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真空树脂导入工艺在风电机舱罩中应用
风电 -05-07 09:03:30 阅读265 评论0 字号：大中小
0 引言
“真空树脂导入工艺”(VRIP)，又称为“真空辅助树脂扩散模塑工艺”(VARIM),或“真空辅助树脂转移模塑工艺”(VARTM)。该工艺原理为借助真空驱动，把树脂注入预制成形增强材料中，模具由柔性膜和刚性半模组成。因为增强材料为真空所压紧，树脂渗透速度通常较慢，要依靠导流介质（导流布或导流管）帮助，这就是Seemann发明专利技术SCRIMP。SCRIMP基础原理是利用导流介质，在部件表面形成高流速渗透区，使树脂快速达成产品整个表面，浸渍关键是经过厚度方一直实现，从而大大缩短了树脂渗透路径和时间，依靠高真空度，制品孔隙率可达成1％一1.5%,纤维体积含量在50%以上。SCRIMP另一个工艺是在芯材上开槽，织物放在芯材上方，树脂在槽内流动，其速度快于在导流介质中流动。
机舱罩是风电设备关键部件，因为风机总是在较为恶劣气象环境中工作，风电机舱罩要满足以下技术要求：
(1)空气动力学负载：负担风速达70m/s空气动力负载。
（2）人员站立负载：为安装和维修要求，机罩上任何点全部能负担一个人站立，设计要求在每5X103mm2面积上，受力80Kg时材料弯曲变形不超出0.5cm。
(3)疲惫负载：承受相当20年疲惫损害。
(4)在下述环境中工作20年，材料性能不发生显著改变。
紫外照射：幅射强度：1000W/M2..,耐油脂：尤其是要耐机内所用油脂；·工作湿度：达95%..,工作温度：-10℃-+40℃，极端情况可达-20℃~+50℃。
由此作为机舱罩复合材料要求含有：
(1)使用寿命20年;(2)适合于机舱罩工作环境，如耐油、耐湿、耐紫外照射等;(3)材料轻易买到;(4)价格能够接收;(5)可维修，这是大型产品所必需；(6)材料力学性能满足设计要求，尤其是刚性要好;(7)抗疲惫性能好;(8)有一定阻燃性能。以真空导入工艺制作风电机舱罩己在天津优利康达企业投入生产(图1和图2)

1真空树脂导入工艺和手糊工艺比较
现在用于风电机舱罩制造材料关键为聚酯玻璃纤维复合材料，成型工艺关键为手糊工艺和真空树脂导入工艺，二者优缺点比较以下：
手糊工艺(Hand lay-up)是一个开模工艺，现在在玻璃纤维增强聚酯复合材料中占65%。她优点是在模具形状改变上有很大自由度，模具价格低，适应性强、产品性能得到市场认可和投资少等。所以尤其适合于小企业，也适合于船舶及航空航天产业，这儿通常是一次性大部件。但该工艺也存在一系列问题，如可挥发有机物(VOC)排放超标、对操作人员健康影响大、人员易流失、许用材料限制多、产品性能低，树脂浪费而且用量大等，尤其是产品质量不稳定，产品玻纤和树脂百分比、部件厚度、层材制造速率、层材均匀性等全部受操作人员影响要求操作人员有很好技术、经验和素质。手糊产品树脂含量通常在50%-70％左右。开模工艺VOC排放超出500PPm，苯乙烯挥发量高达使用量35%-45%。而各国要求全部在50-100PPm。现在国外大全部改用环戊二烯(DCPD)或其它低苯乙烯释放树脂，但苯乙烯作为单体还没有好替换品。[-page-]
真空树脂导入工艺是近20年来发展低成本制造工艺，尤适合于大型产品制造。其优点以下：
(1)产品性能优良，成品率高。在一样原材料情况下，和手糊构件相比，真空树脂导入工艺成型构件强度、刚度及其它物理特征可提升30%-50%以上（表1）。工艺稳定后成品率可靠近100%。
表1 经典聚酯玻璃钢性能比较
增强材料
无捻粗纱布
双抽向织物
无捻粗纱布
双抽向织物
成型工艺
手糊
手糊
真空树脂扩散
真空树脂扩散
玻纤含量
45
50
60
65
拉伸强度（MPa）
273.2
389
383.5
480
拉伸模量（GPa）
13.5
18.5
17.9
21.9
压缩强度（MPa）
200.4
247
215.2
258
压缩模量（GPa）
13.4
21.3
15.6
23.6
弯曲强度（MPa）
230.3
321
325.7
385
弯曲模量（GPa）
13.4
17
16.1
18.5
层间剪切强度（MPa）
20
30.7
35
37.8
纵横剪切强度（MPa）
48.88

