摘要：真空導入工藝是最近興起的復合材料加工方法，本文介紹了真空導入工藝的原理，并與其它工藝在力學性能上作了對比，闡述由真空導入工藝所制的產品的優勢，同時對生產工藝過程作了扼要的介紹。
在目前的材料中，復合材料因其質輕高強而被廣泛的應用。針對復合材料的制造工藝也在不斷的提高和創新。由起初的手糊，發展到機械化的噴射，拉劑，模壓等工藝，到現在興起的真空導入工藝，與真空導入相關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． 真空導入工藝 (vacuum infusion process, VIP)
真空導入工藝(Vacuum Infusion Process)，簡稱VIP，在模具上鋪“干”增強材料（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負壓，利用真空產生的壓力把不飽和樹脂通過預鋪的管路壓入纖維積層中，讓樹脂浸潤增強材料最后充滿整個模具，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）建立一個閉合系統。真空導入工藝公諸于世很久了, 這個工藝在1950出現了專利記錄了。然而，直到近幾年才得到了發展。由于這種工藝是由國外引入，所以在命名上有多種稱呼，真空導入，真空灌注，真空注射。
2． 理論
真空導入工藝能被廣泛的應用，有其理論基礎的，這就是達西定律（Darcy’s Law）
t =? 2h/(2 k DP )
t 是導入時間，由四個參數來決定。
h-樹脂粘度，從公式上可以看出所用樹脂的粘度低，則所需導入時間就短，因此真空導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模具。
?-注射長度，指的樹脂進料口與到達出料口的之間的距離，距離長當然所需的時間亦長。
DP-壓力差, 體系內與體系外壓力差值越大，對樹脂的驅動力也越大，樹脂流速越快，當然所需導入時間也越短。
k = 滲透性，指玻纖，夾心材料等對樹脂浸潤好壞的參數。k值大說明浸潤好，象連續氈，多向氈要比方格布，短切氈易被樹脂浸潤。因此為了使得樹脂在增強材料被壓實的情況下能方便的充滿體系，一般會人為設置一些導流槽，比如在夾心泡沫上下打孔等。
3． 優勢
在通常的手糊工藝(hand lay-up)中, 增強材料鋪于模具中, 采用刷子，輥子或其它方式手工浸潤增強材料。另外一種改進的方法是使用真空袋吸出手糊時積層中多余的樹脂。這樣提高的玻纖含量，得到更高強度和更輕的產品，VIP相對于傳統的工藝具有很多優勢。
如圖以手糊，真空袋和真空導入為例。在力學性能上真空導入占有明顯的優勢。
 由此可以看出真空導入的優勢
a更高質量制品：在真空環境下樹脂浸潤玻纖，與傳統制造工藝相比，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，可達到時70%，甚至更低。所得制品重量更輕，強度更高。批與批之間也非常穩定。
b更少樹脂損耗：用VIP工藝，樹脂的用量可以精確預算，對于手糊或噴射工藝來說，會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到最少，更重要的是，這樣可以節約成本。 c樹脂分布均勻：對于一個制品來說，不同部分的真空產生的壓力是一致的，因此樹脂對玻纖的浸潤速度和含量趨于一致。這個對于重量要求穩定的FRP制件來是很關鍵的。 d過程揮發更少：生產過程中沒有刷子或輥子之類，不會造成樹脂的潑灑或滴落現象發現，更不會有大量的氣味出現。所以它能提供一個干凈、安全和友好的工作環境, 保護操作者的身心健康。
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，可以較好的控制產品的厚度。節約模具制造成本和時間。 正因為用VIP工藝所做產品有如些的優點，最早應用于航天航空等特種領域，后來慢慢應用于高要求的民用產品。 VIP工藝的應用領域
1）船艇工業--船體，甲板，方向舵，雷達屏蔽罩
2）風電能源--葉片，機倉罩
3）體育休閑--頭盔，帆板
4）汽車工業--各類車頂，擋風板，車廂
5）建筑領域--建筑物頂部件，建筑模板
6）農業和園藝 --糧倉圓蓋，農機保護蓋 4．1．1樹脂
當準備開始真空導入的試驗時，首先要選用合適的樹脂，是環氧樹脂還是不飽和聚酯樹脂。真空導入工藝的樹脂，不能用普通的樹脂來代替，它對粘度，凝膠時間，放熱峰，浸潤性等有特殊的要求，具體可咨詢樹脂供應商。
4．1．2 固化體系
如果是環氧樹脂，要使用其相對應的專用固化劑；不飽和樹脂常用的固化劑是過氧化甲乙酮。不同的廠家其質量是不一樣的，選用時對其評價，不能因為用量少的材料而影響到整個制品的質量。
4．1．3 增強材料
增強材料一般常用的是玻璃纖維和碳纖維。比如連續氈，復合縫邊氈，單布等，具體要根據力學設計。選用時最好做一下實驗，滲透性如何，因為纖維在制造過程中選用的浸潤劑，粘接劑的不同對樹脂的浸潤會不一樣，導致最終制品的力學性能會有很大的差異。
4．1．4 夾心材料
一般常用的是木板，Balsa木，PVC泡沫，PUR 泡沫，強蕊氈等。依據制品的需要選用合適的夾心材料。
4．1．5 設備、輔材
真空泵，接口，壓力表，導流管，脫模布，導流布，真空袋等等。
真空導入工藝用所的材料不是隨隨便便拿來就能用，每種材料都要經過實驗加以確認，以此判斷是不是適用。這里就不詳細闡述，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：準備模具
和其它積層工藝一樣， 對VIP來說高質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。對模具進行清理干凈，然后打脫模蠟或抹脫模水。
第二步： 施工膠衣面
可以根據制品的要求，可以用產品膠衣和打磨膠衣，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：增強材料鋪設
選用增強材料-玻璃纖維，碳纖維，夾心材料…這要依據制品強度要求來定。選擇增強材料對積層工藝來說是很重要的一步，但對于VIP要多考慮幾點。 雖然所有織物都可以用，但不同的材料和織法會影響樹脂流速。
第四步：真空袋材料鋪設
先鋪上脫模布，接著是導流布，最后是真空袋。在合上真空袋之前，要仔細考慮樹脂和抽真空管路的走向，否則有的地方樹脂會無法浸潤到。鋪設時要非常小心，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，夾緊各進樹脂管，對整個體系抽真空，盡量把體系中空氣抽空，并檢查氣密性，這一步很關鍵，如有漏點存在，當樹脂導入時，空氣會進體入體系，氣泡會在漏點向其它地方滲入，甚至于有可能整個制品報廢。
第六步：配樹脂
抽真空達到一定要求后，準備樹脂。按凝膠時間配入相應的固化劑，切記不能忘加固化劑，否則很難彌補。不過一般真空導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：導入樹脂
把進樹脂管路插入配好的樹脂桶中，根據進料順序依次打開夾子，注意樹脂桶的量，及時補充。
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行后處理。
5 結語
當然任何一個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。另外對操作人員的技能要求更高。每一過程都仔細按步驟做好才能進入下一步的操作，否則會造成不能逆轉的損失。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，風力發電葉片等。但人們對更高性能材料的大量需要，真空導入工藝正被越來越多的人認識和采用。
參考文獻
[1] Marco method, us patent No 2495640 (1950).
[2] 王繼輝，李新華.復合材料液體模塑成型技術.化學工業出版社,2004.3
[3] Chris Kirschling, Stephen Brooks. Resin systems for Vacuum infusion Applications
|
魯ICP備2021047099號