【中國機床商務網】導讀：樹脂基復合材料因其具有比強度高、比剛度大和可設計性好等優點已成為航空航天等領域廣泛采用的zui主要的結構材料之一。但隨著用量的不斷增加，傳統樹脂基復合材料自身的弱點也不斷暴露出來，突出表現在傳統樹脂基復合材料的制造成本較高，這主要是由于傳統復合材料大多采用預浸料/熱壓罐成型，預浸料的制備和低溫儲藏、繁雜工藝過程以及價格昂貴的熱壓罐等設備投資勢必造成復合材料的高成本，這在一定程度上又限制了復合材料用量的進一步擴大。
　　
　　VARI（VacuumAssistantResinInfusion）即真空輔助樹脂滲透是近年來發展起來的一種復合材料低成本制造技術，其工藝原理是將按照結構和性能要求制備好的纖維預成型體放置在模具上，在一個真空作用下使液態樹脂在預成型體內流動并浸潤纖維，再經升溫固化、冷卻脫模得到能夠承載的復合材料構件，如圖1所示。VARI工藝的zui大特點是全工藝過程都是在一個真空條件下完成的，不需要施加額外的壓力，因此不需要熱壓罐，不僅省卻了熱壓罐及配套設備的投入，而且所成型零件的尺寸不受熱壓罐尺寸的限制，尤其適用于超大尺寸復合材料零件成型。同時可以結合縫合、編織等三維增強手段實現復雜構件的整體成型，從而減少零件和緊固件數量，降低了緊固件和裝配成本。但VARI工藝自身的特點決定了所成型零件的纖維體積含量（一般在50%以下）與預浸料/熱壓罐工藝存在差距，要實現在飛機結構上的應用必須對傳統的VARI工藝進行改進。
　　
　　國外VARI技術應用情況
　　
　　國外VARI技術zui初應用在艦船領域，因其在降低復合材料制造成本及大型構件整體成型方面具有的優勢，近年來相關的研究機構對VARI技術在航空航天復合材料結構上應用的可行性方面已做了大量的研究工作。
　　
　　洛克希德·馬丁公司是zui早將VARI技術應用于飛機結構的研究機構，采用VARI技術成型整體復合材料座艙，51個零件通過VARI工藝共固化成為一個整體結構，有效地提高了結構的整體性，減少緊固件400個，在保證減重效率不變的情況下，成本降低38％以上。該公司還與*IPT公司合作，采用VARI工藝制造P-3飛機的下翼面整流復合材料壁板，并且計劃將VARI工藝擴大應用到其它零件上。此外，洛克希德·馬丁公司為加速VARI低成本技術在大型飛機上的應用，目前已經著手在C-5、C-130等機型上開展VARI工藝的試驗及驗證工作[1]。
　　
　　在由美國航空航天局（NASA）資助的“波音預成型體”計劃中，VSystemComposites公司采用VARI工藝對復合材料機翼結構及帶加強筋機身整體復合材料夾層結構的成型進行了驗證，整個加筋夾層壁板結構在一個注射過程中完成。另外，波音公司還將VARI技術用于CH-47部分零件的制造。美國Seaman公司實施的“希曼”計劃，其主要目的之一是采用VARI工藝在一個注射過程中完成半個機身的整體制造。與波音公司合并的麥道公司放棄了采用預浸料熱壓罐成型工藝制造機翼蒙皮的方法，轉入采用VARI工藝制造大型機翼蒙皮的研究。
　　
　　VARI工藝在其他國防領域也得到應用。洛克希德·馬丁公司在制造“三叉戟”IID5彈道導彈儀器艙段的復合材料構件時，為降低成本，對預浸料熱壓罐成型工藝、低溫預浸料工藝及VARI工藝等的制造成本及復合材料制件力學性能進行綜合評估，zui終選用VARI成型工藝制造了彈道導彈儀器艙段，實現了一次整體成型。與預浸料熱壓罐工藝相比：零件總數由61減少到1，緊固件減少376個，力學性能及減重效果相同（制件纖維體積含量達58.6％），成本降低75％。
　　
　　GermanAerospaceCenter采用樹脂滲透的方法，完成了全尺寸ROHACELL泡沫夾芯復合材料前機身的研制。
　　
　　代表性的是歐洲防務公司于2007年研制成功的A400M運輸機的貨艙門（如圖2所示）該艙門尺寸約7m×4m，位于機身的密封艙部分，因其要承受較大的氣密載荷，對構件的質量要求很高，加筋壁板和橫向隔框采用復合材料設計，加筋壁板沒有采用傳統的復合材料成型方法，而是先將蒙皮和長桁預制成為干態纖維預成型體，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區域，然后在烘箱中固化成型。與傳統成型方法相比，沒有使用昂貴的熱壓罐，成本低；同時，由于采用VARI技術將內部數根長桁與外蒙皮整體固化，零件數量減少，不僅結構整體性高，且能節省約3000個裝配工時，成型效率高；此外通過結構優化設計，A400M的貨艙門減重效益也非常明顯。