52.17

纵横剪切模量（GPa）
1.62

1.84

(2)产品质量稳定，反复性好。产品质量受操作人员影响小，不管是同一构件还是各构件间全部存在高度一致性。产品纤维用量在注入树脂前已按要求量放入模具中，构件有相对恒定树脂比，通常在30%-45％，所以产品性能均匀性和反复性比手糊工艺产品好得多，缺点也少得多。
(3)抗疲惫性能提升，可减轻结构重量。因为制品纤维含量高、孔隙率低、产品性能高，尤其是层间强度提升，大大提升了产品抗疲惫性能。在强度或刚度要求相同情况下，采取真空导入工艺制作产品可减轻结构重量。
(4)环境友善。真空树脂导入工艺是一个闭模工艺，挥发性有机物和有毒空气污染物均被局限于真空袋中。仅在真空泵排气（可过滤）和打开树脂桶时有微量挥发物。VOC排放不超出5PPm标准。这也大大改善了操作人员工作环境，稳定了劳感人员队伍，也扩大了可用材料范围。
(5)产品整体性好。真空树脂导入工艺可同时成形加强筋、夹芯结构及其它嵌件，提升了产品整体性，所以可制造风机机罩、船体和上层建筑等大型制品。
(6)降低原材料使用，降低用工。在一样铺层时，树脂用量降低30%。浪费少，树脂损耗率低于5％。劳动生产率高，比手糊工艺可节省劳动力50%以上。尤其在成型大型复杂几何形状夹芯和加筋结构件时，材料和人工节省更为可观。如在航空工业垂直舵制造中，使紧固件降低365个价格比传统方法降低75%，产品重量不变，性能愈加好。
（7）制品精度好。真空树脂导入工艺产品尺寸精度（厚度）优于手糊制品。在一样铺层下，通常真空树脂扩散技术产品厚度为手糊制品2/3 。产品厚度偏差约为士10%，而手糊工艺通常为士20% 。产品表面平整度优于手糊产品。真空树脂导入工艺机罩产品内壁光滑，表面自然形成富树脂层，不需要另外加涂面漆(Top coat)。降低了打磨和涂漆工序人工和材料。
当然现在真空树脂导入工艺也有一定缺点：
（1）准备工序时间较长而且较为复杂。需要正确铺层、铺设导流介质、导流管、有效真空密封等。所以对于小尺寸产品，其工艺时间反而超出手糊工艺。
（2）生产成本较高，并产生较多废料。如真空袋膜、导流介质、脱模布及导流管等辅助材料全部是一次性使用，而且现在相当多要依靠进口，故生产成本比手糊工艺高。但产品越大，这个差异越小。伴随辅助材料国产化，这一成本差异也越来越小。目前研究可数次使用辅助材料是本工艺一个发展方向。
（3）工艺制造有一定风险。尤其是大型复杂结构产品，一旦在树脂灌注中失败，产品易报废。
所以要有很好前期研究，严格工艺控制和有效补救方法，以确保工艺成功。
2 真空树脂导入工艺对原材料要求
作为以真空导入工艺生产机舱罩中使用树脂要求：
（I）低粘度通常在100-400mPa.s左右。最好不高于200mPa.s; (2)合适放热峰温度，通常不高于80℃；(3)在使用温度达成60℃前，玻璃钢层材仍有适宜强度；(4)长久在潮湿环境下（相对湿度95%),仍和所选玻璃布有很好结合强度：(5)可在常温下固化；(6)有足够长凝胶时间，确保工艺完成，而且最终能完全固化；(7)耐气候性好；（8）耐油脂性好；(9)阻燃性好；（10）价格低；（11）固化收缩率低等。
对于树脂体系多种组分，如树脂、固化剂、促进剂、阻聚剂、色浆和填料等全部要开展对应树脂流动性、粘度和固化反应动力学研究，以确保工艺可靠性(图3)。其研究手段包含DSC、DTA、动态粘度计等。

通常来说，多种形式增强材料，如短切毡、长丝毡、无捻粗纱织物（方格布）、加捻织物、缝编织物和夹芯材料（泡沫、轻木和蜂窝）等全部能够应用，应用织物面密度最大可至87kg/M2。不过要注意到，不一样织物对真空导入工艺影响是很大，要尽可能采取渗透率高、对树脂浸润性好织物。
在采取芯材时，则需采取GPS芯材。
3真空树脂导入工艺研究。
3.1树脂流动性研究
在真空树脂导入工艺中，关键是采取达西定律(Darcy's Law)(公式（l））来描述树脂流过预制件过程。

其中，u:树脂流动速度
K：预制件渗透率
u：树脂粘度
△P/△x:压力梯度
在达西定律中，树脂被认为是不可压缩、其粘度不随切变速度影响牛顿流体。在试验中，也能够用其它液体来替换树脂，如用糖浆、甘油和纤维素水溶液等，这么可大大降低试验成本和提升试验速度。织物预制件被看作多孔介质，其特征可用孔隙率和渗透率表征，她们影响树脂在预制件中流动方向和速度，所以决定着复合材料成型时需要真空压力，流动（充模）时间和流动路径等关键参数，进而影响着树脂进口，出口及流道等关键结构设计，以确保树脂在凝胶化前完成充模过程。[-page-]
树脂流动可分为两类：(图3)
由压力梯度决定浸润或宏观流动（纱线束间）流速。(Macroscopic flow)。
由纤维毛细管压力和表面张力决定浸透或微观流动（纱线束内）流速。(Microcosmic flow)

