摘要：真空導(dǎo)入工藝是最近興起的復(fù)合材料加工方法，本文介紹了真空導(dǎo)入工藝的原理，并與其它工藝在力學(xué)性能上作了對(duì)比，闡述由真空導(dǎo)入工藝所制的產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)工藝過程作了扼要的介紹。
在目前的材料中，復(fù)合材料因其質(zhì)輕高強(qiáng)而被廣泛的應(yīng)用。針對(duì)復(fù)合材料的制造工藝也在不斷的提高和創(chuàng)新。由起初的手糊，發(fā)展到機(jī)械化的噴射，拉劑，模壓等工藝，到現(xiàn)在興起的真空導(dǎo)入工藝，與真空導(dǎo)入相關(guān)的工藝還有樹脂傳遞模塑（RTM），真空輔助RTM （VARTM），真空袋壓，SCRIMP， SRIM(Structural Reaction Injection Molding)， RFI （resin film infusion）。但都有一些差別，很多文章中都介紹過，這里就不贅述了。
1． 真空導(dǎo)入工藝 (vacuum infusion process, VIP)
真空導(dǎo)入工藝(Vacuum Infusion Process)，簡(jiǎn)稱VIP，在模具上鋪“干”增強(qiáng)材料（玻璃纖維，碳纖維，夾心材料等，有別于真空袋工藝），然后鋪真空袋，并抽出體系中的空氣，在模具型腔中形成一個(gè)負(fù)壓，利用真空產(chǎn)生的壓力把不飽和樹脂通過預(yù)鋪的管路壓入纖維積層中，讓樹脂浸潤(rùn)增強(qiáng)材料最后充滿整個(gè)模具，制品固化后，揭去真空袋材料，從模具上得到所需的制品。VIP采用單面模具（就象通常的手糊和噴射的模具）建立一個(gè)閉合系統(tǒng)。真空導(dǎo)入工藝公諸于世很久了, 這個(gè)工藝在1950出現(xiàn)了專利記錄了。然而，直到近幾年才得到了發(fā)展。由于這種工藝是由國(guó)外引入，所以在命名上有多種稱呼，真空導(dǎo)入，真空灌注，真空注射。
2． 理論
真空導(dǎo)入工藝能被廣泛的應(yīng)用，有其理論基礎(chǔ)的，這就是達(dá)西定律（Darcy’s Law）
t =? 2h/(2 k DP )
t 是導(dǎo)入時(shí)間，由四個(gè)參數(shù)來決定。
h-樹脂粘度，從公式上可以看出所用樹脂的粘度低，則所需導(dǎo)入時(shí)間就短，因此真空導(dǎo)入所用的樹脂粘度一般不能太高。這樣可以使樹脂能夠快速的充滿整個(gè)模具。
?-注射長(zhǎng)度，指的樹脂進(jìn)料口與到達(dá)出料口的之間的距離，距離長(zhǎng)當(dāng)然所需的時(shí)間亦長(zhǎng)。
DP-壓力差, 體系內(nèi)與體系外壓力差值越大，對(duì)樹脂的驅(qū)動(dòng)力也越大，樹脂流速越快，當(dāng)然所需導(dǎo)入時(shí)間也越短。
k = 滲透性，指玻纖，夾心材料等對(duì)樹脂浸潤(rùn)好壞的參數(shù)。k值大說明浸潤(rùn)好，象連續(xù)氈，多向氈要比方格布，短切氈易被樹脂浸潤(rùn)。因此為了使得樹脂在增強(qiáng)材料被壓實(shí)的情況下能方便的充滿體系，一般會(huì)人為設(shè)置一些導(dǎo)流槽，比如在夾心泡沫上下打孔等。
3． 優(yōu)勢(shì)
在通常的手糊工藝(hand lay-up)中, 增強(qiáng)材料鋪于模具中, 采用刷子，輥?zhàn)踊蚱渌绞绞止そ?rùn)增強(qiáng)材料。另外一種改進(jìn)的方法是使用真空袋吸出手糊時(shí)積層中多余的樹脂。這樣提高的玻纖含量，得到更高強(qiáng)度和更輕的產(chǎn)品，VIP相對(duì)于傳統(tǒng)的工藝具有很多優(yōu)勢(shì)。
