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(shù)脂基復(fù)合材料自身的弱點(diǎn)也不斷暴露出來(lái)，突出表現(xiàn)在傳統(tǒng)樹(shù)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(guò)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(shù)脂滲透是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)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(shù)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(guò)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)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(lái)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(shù)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(mén)（如圖2所示）該艙門(mén)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(méi)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(guò)VARI工藝使樹(shù)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(méi)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(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，A400M的貨艙門(mén)減重效益也非常明顯。
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(kāi)始已有多家研究機(jī)構(gòu)開(kāi)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(kāi)展VARI技術(shù)和應(yīng)用的科研機(jī)構(gòu)之一，在專用樹(shù)脂體系開(kāi)發(fā)、干態(tài)纖維增強(qiáng)預(yù)成型體滲透特性、VARI工藝樹(shù)脂流動(dòng)控制以及成型工藝等方面均開(kāi)展了大量的研究工作，開(kāi)發(fā)了BA9911、BA9912 和BA9914 VARI樹(shù)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(shù)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(shù)脂體系方面
（1）BA9912環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂體系，該樹(shù)脂的室溫粘度只有120mPa·s，可以滿足VARI工藝對(duì)基體樹(shù)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(mén)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用[3]。
（2）BA9914環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂體系，該樹(shù)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(kāi)展了高性能VARI成型工藝研究，通過(guò)采用優(yōu)化樹(shù)脂流道設(shè)計(jì)、調(diào)整樹(shù)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)雍习宸诸悾瑢y(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(jiàn)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。
盡管國(guó)內(nèi)VARI技術(shù)的研究起步較晚，但經(jīng)過(guò)近十幾年的研究，從專用VARI樹(shù)脂體系開(kāi)發(fā)、復(fù)雜構(gòu)型預(yù)成型體制備、VARI工藝樹(shù)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)。
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