《Polymer Composites》：Assessing and Quantifying Variability Across Vacuum-Assisted Resin Infusion Variants for Aerospace-Grade Composite Manufacturing
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摘要：常规真空辅助树脂传递模塑（Conventional Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding, C-VARTM）被认为是制造大型复合材料结构的一种经济高效的树脂灌注技术。然而，C-VARTM存在固有局限性， notab
摘要：常规真空辅助树脂传递模塑（Conventional Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding, C-VARTM）被认为是制造大型复合材料结构的一种经济高效的树脂灌注技术。然而，C-VARTM存在固有局限性， notably非均匀树脂流场、导致压力梯度不稳定的不可控真空度以及纤维压实程度波动。这些因素共同降低了工艺重复性和尺寸精度，成为C-VARTM层合板获得航空航天应用资质的主要制约因素。因此，识别、理解并论证工艺变异的主导来源，是实现可靠生产达热压罐（Autoclave）处理质量水平的航空航天级复合材料结构的关键。本研究以采用导流布、真空袋封装及无辅助压实的被动浸润C-VARTM为基线工艺，评估了数种真空灌注变体工艺——包括压力驱动真空灌注（Pressure-Driven VARTM, PD-VARTM）、振动辅助真空灌注（Vibration-Assisted Vacuum Infusion, VAVI）、受控常压树脂灌注（Controlled Atmospheric Pressure Resin Infusion, CAPRI）及膜辅助真空灌注（Membrane-Assisted Vacuum Infusion Process, MAVIP）——在层合板密度、纤维体积分数（Fiber Volume Fraction, FVF）、孔隙含量及厚度均匀性（于树脂入口与真空出口处量化）方面的表现。对所有层合板进行弯曲试验，以评估其结构性能，并与航空合格、Bombardier专利的树脂传递灌注（Resin Transfer Infusion, RTI）工艺制得的层板对比；本文报道了基于软-硬（soft-stiff）压实概念的首例实验室规模RTI成功实现，弥补了现有文献的关键空白。
论文解读：航空航天级复合材料真空辅助树脂灌注变体工艺变异性的评估与量化
一、研究背景与意义
航空航天工业中，碳纤维增强环氧树脂预浸料（Prepreg）经热压罐（Autoclave）固化为主流制造路线，因均匀外压与控温确保层合板致密化、低孔隙率及高重复性。但热压罐受零件尺寸与模具限制，且设备投资大、能耗及运营成本高。这推动了脱离热压罐（Out-of-Autoclave, OoA）工艺的研究，目标是在孔隙含量低于关键阈值1%–2%的同时降低成本、简化设施并提升可扩展性，以接近热压罐级层合板质量。真空辅助树脂传递模塑（VARTM）是最具前景的OoA工艺之一，靠真空负压将液态树脂吸入干纤维预成型体并排出夹带空气。但VARTM本质易产生非均匀压实：树脂前缘推进时真空袋随动松弛，沿流道（从树脂入口到真空出口）产生压力损失，形成厚度梯度，进而导致纤维体积分数（Fiber Volume Fraction, FVF）空间差异及局部力学性能不均；此外时间相关的压实压力变化改变纤维渗透性，加剧厚度不均。这些特点造成尺寸控制差、工艺重复低、层合板压实不一致，加之孔隙形成倾向高（源于排气不完全、树脂混合湍流、真空泄漏或纤维束内毛细阻力），孔隙作为应力集中点削弱拉伸、弯曲及层间剪切性能，阻碍VARTM用于航空航天主承力结构。为克服缺陷，文献提出树脂 bleed（饱和后继续排脂以延长时间助挥发物排出但牺牲效率）、灌注完成后将树脂储槽连至真空管路以均衡进出口压力（消除梯度但丧失进一步压实驱动力）、外加主动压实系统（充气气囊、磁驱夹具或加压腔——受几何与模具复杂度和大面积均压困难限制）。综上，传统真空灌注在质量与性能上和热压罐级制品间存在持续差距，需下一代调控压力、主动流场及集成压实策略的灌注技术。在此背景下，研究人员开展本研究，系统评估数种先进树脂灌注变体（CAPRI、MAVIP、PD-VARTM、VAVI），以常规C-VARTM为基线，并以航空合格Bombardier专利树脂传递灌注（Resin Transfer Infusion, RTI——基于soft-stiff压实概念）为基准，量化层合板密实度、FVF、孔隙含量、厚度均匀性及弯曲力学性能的空间差异，填补多种新兴灌注策略同平台横向对比及实验室规模RTI平板制备的文献空白。论文发表于《Polymer Composites》。
