承受較大的氣密載荷莉歼，對(duì)構(gòu)件的質(zhì)量要求很高隶谒，加筋壁板和橫向隔框采用復(fù)合材料設(shè)計(jì)，加筋壁板沒有采用傳統(tǒng)的復(fù)合材料成型方法火架，而是先將蒙皮和長桁預(yù)制成為干態(tài)纖維預(yù)成型體鉴象，通過VARI工藝使樹脂在真空作用下滲透到蒙皮和長桁的各個(gè)區(qū)域，然后在烘箱中固化成型何鸡。與傳統(tǒng)成型方法相比纺弊，沒有使用昂貴的熱壓罐，成本低骡男；同時(shí)淆游，由于采用VARI技術(shù)將內(nèi)部數(shù)根長桁與外蒙皮整體固化，零件數(shù)量減少隔盛，不僅結(jié)構(gòu)整體性高犹菱，且能節(jié)省約3000個(gè)裝配工時(shí)，成型效率高吮炕；此外通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)腊脱，A400M的貨艙門減重效益也非常明顯。

　　
　　圖3則是A380采用VARI技術(shù)成型的副翼結(jié)構(gòu)[2]来屠。

　　
　　國內(nèi)VARI技術(shù)研究進(jìn)展及應(yīng)用情況
　　
　　鑒于VARI技術(shù)在降低復(fù)合材料制造成本方面具有的優(yōu)勢虑椎，國內(nèi)自本世紀(jì)初開始已有多家研究機(jī)構(gòu)開展了VARI技術(shù)研究。中航工業(yè)北京航空制造工程研究所是國內(nèi)最早開展VARI技術(shù)和應(yīng)用的科研機(jī)構(gòu)之一囚请，在專用樹脂體系開發(fā)疚傲、干態(tài)纖維增強(qiáng)預(yù)成型體滲透特性、VARI工藝樹脂流動(dòng)控制以及成型工藝等方面均開展了大量的研究工作缚扩，開發(fā)了BA9911痕豺、BA9912和BA9914VARI樹脂體系，突破了復(fù)雜構(gòu)型預(yù)成型體制備闪妓、高纖維含量VARI工藝樹脂流動(dòng)控制及VARI工藝等關(guān)鍵技術(shù)努辛，研制的航空典型結(jié)構(gòu)件的纖維體積含量達(dá)到了58%以上，并在多個(gè)項(xiàng)目上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證和裝機(jī)應(yīng)用甚庇。
　　
　　1VARI專用樹脂體系方面
　　
　⊥绕恕（1）BA9912環(huán)氧樹脂没赔。
　　
　　BA9912是中航工業(yè)北京航空制造工程研究所自主研發(fā)的120℃固化的環(huán)氧樹脂體系，該樹脂的室溫粘度只有120mPa·s陆拐，可以滿足VARI工藝對(duì)基體樹脂低粘度的要求取铃。
　　
　　BA9912復(fù)合材料的固化溫度為120℃，Tg為187℃丛楚，82℃時(shí)模量保持率達(dá)到88%族壳，滿足使用溫度82℃的航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)要求。目前該材料體系已在機(jī)翼趣些、副翼和艙門結(jié)構(gòu)上進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用[3]仿荆。
　　
　　（2）BA9914環(huán)氧樹脂坏平。
　　
　　BA9914是中航工業(yè)北京航空制造工程研究所自主研發(fā)的180℃固化的環(huán)氧樹脂體系拢操，該樹脂60℃下的粘度為110mPa·s，最低粘度30mPa·s舶替，能夠滿足VARI工藝低粘度要求庐冯。BA9914在成型過程中有較長的操作期，可以成型大型構(gòu)件坎穿。
　　
　　BA9914復(fù)合材料經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范固化后Tg為251℃，具有較好的耐熱性返劲，能夠滿足133℃的使用要求[4]玲昧。
　　
　　2VARI成型工藝方面
　　
　　對(duì)于航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件來說，一般要求復(fù)合材料的纖維體積含量在55％以上篮绿。由于傳統(tǒng)的VARI工藝是在一個(gè)真空壓力條件下成型孵延，不足以使纖維預(yù)成型體達(dá)到理想的密實(shí)狀態(tài)，所成型的VARI復(fù)合材料的纖維含量往往偏低羽剪，這是制約VARI技術(shù)在航空結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的關(guān)鍵茸例。
　　
　　為滿足航空復(fù)合材料的性能要求，開展了高性能VARI成型工藝研究殴燃，通過采用優(yōu)化樹脂流道設(shè)計(jì)偷逆、調(diào)整樹脂進(jìn)/出管路壓力等手段，使VARI復(fù)合材料制件的纖維體積含量得到改善斯荒，表1為采用VARI工藝改進(jìn)前后的纖維體積含量對(duì)比卤索。

