劉艷麗，李 磊，馬金欣，張得棟

（國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川750411）

碳纖維復(fù)合材料是以碳纖維或者碳纖維織物為增強(qiáng)體、碳或石墨化的樹脂作為基體形成的復(fù)合材料，其中纖維提供了主要的拉伸、彎曲等力學(xué)性能[1]。碳纖維復(fù)合材料具有便宜環(huán)保、比機(jī)械能較高、重量輕、耐疲勞、耐腐蝕，易操作等優(yōu)點(diǎn)[2-5]。這些優(yōu)點(diǎn)使碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)成為目前很多金屬材料的替代品，并應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域中[6]，如航天、船舶、汽車工業(yè)、化學(xué)加工設(shè)備、體育用品和民用基礎(chǔ)設(shè)施等。

盡管碳纖維復(fù)合材料的性能卓越，但是其制備工藝中較高的生產(chǎn)成本一直是阻礙其大規(guī)模生產(chǎn)的重要因素。目前，制備碳纖維復(fù)合材料有多種成型工藝，例如液體模塑成型工藝、樹脂浸漬模塑（SCRIMP）、樹脂膜滲透（RFI）、結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射模塑（SRIM）、真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）。在這5種成型工藝中，VARTM工藝技術(shù)作為集纖維植入、樹脂注射、固化為一體的技術(shù)[7]，其制備的碳纖維復(fù)合材料具有高效的生產(chǎn)效率、低揮發(fā)性、高延展性、靈活的塑造性，且產(chǎn)品孔隙含量小、性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，已越來越多地應(yīng)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合預(yù)成型體的固結(jié)[8]，在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用[9]。

1 真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）的特點(diǎn)

VARTM技術(shù)作為RTM的一種衍生技術(shù)。RTM法即樹脂傳遞模塑法，是通過較低的成型壓力將一定配比的樹脂基體輸送到預(yù)放了增強(qiáng)材料的閉合模中，在閉模中浸漬增強(qiáng)材料而獲得復(fù)合材料制品的方法。RTM這種傳統(tǒng)工藝技術(shù)模腔內(nèi)樹脂的流動(dòng)性、浸潤(rùn)性較差，容易產(chǎn)生大量的縫隙。為了克服這些缺點(diǎn)，便出現(xiàn)了VARTM工藝。其工藝原理示意圖見圖1。

圖1 VARTM工藝原理圖Fig.1 Schematic diagram of VARTM process

將注射口與樹脂桶相連，抽出口與真空泵相連，然后用真空袋包覆，用密封膠密封保證其密閉性，以提高纖維的含量，增強(qiáng)制品的強(qiáng)度。同時(shí)當(dāng)用真空泵將系統(tǒng)抽至真空狀態(tài)時(shí)，樹脂依靠大氣壓力注入并固化成型，這種設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)的RTM工藝上形成的空隙干斑和由于氣泡導(dǎo)致的力學(xué)性能下降的問題，且該工藝不同的鋪置方式可以使其制備的成品擁有不同性能，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供更大的可能性。

與其他4種常用的成型工藝相比，VARTM工藝具有較大的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，具體內(nèi)容見表1。

表1 VARTM成型工藝相比其他制備工藝優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.1 Advantages and disadvantages of VARTM molding process compared with other preparation processes

由表1可以看出，VARTM成型工藝相比其他制備工藝，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但其工藝的缺點(diǎn)引起的力學(xué)性能的下降及粗糙程度的提高也受到越來越多的關(guān)注。

2 VARTM成型工藝中碳纖維復(fù)合材料性能的改善

碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械性能是其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的重要特征，使用VARTM工藝技術(shù)制備的碳纖維復(fù)合材料在其力學(xué)性能上如彎曲性能、拉伸強(qiáng)度、承載力、導(dǎo)電性能及界面性能等有顯著的影響[10]。

