復(fù)合材料因其具有比強(qiáng)度高、比剛度大和可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)已成為航空航天等領(lǐng)域廣泛采用的最主要的結(jié)構(gòu)材料之一。但隨著用量的不斷增加，傳統(tǒng)樹脂基復(fù)合材料自身的弱點(diǎn)也不斷暴露出來，突出表現(xiàn)在傳統(tǒng)樹脂基復(fù)合材料的制造成本較高，這主要是由于傳統(tǒng)復(fù)合材料大多采用預(yù)浸料/熱壓罐成型，預(yù)浸料的制備和低溫儲(chǔ)藏、繁雜工藝過程以及價(jià)格昂貴的熱壓罐等設(shè)備投資勢(shì)必造成復(fù)合材料的高成本，這在一定程度上又限制了復(fù)合材料用量的進(jìn)一步擴(kuò)大。

       VARI（Vacuum Assistant Resin Infusion）即真空輔助樹脂滲透是近年來發(fā)展起來的一種復(fù)合材料低成本制造技術(shù)，其工藝原理是將按照結(jié)構(gòu)和性能要求制備好的纖維預(yù)成型體放置在模具上，在一個(gè)真空作用下使液態(tài)樹脂在預(yù)成型體內(nèi)流動(dòng)并浸潤(rùn)纖維，再經(jīng)升溫固化、冷卻脫模得到能夠承載的復(fù)合材料構(gòu)件，如圖1所示。VARI工藝的最大特點(diǎn)是全工藝過程都是在一個(gè)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(shè)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(fù)合材料零件成型。同時(shí)可以結(jié)合縫合、編織等三維增強(qiáng)手段實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的整體成型，從而減少零件和緊固件數(shù)量，降低了緊固件和裝配成本。但VARI工藝自身的特點(diǎn)決定了所成型零件的纖維體積含量（一般在50%以下）與預(yù)浸料/熱壓罐工藝存在差距，要實(shí)現(xiàn)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用必須對(duì)傳統(tǒng)的VARI工藝進(jìn)行改進(jìn)。

國(guó)外VARI技術(shù)應(yīng)用情況 

        國(guó)外VARI技術(shù)最初應(yīng)用在艦船領(lǐng)域，因其在降低復(fù)合材料制造成本及大型構(gòu)件整體成型方面具有的優(yōu)勢(shì)，近年來相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)對(duì)VARI技術(shù)在航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的可行性方面已做了大量的研究工作。

       洛克希德·馬丁公司是最早將VARI技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的研究機(jī)構(gòu)，采用VARI技術(shù)成型整體復(fù)合材料座艙，51個(gè)零件通過VARI工藝共固化成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，有效地提高了結(jié)構(gòu)的整體性，減少緊固件400個(gè)，在保證減重效率不變的情況下，成本降低38％以上。該公司還與海軍IPT公司合作，采用VARI工藝制造P-3飛機(jī)的下翼面整流復(fù)合材料壁板，并且計(jì)劃將VARI工藝擴(kuò)大應(yīng)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(shù)在大型飛機(jī)上的應(yīng)用，目前已經(jīng)著手在C-5、C-130等機(jī)型上開展VARI工藝的試驗(yàn)及驗(yàn)證工作[1]。 

       在由美國(guó)航空航天局（NASA）資助的“波音預(yù)成型體”計(jì)劃中，V System Composites公司采用VARI工藝對(duì)復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)及帶加強(qiáng)筋機(jī)身整體復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的成型進(jìn)行了驗(yàn)證，整個(gè)加筋?yuàn)A層壁板結(jié)構(gòu)在一個(gè)注射過程中完成。另外，波音公司還將VARI技術(shù)用于CH-47部分零件的制造。美國(guó)Seaman公司實(shí)施的“希曼”計(jì)劃，其主要目的之一是采用VARI工藝在一個(gè)注射過程中完成半個(gè)機(jī)身的整體制造。與波音公司合并的麥道公司放棄了采用預(yù)浸料熱壓罐成型工藝制造機(jī)翼蒙皮的方法，轉(zhuǎn)入采用VARI工藝制造大型機(jī)翼蒙皮的研究。 

