复合材料真空导流工艺常见问题及解决方法
2022-12-03 09:14:58
采用真空导流工艺的复合材料层合板通常存在的缺陷类型分为两大类，即内部质量问题与外观质量问题。
内部质量缺陷
内部质量缺陷主要包含有气孔、分层、夹杂和富树脂等，从细观形态分析，气孔与分层缺陷主要由外部气体引入造成的，可能产生的原因有纤维吸湿、树脂脱泡不净、真空系统渗漏、渗透或固化温度参数设置不合理等，夹杂缺陷主要由干态纤维铺叠过程掉入异物引起，富树脂现象可能产生的原因主要有工艺参数设置不合理、铺贴中纤维出现错层、堆叠或架桥等现象引起的，具体如下：
气孔/分层
（1）纤维吸湿
（2）树脂脱泡不净
（3）真空系统泄露
（4）渗透或固化温度参数设置不合理
夹杂，铺贴过程中掉入异物，富树脂
（1）树脂渗透过程中工艺参数设置不合理
（2）铺贴中纤维出现错层、堆叠或架桥
夹杂和富树脂主要与铺贴过程质量控制相关，而其它缺陷类型主要与液体成型工艺过程参数控制相关，而其他缺陷类型主要与液体成型工艺过程参数控制相关。
外部质量缺陷
制件的外观质量缺陷主要包含厚度均匀性超差、外表存在划伤、纤维褶皱等。其中厚度均匀性超差原因较为复杂，主要的因素有：施加在预制体上的压力均匀性不够引起的，封装中出现了真空袋架桥、树脂渗透过程中出现树脂淤积、纤维回弹等；外表划伤主要由人为因素引起；而纤维褶皱与预制体状态、施加在预制体的压力均匀性不够引起、工艺缺陷其他认为原因，例如，层间夹杂、贴膜面存在异物等原因引起，具体如下：
厚度均匀性超差
（1）渗透过程中出现树脂淤积
（2）预制体压力均匀性不够
（3）纤维回弹
（4）真空袋架桥
外表划伤
（1）脱模、移动、加工过程中出现人为划伤
纤维褶皱
（1）预制体层间缺乏定型剂
（2）缺少压力均匀性控制手段
（3）层间夹杂、贴膜面存在异物
工艺缺陷控制
1、纤维吸湿对成型质量的影响和控制
干态纤维吸湿对成型的复合材料层合板的内部质量有严重的影响，外观会出现可目视的缺陷。其缺陷主要由纤维中吸湿的水分在固化升温过程中发生汽化；此外，通过测量表面，即使无损检测正常，但复合材料层合板的玻璃化转变温度会出现明显下降，说明纤维中残留的水分子破坏了树脂固化交联反应。因此，在液体成型复合材料制件的过程中，纤维吸湿控制是必须要考虑的工艺环节，纤维原材料的存放、剪裁，纤维预制体的铺贴、制备、封装等一定要在可控制的环境中进行。
2、树脂脱泡对成型质量的影响及控制
如果不对树脂进行脱泡处理，采用真空导流技术成型的复合材料外观不会出现明显变化。但会对成型复合材料层合板的内部质量产生明显的影响，主要会出现局部孔隙密集的缺陷 。树脂不进行脱泡处理对零件成型质量的影响程度与成型方法、制件的尺寸和结构形式相关，成型工艺控制越简单、制件的尺寸越大、结构形式越复杂，树脂中残存的气体影响越大。因此，在液体成型复合材料过程中，树脂的充分脱泡处理是必要的工艺步骤。为了保证树脂充分脱泡，可采用在树脂较低黏度状态时抽静态真空，真空度一般不低于-0.095Mpa，时间不少于30min；此外，在成型较大型零件时需要使用较多的树脂，仅采用树脂静态抽真空的形式较难对树脂进行充分脱泡，可采用循环抽真空或采用搅拌脱泡抽真空的形式对树脂进行动态脱泡处理，保证树脂的充分脱泡。
3、真空系统泄露对成型质量的影响及控制
真空系统的泄露是真空导流工艺制作复合材料过程中最为常见的工艺缺陷，渗透类型按部位可分为树脂进胶管路泄露、真空袋泄露、真空源（出胶管路）泄漏三种，具体如下图
（1）进胶管路渗漏
进胶管路渗漏试验分为微小渗漏和严重渗漏两种情况，其中微小渗漏和严重渗漏两种情况，其中微小渗漏时系统真空度范围为：—0.095 至—0.1Mpa，严重渗漏时真空管系统真空度范围为≤—0.08Mpa。
（a）在真空度基本保持不变（—0.095 至—0.1Mpa）的情况下，真空导流成型工艺过程中进胶管路出现微小泄漏对最终复合材料层压板成型的内部质量有一定的影响，主要的缺陷类型为较分散的不超标微小气孔，但该类型内部缺陷从外观上无法查别，其缺陷产生的原因为树脂在渗透过程中通过进胶管路渗漏点时混入了外部的空气。