2.1 彎曲性能、拉伸強(qiáng)度的影響

2.1.1 對(duì)彎曲性能的影響 碳纖維復(fù)合材料的彎曲性能是評(píng)價(jià)其機(jī)械性能的一個(gè)重要指標(biāo)。Ary[11]等用VARTM工藝制備了混雜纖維復(fù)合材料層合板，并通過設(shè)計(jì)不同的混雜鋪層方式、碳纖維的含量和玄武巖纖維的位置，測(cè)試了復(fù)合材料層合板的彎曲性能，結(jié)果表明，合適的鋪層方式可以實(shí)現(xiàn)彎曲性能的改善及混雜纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和模量。Alok[12]等對(duì)碳纖維進(jìn)行退漿氧化處理，在碳纖維表面涂覆石墨烯納米血小板（GNPs），再通過VARTM成型技術(shù)在碳纖維上涂覆GNPs層合板，其研究結(jié)果表明，隨著GNPs的增加，層合板的彎曲強(qiáng)度顯著提高。Jun[13]等采用VARTM工藝技術(shù)將碳/芳綸織物與碳/玻璃織物復(fù)合制成6種復(fù)合材料，并采用實(shí)驗(yàn)分析和斷口觀察相結(jié)合的方法，研究了碳/玻璃纖維織物和碳/芳綸纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的彎曲性能。結(jié)果表明，通過使用有限數(shù)量的原材料有效地組合（纖維的種類、層合結(jié)構(gòu)和層數(shù)不同）復(fù)合結(jié)構(gòu)來達(dá)到良好的彎曲強(qiáng)度，其彎曲性能也不同。

2.1.2 對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響 拉伸強(qiáng)度同樣作為判斷復(fù)合材料機(jī)械性能的一個(gè)重要因素，也受到很多學(xué)者的研究。Sarim[14]等將碳納米纖維溶液分散在玻璃織物上，蒸發(fā)掉溶劑，使得僅納米纖維保留在預(yù)浸料上后使用VARTM工藝技術(shù)及噴涂的方法制備出碳納米纖維集成的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料，并經(jīng)過檢測(cè)，其成品的拉伸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別增加26%和11%。Kumarasamy[15]等使用VARTM制造玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）復(fù)合材料樣品，并將樣品進(jìn)行拉伸和壓縮測(cè)試，其制備的GFRP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和模量均略有下降，且具備抗燃油腐蝕性的能力。Yeh Meng[16]等人利用多壁碳納米管（WMNTs）改性酚醛樹脂和劍麻纖維，通過VARTM成型工藝制備了高性能多尺寸納米復(fù)合材料，并對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行拉伸和懸臂梁性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入1（wt）%的WMCNs時(shí)，在不減小面內(nèi)性能的前提下，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量以及沿厚度方向的機(jī)械性能有顯著的提高。LI[17]等用VARTM制造工藝?yán)靡蚁┗渲?，將黃麻織物與麻織物混合，制備的纖維增強(qiáng)材料的滲透性及其增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械性能保持在所需水平——雜化復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和比沖擊強(qiáng)度均下降，但仍保留了層間剪切強(qiáng)度，另外該實(shí)驗(yàn)結(jié)果為改善植物纖維增強(qiáng)材料的滲透性提供了很好的理論依據(jù)。

2.1.3 對(duì)拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度同時(shí)影響 拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度同時(shí)改變的碳纖維復(fù)合材料也越來越受到大家的關(guān)注。LI[18]等首先對(duì)黃麻纖維熱處理、堿處理、硅烷偶聯(lián)劑處理和異氰酸酯處理進(jìn)行表面改性及熱壓工藝處理后，采用VARTM成型工藝制備黃麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其成品的拉伸強(qiáng)度提高了16.3%、模量提高了34.0%、彎曲強(qiáng)度提高了50.3%。Fiore[19]等在玻璃纖維鋪層中加入單向玄武巖纖維布，改變玄武巖纖維的含量和位置并用VARTM工藝制備復(fù)合材料層合板，測(cè)試了其彎曲和拉伸性能，結(jié)果表明，在玻璃纖維鋪層最外層鋪兩層玄武巖纖維布的夾芯鋪層方式獲得了更好的力學(xué)性能。并在此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立了有限元模型并進(jìn)行了有限元分析，可應(yīng)用于指導(dǎo)船舶不同受力部位的鋪層設(shè)計(jì)。Jun[20]等人在NAIK[21]等制備的碳纖維復(fù)合材料的基礎(chǔ)上,通過VARTM工藝技術(shù)制備多種碳纖維復(fù)合材料，并通過層壓的辦法提高其性能，并通過不同的纖維排列方式及纖維的堆積位置，確定了最佳設(shè)計(jì),其拉伸強(qiáng)度在385MPa最大，357MPa彎曲強(qiáng)度最大。該產(chǎn)品低成本、良好的拉伸性能、彎曲性能，使其成為機(jī)械和汽車工業(yè)領(lǐng)域中性能優(yōu)越的結(jié)構(gòu)材料。