        VARI工藝在其他國(guó)防領(lǐng)域也得到應(yīng)用。洛克希德·馬丁公司在制造“三叉戟”IID5彈道導(dǎo)彈儀器艙段的復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)，為降低成本，對(duì)預(yù)浸料熱壓罐成型工藝、低溫預(yù)浸料工藝及VARI工藝等的制造成本及復(fù)合材料制件力學(xué)性能進(jìn)行綜合評(píng)估，最終選用VARI成型工藝制造了彈道導(dǎo)彈儀器艙段，實(shí)現(xiàn)了一次整體成型。與預(yù)浸料熱壓罐工藝相比：零件總數(shù)由61減少到1，緊固件減少376個(gè)，力學(xué)性能及減重效果相同（制件纖維體積含量達(dá)58.6％），成本降低75％。 

       German Aerospace Center采用樹脂滲透的方法，完成了全尺寸ROHACELL泡沫夾芯復(fù)合材料前機(jī)身的研制。

       最具代表性的是歐洲防務(wù)公司于2007年研制成功的A400M運(yùn)輸機(jī)的貨艙門（如圖2所示）該艙門尺寸約7m×4m，位于機(jī)身的密封艙部分，因其要承受較大的氣密載荷，對(duì)構(gòu)件的質(zhì)量要求很高，加筋壁板和橫向隔框采用復(fù)合材料設(shè)計(jì)，加筋壁板沒有采用傳統(tǒng)的復(fù)合材料成型方法，而是先將蒙皮和長(zhǎng)桁預(yù)制成為干態(tài)纖維預(yù)成型體，通過VARI工藝使樹脂在真空作用下滲透到蒙皮和長(zhǎng)桁的各個(gè)區(qū)域，然后在烘箱中固化成型。與傳統(tǒng)成型方法相比，沒有使用昂貴的熱壓罐，成本低；同時(shí)，由于采用VARI技術(shù)將內(nèi)部數(shù)根長(zhǎng)桁與外蒙皮整體固化，零件數(shù)量減少，不僅結(jié)構(gòu)整體性高，且能節(jié)省約3000個(gè)裝配工時(shí)，成型效率高；此外通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，A400M的貨艙門減重效益也非常明顯。

 圖3則是 A380采用VARI技術(shù)成型的副翼結(jié)構(gòu)[2]。

國(guó)內(nèi)VARI技術(shù)研究進(jìn)展及應(yīng)用情況 

       鑒于VARI技術(shù)在降低復(fù)合材料制造成本方面具有的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)自本世紀(jì)初開始已有多家研究機(jī)構(gòu)開展了VARI技術(shù)研究。中航工業(yè)北京航空制造工程研究所是國(guó)內(nèi)最早開展VARI技術(shù)和應(yīng)用的科研機(jī)構(gòu)之一，在專用樹脂體系開發(fā)、干態(tài)纖維增強(qiáng)預(yù)成型體滲透特性、VARI工藝樹脂流動(dòng)控制以及成型工藝等方面均開展了大量的研究工作，開發(fā)了BA9911、BA9912 和BA9914 VARI樹脂體系，突破了復(fù)雜構(gòu)型預(yù)成型體制備、高纖維含量VARI工藝樹脂流動(dòng)控制及VARI工藝等關(guān)鍵技術(shù)，研制的航空典型結(jié)構(gòu)件的纖維體積含量達(dá)到了58%以上，并在多個(gè)項(xiàng)目上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證和裝機(jī)應(yīng)用。

1 VARI專用樹脂體系方面

（1）BA9912環(huán)氧樹脂。 

        BA9912是中航工業(yè)北京航空制造工程研究所自主研發(fā)的120℃固化的環(huán)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(duì)基體樹脂低粘度的要求。 