（b）在进胶管路渗漏严重影响系统的真空度（≤—0.08Mpa）的情况下，将无法完成树脂对纤维预制体的浸润，成型后对零件目视可观察到大面积干斑。其缺陷产生的原因是进胶管路出现严重渗漏时，大量进入进胶管路的气体在树脂源于预制体制件之间形成了空腔区，阻碍了树脂进入预制体，故树脂无法实现对纤维预制体的完全浸润。
（2）真空袋渗漏
真空袋渗漏同样分为微小渗漏和严重渗漏两种情况，其中微小渗漏时系统真空度范围为—0.095 至—0.1Mpa，严重泄露时系统真空度范围为≤—0.08Mpa。
（a）在系统真空度基本保持不变（—0.095 至—0.1Mpa）的情况下，液体成型工艺过程中真空袋出现微小渗漏对最终复合材料层压板成型的内部质量有明显影响，制备的复合材料层合板在无损检测中出现了明显的底波衰减 ，并存在分散性的密集气孔，平均孔隙率值也超过了一般复合材料构件的指标1.5%；此外，从外观上观察到明显的点状缺陷。
（b）在真空袋渗漏严重影响真空度（≤—0.08Mpa）的情况下，虽然可以完成树脂对纤维预制体的浸润，但大量涌入真空袋的气体严重阻碍了树脂对预制体的浸润，并且过低的压力使成型的零件出现了疏松和分层等严重缺陷，从无损检测和外部观察均能发现严重的缺陷。
（3）、真空源渗漏
真空导流工艺的系统真空度一般不能低于-0.095Mpa，当真空源渗漏降低至-0.08Mpa时，复合材料层压板的成型质量会出现明显下降，可在无损检测中出现底波衰减现象 并检测出密集型气孔，平均孔隙率值已接近了一般复合材料的孔隙率最大指标1.5%，同时厚度均匀性出现了下降的趋势；当真空源渗漏进一步降低至—0.06Mpa时，虽然可以完成树脂对纤维预制体的浸润。但制备的复合材料层合板在无损检测中存在严重的底波衰减，同时存在分散性密集气孔等缺陷，表面可观察到明显不充分区域，厚度均匀性进一步下降。
因此，对系统进行真空渗漏检查时真空导流工艺的关键环节之一。常规的检测方法为：
1、观察系统真空读数，不低于—0.095Mpa；
2、关闭系统真空源，观察系统真空读数的变化值，变化值不能大于0.017Mpa/5min，一旦系统真空度低于-0.095Mpa或读数变化值超过范围，则需从树脂储液罐、树脂管路、真空袋、树脂出胶罐及真空源等多个方面进行分区检查，直至真空渗漏消除为止。
内部质量缺陷
内部质量缺陷主要包含有气孔、分层、夹杂和富树脂等，从细观形态分析，气孔与分层缺陷主要由外部气体引入造成的，可能产生的原因有纤维吸湿、树脂脱泡不净、真空系统渗漏、渗透或固化温度参数设置不合理等，夹杂缺陷主要由干态纤维铺叠过程掉入异物引起，富树脂现象可能产生的原因主要有工艺参数设置不合理、铺贴中纤维出现错层、堆叠或架桥等现象引起的，具体如下：
气孔/分层
（1）纤维吸湿
（2）树脂脱泡不净
（3）真空系统泄露
（4）渗透或固化温度参数设置不合理
夹杂，铺贴过程中掉入异物，富树脂
（1）树脂渗透过程中工艺参数设置不合理
（2）铺贴中纤维出现错层、堆叠或架桥
夹杂和富树脂主要与铺贴过程质量控制相关，而其它缺陷类型主要与液体成型工艺过程参数控制相关，而其他缺陷类型主要与液体成型工艺过程参数控制相关。
外部质量缺陷
厚度均匀性超差
（1）渗透过程中出现树脂淤积
（2）预制体压力均匀性不够
（3）纤维回弹
（4）真空袋架桥
外表划伤
（1）脱模、移动、加工过程中出现人为划伤
纤维褶皱
（1）预制体层间缺乏定型剂
（2）缺少压力均匀性控制手段
（3）层间夹杂、贴膜面存在异物
工艺缺陷控制
1、纤维吸湿对成型质量的影响和控制
干态纤维吸湿对成型的复合材料层合板的内部质量有严重的影响，外观会出现可目视的缺陷。其缺陷主要由纤维中吸湿的水分在固化升温过程中发生汽化；此外，通过测量表面，即使无损检测正常，但复合材料层合板的玻璃化转变温度会出现明显下降，说明纤维中残留的水分子破坏了树脂固化交联反应。因此，在液体成型复合材料制件的过程中，纤维吸湿控制是必须要考虑的工艺环节，纤维原材料的存放、剪裁，纤维预制体的铺贴、制备、封装等一定要在可控制的环境中进行。
2、树脂脱泡对成型质量的影响及控制
