樹(shù)脂真空導(dǎo)入工藝制成的復(fù)合材料成型產(chǎn)品具有表面質(zhì)量高、氣孔等缺陷少、強(qiáng)度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在模具成型工業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
樹(shù)脂真空導(dǎo)入工藝的基本原理
如下圖所示，在模具上鋪增強(qiáng)材料，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)生的壓力把不飽和的樹(shù)脂通過(guò)預(yù)鋪的管路壓入纖維積層中，讓樹(shù)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。
為什么要使用真空導(dǎo)入工藝
真空導(dǎo)入工藝的主要作用是避免成型的產(chǎn)品產(chǎn)生氣孔、疏松等缺陷。產(chǎn)生這些缺陷主要是由于模具中或者纖維層中夾雜的空氣，或者成型過(guò)程中產(chǎn)生的蒸汽。
蒸汽是指在常溫常壓下是氣體或固體，在真空下或高溫下?lián)]發(fā)出來(lái)的氣體。在復(fù)合材料成型工藝中，蒸汽是“看不見(jiàn)的敵人”。這些蒸汽會(huì)增加抽氣時(shí)間，產(chǎn)生類似泄漏的現(xiàn)象；會(huì)在制成產(chǎn)品中產(chǎn)生氣孔，或者嚴(yán)重的強(qiáng)度缺陷。水蒸汽是最常見(jiàn)的蒸汽，其它常見(jiàn)的蒸汽還有從樹(shù)脂或樹(shù)脂導(dǎo)入系統(tǒng)中揮發(fā)出來(lái)的氣體，如苯乙烯，過(guò)氧化丁酮（MEKP）等。
水蒸汽
由于空氣有一定的濕度，模具的表面，纖維等多孔材料的空隙內(nèi)都會(huì)吸附一些水分。這些吸附的水分無(wú)法看到，并且在常溫常壓下不會(huì)產(chǎn)生任何影響，但是在抽真空時(shí)，水在常溫下就可以沸騰。
我們都知道，水的沸點(diǎn)會(huì)隨著氣壓降低而降低，比如在高海拔的地方，水在80度就會(huì)沸騰。如果持續(xù)降低壓力，那么到某一個(gè)壓力值，水在常溫下20度左右就會(huì)沸騰。
水的沸點(diǎn)與壓力（真空度）之間的關(guān)系如下表：
如果您有一臺(tái)可以抽到99%真空的真空泵，用它連接一個(gè)透明的裝有水的容器，您就可以看到水在常溫下沸騰的現(xiàn)象。
真空下的體積膨脹
真空下的沸騰現(xiàn)象可以幫助我們除去水分，從這方面講是好事，但同時(shí)，水沸騰后產(chǎn)生大量的水蒸汽體積會(huì)劇烈膨脹，并且真空度越高體積膨脹的越大，下面表格顯示了1公斤水在不同真空度下對(duì)應(yīng)的體積：
1公斤水在液態(tài)時(shí)的體積是1L，但是在20mbar（98%真空）時(shí)，其沸騰汽化后會(huì)產(chǎn)生67,000 L的水蒸氣，膨脹了6.7萬(wàn)倍！由于真空泵在到達(dá)極限壓力時(shí)抽速很小，以我們最常用的20 m3/h的真空泵為例，抽去這些水蒸汽可能需要長(zhǎng)達(dá)好幾個(gè)小時(shí)。
這在實(shí)際工藝中意味著什么？
如果您成型工藝的目標(biāo)壓力（絕對(duì)壓力）是在對(duì)應(yīng)溫度下的汽化壓力以下的話，就必須使真空泵持續(xù)工作，直到所有的水蒸汽都被抽走，這可能需要好幾個(gè)小時(shí)，對(duì)于大的零件，有時(shí)候甚至需要抽上一整夜。
有些材料，比如中密度纖維板（MDF），有時(shí)候會(huì)被用來(lái)制作復(fù)合材料成型的模具，其含水量可達(dá)自身重量的7%，如此高的含水量，會(huì)造成抽氣時(shí)間大大延長(zhǎng)。
通過(guò)上面的描述，您可能會(huì)覺(jué)得只要所抽的壓力在水的汽化壓力之上就可以了，但還有一點(diǎn)需要考慮的是加熱或者樹(shù)脂放熱造成的溫升，如果溫度升高到相應(yīng)壓力所對(duì)應(yīng)的沸點(diǎn)溫度之上，那么水的汽化就必然會(huì)發(fā)生，這就會(huì)造成最終產(chǎn)品的分層，特別是使用了沒(méi)有在干燥環(huán)境中存放的材料時(shí)。