       BA9912復(fù)合材料的固化溫度為120℃，Tg為187℃，82℃時(shí)模量保持率達(dá)到88%，滿足使用溫度82℃的航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)要求。目前該材料體系已在機(jī)翼、副翼和艙門結(jié)構(gòu)上進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用[3]。

（2）BA9914環(huán)氧樹脂。 

        BA9914是中航工業(yè)北京航空制造工程研究所自主研發(fā)的180℃固化的環(huán)氧樹脂體系，該樹脂60℃下的粘度為110mPa·s，最低粘度30mPa·s，能夠滿足VARI工藝低粘度要求。BA9914在成型過程中有較長(zhǎng)的操作期，可以成型大型構(gòu)件。

       BA9914復(fù)合材料經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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]。

2 VARI成型工藝方面 

       對(duì)于航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件來說，一般要求復(fù)合材料的纖維體積含量在55％以上。由于傳統(tǒng)的VARI工藝是在一個(gè)真空壓力條件下成型，不足以使纖維預(yù)成型體達(dá)到理想的密實(shí)狀態(tài)，所成型的VARI復(fù)合材料的纖維含量往往偏低，這是制約VARI技術(shù)在航空結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的關(guān)鍵。

       為滿足航空復(fù)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(yōu)化樹脂流道設(shè)計(jì)、調(diào)整樹脂進(jìn)/出管路壓力等手段，使VARI復(fù)合材料制件的纖維體積含量得到改善。

       按兩種情況進(jìn)行對(duì)比分析，①VARI工藝改進(jìn)前、后的U3160/BA9912復(fù)合材料的纖維體積含量情況；②VARI工藝改進(jìn)后U3160/BA9912、U3160/BA9914兩種材料體系纖維含量情況。按單向?qū)訅喊搴投嘞驅(qū)雍习宸诸?，將測(cè)得的纖維含量結(jié)果取平均值，兩種情況對(duì)比結(jié)果分別見圖4和圖5。可以看出，經(jīng)工藝改進(jìn)后成型的U3160/BA9912、U3160/BA9914復(fù)合材料纖維含量基本接近，達(dá)到58%以上的纖維體積含量。采用改進(jìn)VARI工藝成型的U3160/BA9912復(fù)合材料比改進(jìn)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(jìn)一步驗(yàn)證了VARI工藝改進(jìn)后對(duì)提高VARI復(fù)合材料纖維含量的可行性。圖6是帽形加筋壁板厚度測(cè)試點(diǎn)分布圖。

       圖7為加筋壁板典型件，采用BA9914按VARI工藝成型，利用復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性，最大限度的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，根據(jù)受載情況蒙皮設(shè)計(jì)為變厚度，被縱向加筋和橫向裝配區(qū)分為幾十個(gè)區(qū)域，歸納為4種厚度。

       將高性能VARI成型技術(shù)應(yīng)用于U3160/BA9914復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)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(cè)試數(shù)據(jù)顯示VARI成型復(fù)合材料板件及結(jié)構(gòu)件纖維體積含量均達(dá)到58％以上。

結(jié) 論 

      盡管國(guó)內(nèi)VARI技術(shù)的研究起步較晚，但經(jīng)過近十幾年的研究，從專用VARI樹脂體系開發(fā)、復(fù)雜構(gòu)型預(yù)成型體制備、VARI工藝樹脂流動(dòng)控制到VARI成型工藝均已取得突破性進(jìn)展，VARI制件的纖維體積含量可以達(dá)到58%以上，已接近熱壓罐工藝水平。目前，VARI復(fù)合材料已在多個(gè)航空結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了驗(yàn)證和應(yīng)用，隨著驗(yàn)證工作的不斷深入，VARI技術(shù)必將成為繼預(yù)浸料/熱壓罐工藝之后又一可工程化應(yīng)用的復(fù)合材料制造技術(shù)。