如果不对树脂进行脱泡处理，采用真空导流技术成型的复合材料外观不会出现明显变化。但会对成型复合材料层合板的内部质量产生明显的影响，主要会出现局部孔隙密集的缺陷 。树脂不进行脱泡处理对零件成型质量的影响程度与成型方法、制件的尺寸和结构形式相关，成型工艺控制越简单、制件的尺寸越大、结构形式越复杂，树脂中残存的气体影响越大。因此，在液体成型复合材料过程中，树脂的充分脱泡处理是必要的工艺步骤。为了保证树脂充分脱泡，可采用在树脂较低黏度状态时抽静态真空，真空度一般不低于-0.095Mpa，时间不少于30min；此外，在成型较大型零件时需要使用较多的树脂，仅采用树脂静态抽真空的形式较难对树脂进行充分脱泡，可采用循环抽真空或采用搅拌脱泡抽真空的形式对树脂进行动态脱泡处理，保证树脂的充分脱泡。
3、真空系统泄露对成型质量的影响及控制
真空系统的泄露是真空导流工艺制作复合材料过程中最为常见的工艺缺陷，渗透类型按部位可分为树脂进胶管路泄露、真空袋泄露、真空源（出胶管路）泄漏三种，具体如下图
进胶管路渗漏试验分为微小渗漏和严重渗漏两种情况，其中微小渗漏和严重渗漏两种情况，其中微小渗漏时系统真空度范围为：—0.095 至—0.1Mpa，严重渗漏时真空管系统真空度范围为≤—0.08Mpa。
（a）在真空度基本保持不变（—0.095 至—0.1Mpa）的情况下，真空导流成型工艺过程中进胶管路出现微小泄漏对最终复合材料层压板成型的内部质量有一定的影响，主要的缺陷类型为较分散的不超标微小气孔，但该类型内部缺陷从外观上无法查别，其缺陷产生的原因为树脂在渗透过程中通过进胶管路渗漏点时混入了外部的空气。
（b）在进胶管路渗漏严重影响系统的真空度（≤—0.08Mpa）的情况下，将无法完成树脂对纤维预制体的浸润，成型后对零件目视可观察到大面积干斑。其缺陷产生的原因是进胶管路出现严重渗漏时，大量进入进胶管路的气体在树脂源于预制体制件之间形成了空腔区，阻碍了树脂进入预制体，故树脂无法实现对纤维预制体的完全浸润。
（2）真空袋渗漏
真空袋渗漏同样分为微小渗漏和严重渗漏两种情况，其中微小渗漏时系统真空度范围为—0.095 至—0.1Mpa，严重泄露时系统真空度范围为≤—0.08Mpa。
（a）在系统真空度基本保持不变（—0.095 至—0.1Mpa）的情况下，液体成型工艺过程中真空袋出现微小渗漏对最终复合材料层压板成型的内部质量有明显影响，制备的复合材料层合板在无损检测中出现了明显的底波衰减 ，并存在分散性的密集气孔，平均孔隙率值也超过了一般复合材料构件的指标1.5%；此外，从外观上观察到明显的点状缺陷。
（b）在真空袋渗漏严重影响真空度（≤—0.08Mpa）的情况下，虽然可以完成树脂对纤维预制体的浸润，但大量涌入真空袋的气体严重阻碍了树脂对预制体的浸润，并且过低的压力使成型的零件出现了疏松和分层等严重缺陷，从无损检测和外部观察均能发现严重的缺陷。
（3）、真空源渗漏
真空导流工艺的系统真空度一般不能低于-0.095Mpa，当真空源渗漏降低至-0.08Mpa时，复合材料层压板的成型质量会出现明显下降，可在无损检测中出现底波衰减现象 并检测出密集型气孔，平均孔隙率值已接近了一般复合材料的孔隙率最大指标1.5%，同时厚度均匀性出现了下降的趋势；当真空源渗漏进一步降低至—0.06Mpa时，虽然可以完成树脂对纤维预制体的浸润。但制备的复合材料层合板在无损检测中存在严重的底波衰减，同时存在分散性密集气孔等缺陷，表面可观察到明显不充分区域，厚度均匀性进一步下降。
因此，对系统进行真空渗漏检查时真空导流工艺的关键环节之一。常规的检测方法为：
1、观察系统真空读数，不低于—0.095Mpa；
2、关闭系统真空源，观察系统真空读数的变化值，变化值不能大于0.017Mpa/5min，一旦系统真空度低于-0.095Mpa或读数变化值超过范围，则需从树脂储液罐、树脂管路、真空袋、树脂出胶罐及真空源等多个方面进行分区检查，直至真空渗漏消除为止。
文章来源：复材邦
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