除了使抽氣時(shí)間延長(zhǎng)，水蒸汽被抽入真空泵壓縮后會(huì)冷凝成水，這會(huì)造成真空泵泵油乳化，從而使泵油失去密封性和潤(rùn)滑性，造成抽真空能力下降和泵的異常磨損。安捷倫的真空泵通過(guò)下面兩種方法可以盡可能的避免水蒸汽在泵內(nèi)冷凝：
真空泵本身設(shè)計(jì)的工作溫度較高（70℃-110℃），在比較高的溫度下水蒸氣不容易冷凝。
泵本身設(shè)計(jì)有避免水蒸汽冷凝的氣鎮(zhèn)閥。通過(guò)向泵內(nèi)摻入干凈空氣以降低被抽氣體中水蒸汽的分壓力（濃度），使得真空泵排氣時(shí)被抽氣體中水蒸氣的分壓力低于相應(yīng)溫度下的冷凝壓力。
與水蒸氣類似，樹(shù)脂中的溶劑在真空下時(shí)也會(huì)汽化變成蒸汽，甚至比水還要容易汽化，可以要求供應(yīng)商提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)，或者通過(guò)把樹(shù)脂放在透明的容器中抽真空來(lái)確定其汽化壓力。一定要確保工藝壓力在溶劑的汽化壓力之上，否則，如果壓力抽的太低，會(huì)造成溶劑汽化，最終制品多孔疏松。汽化的溶劑進(jìn)入真空泵還會(huì)與泵油互溶，影響潤(rùn)滑性甚至造成真空泵的損壞。
真空泵類型的選擇
一般選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)用的單級(jí)油式旋片真空泵。注意：一定不要選擇那種用于空調(diào)和制冷系統(tǒng)抽真空的真空泵，這類真空泵是用來(lái)在很低的壓力下（很好的真空）工作的，當(dāng)工作的壓力較高時(shí)，真空泵油非常容易乳化，而且排氣口會(huì)噴出大量油煙。這些油煙不但會(huì)污染工作環(huán)境，還會(huì)污染模具和纖維材料。
真空泵的型號(hào)一般包含字母和數(shù)字，以Agilent EM20/B為例，20表示抽速，即真空泵的抽速是20m3/h； EM表示一個(gè)產(chǎn)品系列，一般一個(gè)系列的產(chǎn)品具有相似的設(shè)計(jì)，和相同的極限壓力；
從上表可以看出EM系列的極限壓力是2mbar，EM/B系列的極限壓力是20mbar。但極限壓力不是越低越好：
極限壓力更低會(huì)增加水蒸汽和溶劑汽化的風(fēng)險(xiǎn)；
極限壓力更低的真空泵，如果在真空比較差時(shí)抽的時(shí)間過(guò)久（當(dāng)制作比較大的零件時(shí)），往往會(huì)發(fā)生排氣口冒煙的現(xiàn)象。
復(fù)合材料成型真空導(dǎo)入工藝一般對(duì)真空泵極限真空的要求是10-20mbar。可見(jiàn)，/B型真空泵的極限壓力不是最好，但卻更適合真空導(dǎo)入工藝。
抽速的選擇
很大或很復(fù)雜的零件在預(yù)抽真空時(shí)對(duì)真空泵的抽速要求比較高，除此之外，真空導(dǎo)入工藝需要的抽速一般不大。如果對(duì)預(yù)抽的時(shí)間要求不高，可以參考下面建議來(lái)選擇 真空泵：
纖維材料面積<1平方米-真空泵抽速4 m3/h
纖維材料面積<20平方米-真空泵抽速8 m3/h
纖維材料面積20-50平方米-真空泵抽速20-28 m3/h
纖維材料面積50-100平方米-真空泵抽速40-60 m3/h
纖維材料面積>100平方米-真空泵抽速60 m3/h*纖維材料面積/100
根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，真空泵與緩沖罐的連接處非常容易發(fā)生泄漏，使用下圖這樣真空軟管連接和接頭會(huì)降低發(fā)生泄漏的概率。
本文導(dǎo)航：
- (1) 復(fù)合材料成型真空導(dǎo)入工藝中的真空系統(tǒng)
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