2.2 對(duì)承載力的影響

碳纖維復(fù)合材料承載力的大小直接限制著其發(fā)展與應(yīng)用。呂[22]等為解決蜂窩狀復(fù)合材料在黏合壓制過程中整體性差的問題，采用VARTM工藝技術(shù)將蜂窩狀三維機(jī)織物制備成復(fù)合材料，并發(fā)現(xiàn)隨著實(shí)驗(yàn)速率的增大，其制備的復(fù)合材料的載荷、最大載荷、能量都隨之增大。YU[23]等針對(duì)聚苯乙烯樹脂（EPS）微球由于原料密度不同而受浮力影響的問題，以EPS微球?yàn)闋奚０澹锌詹Ａ⑶?、環(huán)氧樹脂和聚苯乙烯泡沫塑料為原料，使用VARTM工藝技術(shù)制備了蜂窩狀復(fù)合泡沫塑料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，樹脂滲透時(shí)間、抗壓強(qiáng)度和復(fù)合泡沫密度隨EPS微粒直徑的減小呈增大趨勢(shì)，平均抗壓強(qiáng)度從3.6MPa提高到9.3MPa。樹脂滲透時(shí)間從6min增加到27min，密度240kg·m-3增加到280kg·m-3，厚度為100mm。Jagadish[24]等通過VARTM工藝將玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）納米復(fù)合材料與幾種不同重量百分比的氧化鋅（ZnO）納米填料組成的新的纖維復(fù)合材料，分別評(píng)估了其成品的機(jī)械性能，如抗彎性和抗沖擊性。結(jié)果表明，抗沖擊性與ZnO納米粒子的負(fù)載百分比成正比，且當(dāng)其重量比為1（wt）%時(shí)，ZnO納米增強(qiáng)纖維復(fù)合材料可以承受更高的負(fù)載。Fengky[25]等采用真空輔助樹脂傳遞成型技術(shù)（VARTM）對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行成型，見圖2，并提出了用無粘結(jié)碳纖維布加固軸心受壓鋼構(gòu)件控制的概念,實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料與鋼之間的零間隙。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其制成的復(fù)合材料加固延緩了鋼構(gòu)件的屈曲，提高了鋼構(gòu)件的軸向承載力。

圖2 （a）VARTM設(shè)置（b）固化工藝（c）預(yù)制鋪層Fig.2（a）VARTM setting（b）curing process（c）precast paving

2.3 對(duì)導(dǎo)電性能的影響

隨著復(fù)合材料取代金屬材料領(lǐng)域的趨勢(shì)不斷增大，對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)電性能的研究也越來越多。柳[26]等首先利用超聲振蕩工藝加快了多壁碳納米管（MWNTs）在環(huán)氧樹脂（EP）中的分散速度后,再通過VARTM工藝制備了MWNTs/EP復(fù)合材料試樣后并研究其導(dǎo)電性能,發(fā)現(xiàn)在超聲功率80W、頻率45kHz和時(shí)間90min的條件下，MWNTs/EP復(fù)合材料獲得了最良的導(dǎo)電性能，在此實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，又研究了不同高剪切工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)電性能的影響。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，隨著高剪切時(shí)間或轉(zhuǎn)速的增加，復(fù)合材料的導(dǎo)電性能呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)[27]。Shu[28]等也是將碳纖維與環(huán)氧樹脂基體間充分融合后再借助VARTM成型,獲得了一種導(dǎo)電性能優(yōu)異的陽(yáng)極材料。

