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摘要:真空导入是最近兴起的复合材料加工方法,本文介绍了真空导入工艺的原理,并与其他工艺在力学性能上做了对比,阐述由真空导入工艺所制作的产品的优势,同时对生产工艺过程作了扼要的介绍。

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在目前的材料中,复合材料因其质轻高强而被广泛应用。针对复合材料的制造工艺也在不断的提高和创新。由起初的手糊,发展到机械化的喷射,拉挤,模压等工艺,到现在兴起的真空导入工艺,与真空导入相关的工艺还有树脂传递模塑(RTM),真空辅助RTM(VARTM),真空袋压, SCRIMP,SRIM(Structural Reaction Molding),RTI(resin filminfusion)。但都有一些差别,很多文章中都介绍过,这里就不赘述了。

1. 真空导入工艺(Vacuum infusion process,VIP)

 

真空导入工艺,简称VIP,在模具上铺增强材料(玻璃纤维,碳纤维,夹心材料等,有别于真空袋工艺),然后铺真空袋,并抽出体系中的空气,在模具型腔中形成一个负压,利用真空产生的压力把不饱和树脂通过预铺的管路压入纤维层中,让树脂浸润增强材料最后充满整个模具,制品固化后,揭去真空袋材料,从模具上得到所需的制品。VIP采用单面模具(就象通常的手糊和喷射模具)建立一个闭合系统。

 

真空导入工艺公诸于世很久了,这个工艺在1950 年出现了专利记录。然而,直到近几年才得到了发展。由于这种工艺是从国外引入,所以在命名上有多种称呼,真空导入真空灌注真空注射等。

2.理论  

 

真空导入工艺能被广泛的应用,有其理论基础的,这就是达西定律:

Darcy’s Law)t =ℓ2h/(2 kDP ),t 是导入时间,由四个参数来决定;h-树脂粘度。

 

从公式上可以看出所用树脂的粘度越低,则所需导入时间就越短,因此真空导入所用的树脂粘度一般不能太高。这样可以使树脂能够快速的充满整个模具。ℓ-注射长度,指的树脂进料口与到达出料口的之间的距离,距离长当然所需的时间亦长。DP-压力差, 体系内与体系外压力差值越大,对树脂的驱动力也越大,树脂流速越快,当然所需导入时间也越短。k= 渗透性,指玻纤,夹心材料等对树脂浸润好坏的参数。k 值大说明浸润好,象多向毡要比方格布,短切毡易被树脂浸润。因此为了使得树脂在增强材料被压实的情况下能方便的充满体系,一般会人为设置一些导流槽,比如在夹心泡沫上下打孔等。

3.优势 

 

在通常的手糊工艺(hand lay-up)中,增强材料铺于模具中, 采用刷子,辊子或其它方式手工浸润增强材料。另外一种改进的方法是使用真空袋吸出手糊时积层中多余的树脂。这样提高的玻纤含量,得到更高强度和更轻的产品。VIP 相对于传统的工艺具有很多优势,如图以手糊,真空袋和真空导入为例。在力学性能上真空导入占有明显的优势。

真空导入工艺

由此可以看出真空导入的优势:

a 更高质量制品: 在真空环境下树脂浸润玻纤,与传统制造工艺相比,制品中的气泡极少。体系中不留有多余的树脂,玻纤含量很高,可达到70%,甚至更高。所得制品重量更轻,强度更高。批与批之间也非常稳定。

b 更少树脂损耗: 用VIP 工艺,树脂的用量可以精确预算,对于手糊或喷射工艺来说,会因操作人员的多变性而难于控制。VIP 可以使得树脂的损耗达到最少,更重要的是,这样可以节约成本。

c 树脂分布均匀: 对于一个制品来说,不同部分的真空产生的压力是一致的,因此树脂对玻纤的浸润速度和含量趋于一致。这个对于重量要求稳定的FRP 制件来是很关键的。

d 过程挥发更少: 生产过程中没有刷子或辊子之类,不会造成树脂的泼洒或滴落现象发现,更不会有大量的气味出现。所以它能提供一个干净、安全和友好的工作环境, 保护操作者的身心健康。

e 使用单面模具: 仅用一面模具就可以得到两面光滑平整的制品,可以较好的控制产品的厚度。节约模具制造成本和时间。

 

正因为用VIP 工艺所做产品有如此的优点,最早应用于航天航空等特种领域,后来慢慢应用于高要求的民用产品。

 