二、主要关键技术方法
研究人员选用航空航天级EPIKOTE MGS LR285环氧树脂与EPIKURE MGS LH287固化剂（100:30 重量比，20℃粘度约700 mPa·s，真空脱泡15 min）为基体，增强体为T300 2×2斜纹碳纤维织物（200 g/m2），铺贴4层对称铺层制备平板层合板。设置6种工艺对照：(1) C-VARTM——带导流布与真空袋被动灌注，灌注完15 min可控bleed；(2) MAVIP——真空袋与干预成型体间加TPU基半透膜（允许气体/挥发物通过并阻树脂），配温度传感器控流终止；(3) CAPRI——预灌注阶段80次压实–松弛循环（全真空→部分释放），灌注时入口侧半真空(35 kPa)、出口侧全真空(70 kPa)；(4) VAVI——C-VARTM基础上于流场启动25 min后施60 Hz低频振动至灌注结束；(5) PD-VARTM——进料管加蠕动泵(Masterflex L/S Easy-Load II)以500 rpm间歇通断(15 s开/60 s关)计量输脂；(6) RTI——实验室规模复现soft-stiff压实概念：真空袋组件内嵌入0.8–1.0 mm厚铝片作局部刚性区，其余为透气/导流柔区；全真空下完成浸润后，在树脂进入预凝胶(G′–G″交叉点附近)时分步施加热压罐压力(最终600 kPa)促树脂再分布与压实，全程维持?90 kPa真空。所有层合板按各自规程固化（C-VARTM/MAVIP/CAPRI/VAVI/PD-VARTM为程序升温烘箱60℃保温后室温冷却并统一60℃后固化；RTI为热压罐阶梯加压+恒温恒真空+后固化）。性能指标测试：按ASTM D792-13水浮力法测密度；热重分析(Thermogravimetric Analysis, TGA)测纤维/树脂质量分数进而算FVF与孔隙含量；距树脂入口与真空出口取≥5样做三点弯曲(ASTM D790-10, 跨厚比32:1, Instron 8810, 10 kN载荷传感器)；代表性样块Micro-CT(SkyScan 1172, 62 kV, 161 μA, ~4 μm体素)重建与CTAn软件分割量化三维孔隙体分印证趋势。每工艺制单块层合板，同板上多点取样表征板内空间变异。
三、研究结果
3 Results and Discussion
研究人员首先对C-VARTM分析发现：厚度入口侧1.42 mm、出口侧1.34 mm，密度略高但FVF差值Δ=6.70%，孔隙含量入口2.35%升至出口4.55%，弯曲强度入口620 MPa、出口700 MPa，展现明显进出口不一致。MAVIP则厚度几近一致(入口1.39 mm/出口1.37 mm)，FVF Δ=0.44%，孔隙受抑，弯曲强度631–671 MPa，证实半透膜稳定压力场并持续排气减孔，大幅提升均匀性。CAPRI获OoA路线中最优均匀性：厚度≈1.09 mm，FVF≈51%且进出口差异微小，孔隙含量0.95%–1.45%，弯曲强度682–698 MPa，模量>41 GPa，归功于预压实–松弛循环与进出口压差管控。VAVI呈最大不均匀性：厚度入口1.51 mm/出口1.27 mm，FVF Δ=10.32%，虽真空侧达最高局域弯曲强度803 MPa，但入口侧仅562 MPa、模量38.9 GPa，说明未闭环控制的振动会放大流场与压实波动。PD-VARTM厚度1.11–1.13 mm，FVF Δ≈1%，孔隙1.28%–1.48%，弯曲强度714–747 MPa，模量近CAPRI水平，表明泵控计量输脂可有效抑制C-VARTM缺陷且无需半透膜或热压罐。RTI综合最优：厚度≈1.12 mm均匀，FVF>55%，孔隙0.28%–0.48%，弯曲强度达768 MPa、模量>54 GPa，验证真空浸润+延迟热压罐压实及soft-stiff布局可实现近热压罐品质。