2.4 界面性能上的影響

除力學(xué)性能及導(dǎo)電性能的影響外，VARTM成型工藝對(duì)碳纖維復(fù)合材料的界面性能也有不同程度的影響。XIA[29]等為了制備具有電磁屏蔽功能的紅麻纖維復(fù)合材料，采用了VARTM工藝技術(shù)和銅膜磁控濺射技術(shù)，用PNA網(wǎng)絡(luò)分析儀、Quanta 200環(huán)境掃描電子顯微鏡和OCA20接觸角儀測(cè)試了電磁干擾屏蔽效能（SE）和復(fù)合材料表面特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，長(zhǎng)時(shí)間的濺射可以使碳纖維復(fù)合材料的表面變得更加光滑，SE以及疏水性能也有所改善。HAROON[30]等采用2024鋁合金和平紋布對(duì)芳綸纖維（杜邦Kevlar49），利用VARTM成型工藝制備了芳綸鋁復(fù)合材料，并在不同的室溫下固化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制備成品的界面強(qiáng)度、I型斷裂韌性等均發(fā)生了變化。

2.5 碳纖維復(fù)合材料性能改變的原因及應(yīng)用

VARTM成型工藝引起的復(fù)合材料性能的下降，通過各種方式實(shí)現(xiàn)了彎曲性能、拉伸性能、承載、導(dǎo)電性能及界面性能的提高，并且應(yīng)用在多個(gè)方面。其復(fù)合材料性能改善的原因及應(yīng)用見表2。

表2 復(fù)合材料性能改善原因Tab.2 Reasons for improvement of composite properties

3 結(jié)論與展望

隨著社會(huì)焦點(diǎn)在輕量化及可持續(xù)發(fā)展，VARTM成型工藝技術(shù)制備的復(fù)合材料由于其明顯的減重效果，使得其應(yīng)用領(lǐng)域范圍也日益增大，其發(fā)展趨勢(shì)也會(huì)越來越快，從以下幾各方面體現(xiàn):（1）開發(fā)多品種、低粘度、適用期長(zhǎng)而且能室溫固化的VA R TM工藝用高性能樹脂基體;（2）系統(tǒng)化和細(xì)化VARTM工藝過程影響參數(shù)的研究，加強(qiáng)制品缺陷形成機(jī)理和影響因素的研究;（3）數(shù)值模擬朝著細(xì)觀化和精確化方向發(fā)展；（4）模擬研究和實(shí)踐操作的結(jié)合將更加緊密，提高充型仿真軟件的準(zhǔn)確性。

同時(shí)，VARTM成型工藝技術(shù)還存在更大的進(jìn)步空間，例如將輻射固化技術(shù)輔助用于VARTM工藝技術(shù)上，可降低對(duì)環(huán)境的依賴度，提高成品的精確度，減少產(chǎn)品的固化周期，擴(kuò)大技術(shù)應(yīng)用范圍?；蛘邔?shù)字模擬技術(shù)更好的應(yīng)用在VARTM技術(shù)中，通過數(shù)據(jù)處理使計(jì)算預(yù)測(cè)得到更加準(zhǔn)確及時(shí)的狀態(tài)信息，為工藝過程的實(shí)施提供有效的指導(dǎo)，也為VARTM技術(shù)提供無限的可能。相信VARTM技術(shù)的不斷成熟，能夠解決制備成型過程中復(fù)合材料性能上的不足，并可以研發(fā)大型、超大型復(fù)合材料構(gòu)件的增材制造的改良工藝，不斷提高復(fù)合材料構(gòu)件性能，更好的應(yīng)用到更多的行業(yè)領(lǐng)域，助力創(chuàng)新發(fā)展。