如圖以手糊，真空袋和真空導(dǎo)入為例。在力學(xué)性能上真空導(dǎo)入占有明顯的優(yōu)勢(shì)。
 由此可以看出真空導(dǎo)入的優(yōu)勢(shì)
a更高質(zhì)量制品：在真空環(huán)境下樹脂浸潤(rùn)玻纖，與傳統(tǒng)制造工藝相比，制品中的氣泡極少。體系中不留有多余的樹脂，玻纖含量很高，可達(dá)到時(shí)70%，甚至更低。所得制品重量更輕，強(qiáng)度更高。批與批之間也非常穩(wěn)定。
b更少樹脂損耗：用VIP工藝，樹脂的用量可以精確預(yù)算，對(duì)于手糊或噴射工藝來說，會(huì)因操作人員的多變性而難于控制。VIP可以使得樹脂的損耗達(dá)到最少，更重要的是，這樣可以節(jié)約成本。 c樹脂分布均勻：對(duì)于一個(gè)制品來說，不同部分的真空產(chǎn)生的壓力是一致的，因此樹脂對(duì)玻纖的浸潤(rùn)速度和含量趨于一致。這個(gè)對(duì)于重量要求穩(wěn)定的FRP制件來是很關(guān)鍵的。 d過程揮發(fā)更少：生產(chǎn)過程中沒有刷子或輥?zhàn)又?，不?huì)造成樹脂的潑灑或滴落現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，更不會(huì)有大量的氣味出現(xiàn)。所以它能提供一個(gè)干凈、安全和友好的工作環(huán)境, 保護(hù)操作者的身心健康。
e使用單面模具：僅用一面模具就可以得到兩面光滑平整的制品，可以較好的控制產(chǎn)品的厚度。節(jié)約模具制造成本和時(shí)間。 正因?yàn)橛肰IP工藝所做產(chǎn)品有如些的優(yōu)點(diǎn)，最早應(yīng)用于航天航空等特種領(lǐng)域，后來慢慢應(yīng)用于高要求的民用產(chǎn)品。 VIP工藝的應(yīng)用領(lǐng)域
1）船艇工業(yè)--船體，甲板，方向舵，雷達(dá)屏蔽罩
2）風(fēng)電能源--葉片，機(jī)倉(cāng)罩
3）體育休閑--頭盔，帆板
4）汽車工業(yè)--各類車頂，擋風(fēng)板，車廂
5）建筑領(lǐng)域--建筑物頂部件，建筑模板
6）農(nóng)業(yè)和園藝 --糧倉(cāng)圓蓋，農(nóng)機(jī)保護(hù)蓋 4．1．1樹脂
當(dāng)準(zhǔn)備開始真空導(dǎo)入的試驗(yàn)時(shí)，首先要選用合適的樹脂，是環(huán)氧樹脂還是不飽和聚酯樹脂。真空導(dǎo)入工藝的樹脂，不能用普通的樹脂來代替，它對(duì)粘度，凝膠時(shí)間，放熱峰，浸潤(rùn)性等有特殊的要求，具體可咨詢樹脂供應(yīng)商。
4．1．2 固化體系
如果是環(huán)氧樹脂，要使用其相對(duì)應(yīng)的專用固化劑；不飽和樹脂常用的固化劑是過氧化甲乙酮。不同的廠家其質(zhì)量是不一樣的，選用時(shí)對(duì)其評(píng)價(jià)，不能因?yàn)橛昧可俚牟牧隙绊懙秸麄€(gè)制品的質(zhì)量。
4．1．3 增強(qiáng)材料
增強(qiáng)材料一般常用的是玻璃纖維和碳纖維。比如連續(xù)氈，復(fù)合縫邊氈，單布等，具體要根據(jù)力學(xué)設(shè)計(jì)。選用時(shí)最好做一下實(shí)驗(yàn)，滲透性如何，因?yàn)槔w維在制造過程中選用的浸潤(rùn)劑，粘接劑的不同對(duì)樹脂的浸潤(rùn)會(huì)不一樣，導(dǎo)致最終制品的力學(xué)性能會(huì)有很大的差異。
4．1．4 夾心材料
一般常用的是木板，Balsa木，PVC泡沫，PUR 泡沫，強(qiáng)蕊氈等。依據(jù)制品的需要選用合適的夾心材料。
4．1．5 設(shè)備、輔材
真空泵，接口，壓力表，導(dǎo)流管，脫模布，導(dǎo)流布，真空袋等等。