研究人员还指出弯曲模量明显依赖FVF——低FVF工艺(C-VARTM ~42%, MAVIP ~45%)模量36–40 GPa，高FVF工艺(CAPRI ~51%, PD-VARTM ~52%, RTI ~55%)模量分别~42 GPa、~48 GPa、>54 GPa，VAVI内部也因FVF不同(入口~40.5% → ~35 GPa，出口~51% → ~57 GPa)，符合混合法则(Rule of Mixtures)，FVF是控制弯曲刚度主导参数。Micro-CT二维灰度阈值分割半定量孔隙率依次递减：C-VARTM ~1.5%、MAVIP ~0.8%、VAVI ~0.55%、CAPRI ~0.45%、PD-VARTM ~0.32%、RTI ~0.21%，与烧失法/密度法吻合，直观显示各工艺孔隙形态由宏孔向微孤立孔演化。雷达图(min-max归一化六指标)划为三层：RTI与CAPRI包络大且进出口形变小，属优级；PD-VARTM与MAVIP中等偏上且较稳，属实用折衷；C-VARTM与VAVI包络小或进出口畸变大，工艺鲁棒性差须严控。最后研究人员讨论非平板曲形件时边缘流道效应(race-tracking)与局部渗透性变化会放大不均，其中RTI与MAVIP因压力/压实控制预期更可靠，C-VARTM类更易现干斑与积脂。
四、讨论与结论翻译（Conclusion部分）
本研究的结论如下：
本研究通过对六种真空辅助树脂灌注变体（C-VARTM、MAVIP、CAPRI、VAVI、PD-VARTM及RTI）的厚度、密度、纤维体积分数（FVF）、孔隙含量及弯曲性能的进出口差异性进行定量与空间分辨对比，评估了工艺变异性。弯曲强度是区分各工艺变体的主要性能指标，反映了FVF、孔隙含量及结构均匀性的综合影响。各工艺在树脂入口与真空出口区域表现出显著差异——C-VARTM层合板弯曲强度沿制件变化近13%，而VAVI虽在真空侧获最高局域强度（803 MPa）但空间不一致性突出；反之，MAVIP与PD-VARTM呈现较稳定力学响应（弯曲强度分别为631–671 MPa与714–747 MPa），CAPRI与RTI则持续给出高且空间均匀的强度值（RTI可达768 MPa），凸显工艺可控性重于孤立峰值性能。
上述力学趋势受FVF及其对弯曲模量的强影响支配：较低FVF工艺（C-VARTM ~42%、MAVIP ~45%）模量36–40 GPa；较高FVF工艺（CAPRI ~51%、PD-VARTM ~52%、RTI ~55%）模量系统性升高至约42 GPa、48 GPa与>54 GPa，符合经典层合板理论及混合法则；VAVI内部同样可见低FVF区(~40.5%)模量~35 GPa、高FVF区(~51%)模量~57 GPa，证实FVF为全球与局域弯曲刚度主控参数。
观测到的力学差异关联至工艺诱发的厚度梯度与压实均匀性：C-VARTM与VAVI呈现显著进出口不对称性（FVF差分别6.7%与10.3%，厚度变异分别约6%与>15%）；MAVIP与PD-VARTM有效抑制梯度（FVF差<1%，厚度近均一）；CAPRI与RTI提供最高尺寸稳定性（厚度分别≈1.09 mm与~1.12 mm），反映卓越工艺控制与压实效率。
孔隙含量是决定弯曲性能幅值与一致性的关键因素：C-VARTM孔隙从入口2.35%增至出口4.55%；VAVI虽局域高强度但缺陷分布不均；MAVIP与PD-VARTM将孔隙降至约1.3%–1.5%；CAPRI与RTI达最低（CAPRI<1.5%，RTI 0.28%–0.48%），孔隙削减直接提升载荷传递效率并减小力学离散。
Micro-CT观察佐证：灰度阈值分割显示孔隙率自C-VARTM(1.5%)、MAVIP(0.8%)、VAVI(0.55%)、CAPRI(0.45%)、PD-VARTM(0.32%)至RTI(0.21%)系统降低，与密度/烧失法趋势一致。
综上，RTI与CAPRI是平衡性最佳且高性能的路线，兼具高FVF、低孔隙、最小厚度变动与稳定高力学性；其中RTI最有效——FVF>55%、弯曲强度达768 MPa、模量>54 GPa、厚度近完美均匀且超低压孔隙。PD-VARTM与MAVIP提供稳健的中间方案（改善稳定性、降变异性）；C-VARTM与VAVI对工艺条件敏感且空间不均明显。研究证实最小化进出口变异性是实现航空航天级层合板质量的关键要求，并为依据性能、鲁棒性与工艺复杂度选取灌注策略提供了量化框架。需注意本研究基于较薄层合板，直接外推至大尺寸厚板须谨慎，未来工作将探讨更厚构型下单工艺扩展性。