VIP 工艺的应用领域  

1)船艇工业--船体,甲板,方向舵,雷达屏蔽罩

2)风电能源--叶片,机仓罩

3)体育休闲--头盔,帆板

4)汽车工业--各类车顶,挡风板,车厢

5)建筑领域--建筑物顶部件,建筑模板

6)农业和园艺--粮仓圆盖,农机保护盖

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真空导入工艺

4.1 VIP 所用材料

 

4.1.1 树脂
当准备开始真空导入的试验时,首先要选用合适的树脂,是环氧树脂还是不饱和聚酯树脂。真空导入工艺的树脂,不能用普通的树脂来代替,它对粘度,凝胶时间,放热峰,浸润性等有特殊的要求,具体可咨询树脂供应商。

 

4.1.2 固化体系
如果是环氧树脂,要使用其相对应的专用固化剂;不饱和树脂常用的固化剂是过氧化甲乙酮。不同的厂家其质量是不一样的,选用时对其评价,不能因为用量少的材料而影响到整个制品的质量。

 

4.1.3 增强材料
增强材料一般常用的是玻璃纤维和碳纤维。比如复合缝边毡,单布等,具体要根据力学设计。选用时最好做一下实验,渗透性如何,因为纤维在制造过程中选用的浸润剂,粘接剂的不同对树脂的浸润会不一样,导致最终制品的力学性能会有很大的差异。

 

4.1.4 夹心材料

一般常用的是Balsa木,PVC 泡沫,PUR/PIR 泡沫,强心毡等。依据制品的需要选用合适的夹心材料。

 

4.1.5 设备、辅材

真空泵,接口,压力表,导流管,脱模布,导流布,真空袋等等。真空导入工艺用所的材料不是随随便便拿来就能用,每种材料都要经过实验加以确认,以此判断是不是适用。

真空导入工艺

4.2 VIP 工艺流程  

为了要了解材料如何使用和如何安排。为了解说方便,我们以如所例示意图为例子。

 

第一步: 准备模具

和其它积层工艺一样, 对VIP 来说高质量的模具也是必须的。表面要有较高的硬度和较高的光泽,并且模具边缘至少保留15 厘米,便于密封条和管路的铺设。对模具进行清理干净,然后打脱模蜡或抹脱模水。

 

第二步: 施工胶衣面可以根据制品的要求,可以用产品胶衣和打磨胶衣,选用类型有邻苯,间苯和乙烯基。用手刷和喷射的方法施工胶衣。

 

第三步:增强材料铺设

选用增强材料-玻璃纤维,碳纤维,夹心材料…这要依据制品强度要求来定。选择增强材料对积层工艺来说是很重要的一步,但对于VIP 要多考虑几点。虽然所有织物都可以用,但不同的材料和织法会影响树脂流速。

 

第四步:真空袋材料铺设

先铺上脱模布,接着是导流布,最后是真空袋。在合上真空袋之前,要仔细考虑树脂和抽真空管路的走向,否则有的地方树脂会无法浸润到。铺设时要非常小心,以免一些尖锐物刺破真空袋。

 

第五步:抽真空

铺完这些材料后,夹紧各进树脂管,对整个体系抽真空,尽量把体系中空气抽空,并检查气密性,这一步很关键,如有漏点存在,当树脂导入时,空气会进体入体系,气泡会在漏点向其它地方渗入,甚至于有可能整个制品报废。


第六步:配树脂
抽真空达到一定要求后,准备树脂。按凝胶时间配入相应的固化剂,切记不能忘加固化剂,否则很难弥补。不过一般真空导入树脂含有固化指示剂,可以从颜色上来判断是否加了固化剂。

 

第七步:导入树脂

把进树脂管路插入配好的树脂桶中,根据进料顺序依次打开夹子,注意树脂的量,必要时及时补充。

 

第八步:脱模

树脂凝胶固化到一定程度后,揭去真空袋材料。从模具上取出制品并进行后处理。

 


 

 

5. 结语  

 

当然任何一个工艺不可能是十全十美的,目前来说VIP 所需的一次性耗材很大一部分需要进口,提高材料成本,但这部分可以减少树脂用量上得到平衡。另外对操作人员的技能要求更高。每一过程都仔细按步骤做好才能进入下一步的操作,否则会造成不能逆转的损失。    

 

所以这种工艺目前用在附加值高的FPR 部件和制品中, 如体育用品配件,游艇,风力发电叶片等。但人们对更高性能材料的大量需要,真空导入工艺正被越来越多的人认识和采用。