影响流速和流道原因包含：原材料、导流介质、铺层和真空度等。两种速度必需相当，假如流动前锋一旦汇合，就极难排出所包裹气体，在微观层次上排除气体要受到树脂粘度和纤维束周围表面张力影响。
研究发觉，高渗透率导流介质应用，大大缩短了充模时间，树脂在导流介质中流动大大快于在预制件中流动，但二者差距保持一个恒定值，充模时间只是导流介质渗透率函数，受预制件渗透率影响很小。导流介质应用使充模时间降低50-80%。
在工艺中要预防因为不合理铺层等造成“短路效应（cutline）”，在这些低阻力区，树脂流动速度会增加10-100倍，从而使工艺不能在预想情况下进行。
现在有相当多软件可模拟真空导入工艺中流动过程，包含树脂流动前锋位置和图样，可预先发觉工艺中潜在问题，并使工艺达成最好化。
3. 2预制件压缩行为研究
在真空导入工艺中，还要知道最终产品厚度和纤维含量。因为真空袋是柔性，不能直接控制产品厚度，产品厚度及纤维含量和预制件压缩行为相关，包含纤维在压力下压缩和松驰行为，和纤维和树脂间相互作用。
试验表明，产品厚度是伴随树脂流动方向改变，离真空源越远，树脂含量越高，对应纤维含量越低（产品越厚）。在VARIM工艺中预制件受到外压是大气压（Patm） ,这个压力由树脂压力(Pr)和纤维结构支撑(Pf)(公式2)。
Patm=Pr+Pf (2)
树脂在进口处压力为1个大气压，其流动前锋压力为零，树脂压力从出口处到进口处，其压力是从零到1个大气压分布，离开出口处越远树脂压力越大，对应预制件受压力越小，纤维受压缩也越小，厚度也较大(图4)。在树脂抵达出口处后，关闭树脂进口，而继续保持真空出口，使树脂压力稳定地降低，从而使预制件深入压缩，可减缓厚度不均现象。

织物在浸润过程中压缩行为描述：当树脂未抵达前，织物处于干态下，织物内支撑力等于大气压，Pf-Patm,此时织物达成最大压缩变形。在树脂抵达后，开始浸润，这有两个过程，首先是树脂对纤维润滑作用，引发纤维重排，使织物深入压缩，我们称为“浸润压缩效应”(wetting compaction),这时在外力作用下，因为纤维重排引发压缩量增加。当树脂压力继续升高时，因为外力是不变，从公式(2)知，纤维承受压力对应降低，从而发生回弹效应(spring-back)。织物压缩量降低，预制件厚度改变取决于这两个效应
综合作用。试验结果也表明，织物干态和湿态压缩行为有很大区分，在最大真空压缩下，干态和湿态压缩量分别为53％和58％。试样厚度和树脂粘度全部会影响浸渍（充模）时间。当预制件织物厚度增加四倍，浸渍时间从134秒增加到239秒。当树脂粘度从0.27 PaS增加到0.60 PaS时，浸渍时间从239秒增加到510秒，增加了113％。在树脂浸渍过程中，树脂压力会快速升高，使试样厚度增加，并造成材料纤维体积含量降低，其范围在45.5％至49.7％。
但要指出是理论上，影响预制件织物渗透率原因只和组成织物纤维材料类型和百分比、纤维体积含量、预制件结构（织物尺寸和堆积方法）和空隙率等相关，而和树脂化学特征无关。但在实际测试中纤维毛细管压力、流动速度、注入压力、不一样试验流体等全部对渗透率有不一样程度影响。另外如上所述，预制件渗透率和孔隙率在真空导入工艺中是发生改变。纤维排列越有序，织物松驰行为减轻，毡和粗纱布松驰行为最显著，单向纱松驰行为就不太显著，在树脂注入前对预制件反复施加压缩一松驰周期，可降低产品中富树脂区。
3.3 真空导入工艺控制研究
预制件中树脂流动检测装置，包含硬件（数据采集系统）和软件（控制和数据分析系统）（图5）。经过此检测平台，能够取得在注塑过程中，树脂所达成预制件位置。整个注塑过程中，树脂达成铺层表面和铺层厚度各个方向所需时间。图6中不一样颜色表示树脂达成增强材料不一样位置时间。从图中很轻易看出SCRIMP工艺特点，即树脂因为高渗透介质作用，快速沿增强体表面扩张，然后再沿着增强体厚度方向渗透。

VARIM工艺控制模型研究很多，其内容包含：树脂在预制件中流动模型、预制件在真空压力下压缩和松驰行为模型及树脂粘度和固化反应动力学模型。其数据处理通常采取有限元法，如有限元／控制值法(FE/CV)，把模型分成很多有限元(Finite Element)，再围绕节点，把有限元分成更小单位，组成控制元(Control Volume)，用有限元计算树脂在浸润区压力分布，用达西定律计算流动速率，用控制元和充填因子(Fill Factor)跟纵流动前锋位置。FE/CV法能够有效地模拟复杂形状树脂流动情况，降低计算成本。另外把产品看作2D壳体，然后再考虑树脂在厚度方向“沉积”，也可大大简化计算量，计算结果听说还满意。