真空導(dǎo)入工藝用所的材料不是隨隨便便拿來就能用，每種材料都要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)加以確認(rèn)，以此判斷是不是適用。這里就不詳細(xì)闡述，作為專題在以后的文章中討論。
 4．2 VIP 工藝流程
然后要了解材料如何使用和如何安排。為了解說方便，我們以如所例示意圖為例子。
第一步：準(zhǔn)備模具
和其它積層工藝一樣， 對(duì)VIP來說高質(zhì)量的模具也是必須的。表面要有較高的硬度和較高的光澤，并且模具邊緣至少保留15厘米，便于密封條和管路的鋪設(shè)。對(duì)模具進(jìn)行清理干凈，然后打脫模蠟或抹脫模水。
第二步： 施工膠衣面
可以根據(jù)制品的要求，可以用產(chǎn)品膠衣和打磨膠衣，選用類型有鄰苯，間苯和乙烯基。用手刷和噴射的方法施工膠衣。
第三步：增強(qiáng)材料鋪設(shè)
選用增強(qiáng)材料-玻璃纖維，碳纖維，夾心材料…這要依據(jù)制品強(qiáng)度要求來定。選擇增強(qiáng)材料對(duì)積層工藝來說是很重要的一步，但對(duì)于VIP要多考慮幾點(diǎn)。 雖然所有織物都可以用，但不同的材料和織法會(huì)影響樹脂流速。
第四步：真空袋材料鋪設(shè)
先鋪上脫模布，接著是導(dǎo)流布，最后是真空袋。在合上真空袋之前，要仔細(xì)考慮樹脂和抽真空管路的走向，否則有的地方樹脂會(huì)無法浸潤(rùn)到。鋪設(shè)時(shí)要非常小心，以免一些尖銳物刺破真空袋。
第五步：抽真空
鋪完這些材料后，夾緊各進(jìn)樹脂管，對(duì)整個(gè)體系抽真空，盡量把體系中空氣抽空，并檢查氣密性，這一步很關(guān)鍵，如有漏點(diǎn)存在，當(dāng)樹脂導(dǎo)入時(shí)，空氣會(huì)進(jìn)體入體系，氣泡會(huì)在漏點(diǎn)向其它地方滲入，甚至于有可能整個(gè)制品報(bào)廢。
第六步：配樹脂
抽真空達(dá)到一定要求后，準(zhǔn)備樹脂。按凝膠時(shí)間配入相應(yīng)的固化劑，切記不能忘加固化劑，否則很難彌補(bǔ)。不過一般真空導(dǎo)入樹脂含有固化指示劑，可以從顏色上來判斷是否加了固化劑。
第七步：導(dǎo)入樹脂
把進(jìn)樹脂管路插入配好的樹脂桶中，根據(jù)進(jìn)料順序依次打開夾子，注意樹脂桶的量，及時(shí)補(bǔ)充。
第八步：脫模
樹脂凝膠固化到一定程度后，揭去真空袋材料。從模具上取出制品并進(jìn)行后處理。
5 結(jié)語
當(dāng)然任何一個(gè)工藝不可能是十全十美的，目前來說VIP所需的一次性耗材很大一部分需要進(jìn)口，提高材料成本，但這部分可以減少樹脂用量上得到平衡。另外對(duì)操作人員的技能要求更高。每一過程都仔細(xì)按步驟做好才能進(jìn)入下一步的操作，否則會(huì)造成不能逆轉(zhuǎn)的損失。所以這種工藝目前用在附加值高的FPR部件和制品中，如體育用品配件，游艇，風(fēng)力發(fā)電葉片等。但人們對(duì)更高性能材料的大量需要，真空導(dǎo)入工藝正被越來越多的人認(rèn)識(shí)和采用。
參考文獻(xiàn)
[1] Marco method, us patent No 2495640 (1950).
[2] 王繼輝，李新華.復(fù)合材料液體模塑成型技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社,2004.3
[3] Chris Kirschling, Stephen Brooks. Resin systems for Vacuum infusion Applications
|
魯ICP備2021047099號(hào)