　　按兩種情況進(jìn)行對(duì)比分析，①VARI工藝改進(jìn)前挨狡、后的U3160/BA9912復(fù)合材料的纖維體積含量情況斯泥；②VARI工藝改進(jìn)后U3160/BA9912、U3160/BA9914兩種材料體系纖維含量情況迫赞。按單向?qū)訅喊搴投嘞驅(qū)雍习宸诸愄湔螅瑢y得的纖維含量結(jié)果取平均值册血，兩種情況對(duì)比結(jié)果分別見圖4和圖5〕芳椋可以看出吠昭，經(jīng)工藝改進(jìn)后成型的U3160/BA9912、U3160/BA9914復(fù)合材料纖維含量基本接近寂呛，達(dá)到58%以上的纖維體積含量怎诫。采用改進(jìn)VARI工藝成型的U3160/BA9912復(fù)合材料比改進(jìn)前約提高5%左右。

　　采用BA9914成型的帽型加筋壁板及大尺寸加筋壁板典型件贷痪，進(jìn)一步驗(yàn)證了VARI工藝改進(jìn)后對(duì)提高VARI復(fù)合材料纖維含量的可行性幻妓。圖6是帽形加筋壁板厚度測試點(diǎn)分布圖，測試結(jié)果見表2劫拢。

　　
　　圖7為加筋壁板典型件肉津，采用BA9914按VARI工藝成型，利用復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性舱沧，最大限度的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重妹沙，根據(jù)受載情況蒙皮設(shè)計(jì)為變厚度，被縱向加筋和橫向裝配區(qū)分為幾十個(gè)區(qū)域熟吏，歸納為4種厚度距糖，其厚度測試結(jié)果及纖維含量見表3。

　　
　　將高性能VARI成型技術(shù)應(yīng)用于U3160/BA9914復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)件的研制蒲龟、帽型加筋壁板典型件以及大尺寸加筋壁板典型件研制慢杜，圖8測試數(shù)據(jù)顯示VARI成型復(fù)合材料板件及結(jié)構(gòu)件纖維體積含量均達(dá)到58％以上。

　　
　　結(jié)論
　　
　　盡管國內(nèi)VARI技術(shù)的研究起步較晚凌宫，但經(jīng)過近十幾年的研究炫咱，從專用VARI樹脂體系開發(fā)、復(fù)雜構(gòu)型預(yù)成型體制備麻坯、VARI工藝樹脂流動(dòng)控制到VARI成型工藝均已取得突破性進(jìn)展投圣，VARI制件的纖維體積含量可以達(dá)到58%以上，已接近熱壓罐工藝水平毙帚。目前脓脸，VARI復(fù)合材料已在多個(gè)航空結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了驗(yàn)證和應(yīng)用，隨著驗(yàn)證工作的不斷深入篷低，VARI技術(shù)必將成為繼預(yù)浸料/熱壓罐工藝之后又一可工程化應(yīng)用的復(fù)合材料制造技術(shù)郊纱。

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