　　
　　圖3則是A380采用VARI技術成型的副翼結構[2]。
　　
　　國內VARI技術研究進展及應用情況
　　
　　鑒于VARI技術在降低復合材料制造成本方面具有的優勢，國內自本世紀初開始已有多家研究機構開展了VARI技術研究。中航工業北京航空制造工程研究所是早開展VARI技術和應用的科研機構之一，在樹脂體系開發、干態纖維增強預成型體滲透特性、VARI工藝樹脂流動控制以及成型工藝等方面均開展了大量的研究工作，開發了BA9911、BA9912和BA9914VARI樹脂體系，突破了復雜構型預成型體制備、高纖維含量VARI工藝樹脂流動控制及VARI工藝等關鍵技術，研制的航空典型結構件的纖維體積含量達到了58%以上，并在多個項目上進行了試驗驗證和裝機應用。
　　
　　1VARI樹脂體系方面
　　
　?。?）BA9912環氧樹脂。
　　
　　BA9912是中航工業北京航空制造工程研究所自主研發的120℃固化的環氧樹脂體系，該樹脂的室溫粘度只有120mPa·s，可以滿足VARI工藝對基體樹脂低粘度的要求。
　　
　　BA9912復合材料的固化溫度為120℃，Tg為187℃，82℃時模量保持率達到88%，滿足使用溫度82℃的航空復合材料結構要求。目前該材料體系已在機翼、副翼和艙門結構上進行驗證和應用[3]。
　　
　　（2）BA9914環氧樹脂。
　　
　　BA9914是中航工業北京航空制造工程研究所自主研發的180℃固化的環氧樹脂體系，該樹脂60℃下的粘度為110mPa·s，zui低粘度30mPa·s，能夠滿足VARI工藝低粘度要求。BA9914在成型過程中有較長的操作期，可以成型大型構件。
　　
　　BA9914復合材料經標準規范固化后Tg為251℃，具有較好的耐熱性，能夠滿足133℃的使用要求[4]。
　　
　　2VARI成型工藝方面
　　
　　對于航空復合材料結構件來說，一般要求復合材料的纖維體積含量在55％以上。由于傳統的VARI工藝是在一個真空壓力條件下成型，不足以使纖維預成型體達到理想的密實狀態，所成型的VARI復合材料的纖維含量往往偏低，這是制約VARI技術在航空結構上應用的關鍵。
　　
　　為滿足航空復合材料的性能要求，開展了高性能VARI成型工藝研究，通過采用優化樹脂流道設計、調整樹脂進/出管路壓力等手段，使VARI復合材料制件的纖維體積含量得到改善，表1為采用VARI工藝改進前后的纖維體積含量對比。
　　
　　按兩種情況進行對比分析，①VARI工藝改進前、后的U3160/BA9912復合材料的纖維體積含量情況；②VARI工藝改進后U3160/BA9912、U3160/BA9914兩種材料體系纖維含量情況。按單向層壓板和多向層合板分類，將測得的纖維含量結果取平均值，兩種情況對比結果分別見圖4和圖5?？梢钥闯觯浌に嚫倪M后成型的U3160/BA9912、U3160/BA9914復合材料纖維含量基本接近，達到58%以上的纖維體積含量。采用改進VARI工藝成型的U3160/BA9912復合材料比改進前約提高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，進一步驗證了VARI工藝改進后對提高VARI復合材料纖維含量的可行性。圖6是帽形加筋壁板厚度測試點分布圖，測試結果見表2。
　　
　　圖7為加筋壁板典型件，采用BA9914按VARI工藝成型，利用復合材料的可設計性，zui大限度的實現結構減重，根據受載情況蒙皮設計為變厚度，被縱向加筋和橫向裝配區分為幾十個區域，歸納為4種厚度，其厚度測試結果及纖維含量見表3。
　　
　　將高性能VARI成型技術應用于U3160/BA9914復合材料力學性能試驗件的研制、帽型加筋壁板典型件以及大尺寸加筋壁板典型件研制，圖8測試數據顯示VARI成型復合材料板件及結構件纖維體積含量均達到58％以上。
　　
　　結論
　　
　　盡管國內VARI技術的研究起步較晚，但經過近十幾年的研究，從VARI樹脂體系開發、復雜構型預成型體制備、VARI工藝樹脂流動控制到VARI成型工藝均已取得突破性進展，VARI制件的纖維體積含量可以達到58%以上，已接近熱壓罐工藝水平。目前，VARI復合材料已在多個航空結構上進行了驗證和應用，隨著驗證工作的不斷深入，VARI技術必將成為繼預浸料/熱壓罐工藝之后又一可工程化應用的復合材料制造技術。


　　（文章來源：航空制造網）