真空辅助成形工艺

15.3.8　真空辅助成形工艺

传统的复合材料成形工艺（如手糊、喷射和缠绕等）在成形如舰艇等几何形状复杂的大型结构时存在一些难以逾越的技术障碍，而挥发性有机化合物引起的环保问题也与日俱增，加之居高不下的制造成本等都严重地影响了玻璃钢/复合材料在船艇（尤其是军用舰船）中的广泛应用。近十余年来，在RTM工艺基础上逐渐开发出一种崭新的综合性能优良、低成本、高效率的环保型真空辅助成形（Vacuum Assstent Resin Infusion，简称VARI）工艺，其中包括一系列的专利和商业技术。与此类似的工艺方法目前已有多种不同名称，诸如SCRIMP、VARTM、VIMP、PM、RIRM和Quick Draw VARTM等，SCRIMP是其中最具代表性的一种。

SCRIMP（Seemann Composite Resin Infusion Molding Process）是由美国Seeman Composites公司在20世纪80年代末开发出来的一种真空辅助成形工艺，1990年初获得注册专利，但当时公众反应平平，未实现预期的商业利益，直到1996年在船舶中获得成功应用后，才得到人们的首肯。国外对真空辅助成形技术已进行了十余年的开发研究，并形成多种各具特色的SCRIMP工艺方法，而我国直到21世纪初才有个别单位开始自行研究并开发该先进成形技术，并在FRP/CM舰船领域中进行了应用研究。

15.3.8.1　基本原理

真空辅助成形工艺的基本原理和步骤是：在模具型面上先铺放纤维增强材料，然后在其上铺设真空薄膜，并在型腔边缘严密密封后，再将型腔内抽真空，然后让树脂通过精心设计的树脂分配系统在真空作用下注入模腔内。真空辅助成形是在真空状态下排除纤维增强材料中的气体，利用树脂的流动和渗透，来实现对纤维及其织物的浸渍，并在室温下进行固化，最后，形成具有一定树脂/纤维比例的FRP/CM结构。其成形工艺原理如图15.3－15所示。

图15.3－15　真空辅助成形工艺原理示意图

15.3.8.2　真空辅助成形工艺流程

FRP/CM船体结构部件的真空辅助成形工艺流程如图15.3－16所示。

图15.3－16　真空辅助成形工艺流程图

FRP/CM船体所有结构部件成形完毕脱模后，需经修整，并检验合格后成为成品部件，方可进行合拢总装。主要结构部件合拢总装流程如下：

艇壳─→舱壁─→平台─→甲板─→上层建筑（含甲板室和带甲板的上盖）

15.3.8.3　真空辅助成形工艺的优点

（1）力学性能好：在不增加成本的情况下，与手糊成形相比，结构件的强度和刚度及其他物理特性至少可提高25%以上，且性能均匀。

（2）重复性好：采用真空辅助成形制作的构件，不论是同一构件还是构件与构件间都具有高度的一致性，构件有相对恒定的树脂比，空隙率低（不超过1%），更容易检测构件缺陷，高度固化的层合板可在日光下目测空隙或其他缺陷。

（3）重量轻：真空辅助成形时树脂消耗量受到严格的控制，其比例几乎由真空值决定，纤维含量可高达75%～80%，无需额外的材料来连接芯材。因此，对强度或刚度要求相同的构件，采用真空辅助成形工艺制作可节约材料，减轻重量。

（4）环保：这是真空辅助工艺最突出的优点。开模成形时，苯乙烯的挥发量高达35%～45%。真空辅助成形工艺则几乎是闭模成形过程，挥发性有机物和有毒空气污染物均被局限于真空袋中。仅在真空泵中排气（还可过滤排除）和打开树脂桶时才有微量的挥发物。

（5）成本低：纤维含量高，树脂浪费率低于5%，比开模成形工艺节约劳动力50%以上。在芯材加入的前后，无需等待树脂的预浸和固化，可一次成形大型复杂几何形状的夹层和加筋结构，尤其对于单板加筋结构，其材料和人工费的节省相当可观。

15.3.8.4　真空辅助成形工艺在舰船中的应用实例

真空辅助成形工艺经过多年的应用技术的积累，现已在舰艇和民用船舶中有了较大规模的发展。闻名于世的英国Vosper Thornycroft公司采用该工艺制造了“Sandown”级猎扫雷舰的所有上层建筑和主船体中的部分内部结构，这些结构能承受很强的爆炸冲击载荷，VT公司还为Compton Marine和Westerly等公司提供技术支持，用经济的SCRIMP工艺替代原来传统的开模成形工艺，制造了长14m的游艇，并开发了新一代游艇系列；瑞典海军的“Visby”级全隐身轻型护卫舰长72m、宽10.4m、满载排水量620t，是目前世界上最长的主要由碳纤维复合材料制成的海军舰艇（见图15.3－17），其船体、甲板和上层建筑等都是采用真空辅助成形工艺制造的；采用该工艺制造的还有挪威的“Skjold”级隐身巡逻艇（见图15.3－18）和美国海军最新研发的M船型“短剑”号超高速隐身艇（见图15.3－19）。

图15.3－17　瑞典海军的“Visby”级全隐身轻型护卫舰

图15.3－18　挪威海军的“Skjold”级隐身巡逻艇

图15.3－19　美国海军的M船型“短剑”号超高速隐身艇

美国海军对真空辅助成形工艺大为赞赏，认为该工艺成形的制件性能与采用昂贵材料和高成本成形工艺制造的航空、航天结构的性能相媲美，甚至要优于航空、航天结构的性能。在对英国“Sandown”级猎扫雷舰采用真空辅助成形的结构件力学性能进行分析后，美国海军水面作战中心得出的结论是：真空辅助成形工艺将是制造未来FRP/CM舰艇主要壳体结构的重要成形手段。