復合材料雙真空袋壓實工藝研究進展

王志平，張璟璇，李 娜

（中國民航大學天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300）

復合材料具有強度高、剛度高、性能可設計、耐腐蝕、抗疲勞及密度小等優點，在航空器結構的輕量化和高性能化方面發揮著重要作用[1-2]。B787 和A350 上復合材料的用量均達到了結構總重的50%以上[3]，中國自主研制的大型客機C919 上復合材料的用量約為12%，在2018 年立項的CR929 上復合材料的用量則超過了50%[4]。在通用航空及小型航空器上，復合材料的用量更是達到50%～80%[5]。復合材料部件正向著大型化、整體化方向發展[6-8]。

目前，航空器所用復合材料結構成型工藝方法包括熱壓罐成型、液體成型、纏繞成型、先進拉擠成型和模壓成型等[9-11]。由于熱壓罐工藝制備的材料孔隙率低、樹脂和纖維分布均勻，力學性能優異，因而95%以上的復合材料結構均采用熱壓罐工藝成型，但其存在成本高、能耗大、工效低等劣勢[12-14]。在實際生產中，復合材料部件的材料成本不足30%，但制造成本卻超過70%。因此，未來復合材料成型工藝的發展應著眼于降低其制造成本上。

為了彌補熱壓罐成型工藝的不足，研究人員開發出與熱壓罐工藝具有同樣性能和質量的非熱壓罐（OoA，out-of-autoclave）工藝。雙真空袋壓實（DVD，double vacuum debulking）工藝作為其中一種較為先進的OoA 成型工藝，在復合材料部件的制造與修復方面得到廣泛應用。本文首先簡述了DVD 工藝原理及結構，其次對其在復合材料部件的制造與修復方面的研究現狀進行介紹，最后總結和展望了DVD 工藝未來的發展趨勢。

1 DVD 工藝簡介

DVD 工藝概念的提出可追溯到20 世紀80 年代，為了改善航空航天所用復合材料結構原材料OoA 固化的揮發性問題，文獻[15]于1983 年開發出了雙真空袋壓實工藝。其核心是在傳統單真空袋（SVB，single vacuum bag）結構基礎上，覆蓋一個有一定剛性的密封支撐模具，使二者之間形成可抽真空的密封結構。DVD 工藝的詳細封裝過程[16-17]如圖1 所示。

圖1 DVD 工藝的詳細封裝圖Fig.1 Detailed package drawing of DVD process

DVD 工藝的工作原理分為2 個步驟，如圖2 所示。步驟1 是脫氣階段，分別對內、外真空袋抽真空（雙重真空），通過調節內外真空袋的壓力P[18]，使鋪層結構在抽真空和加熱固化的過程中不被大氣壓壓緊，從而更好地從層間抽吸空氣和其他氣體，以達到降低孔隙率的目的[19]。步驟2 是壓實階段，內真空袋繼續保持真空狀態，調節外真空袋壓力至大氣壓[20]，使完全脫氣的鋪層結構在大氣壓作用下壓實并固化，從而制備出低孔隙率且樹脂和纖維分布均勻的復合材料部件。

圖2 DVD 工作原理圖Fig.2 Diagram of DVD principle

復合材料部件中孔隙的形成主要來源于2 個方面：①樹脂基體中的小分子揮發物；②鋪層過程中層間包裹的空氣。DVD 工藝[21]采用的雙真空袋壓實結構，先對內真空袋抽真空，降低了樹脂基體中揮發物的蒸氣壓和沸點，提高了揮發物在復合材料成型低溫階段的揮發速率，再對內、外真空袋同時抽真空可有效降低層間壓力，消除氣泡排出通道的物理約束，有利于氣泡排出。圖3 為不同成型過程中氣泡的形成與排出效果對比示意圖，其中，CPT 為最終固化層厚度，Δh（t）為厚度變化量。

圖3 不同成型過程中氣泡的形成與排出Fig.3 Formation and discharge of air bubbles in different molding processes

2 DVD 工藝在復合材料部件制造方面的應用

低成本、大規?；瘡秃喜牧系膽蒙钍車鴥韧鈱＜覍W者的重視，由此制定了許多研究計劃與發展規劃，開發了多種工藝體系[22]。

美國于1993 年發布了“制備熱塑性復合材料的方法”的專利（US5236646）[23]，公開了一種使用雙真空室設備進行玻璃纖維增強熱塑性樹脂復合材料的成型方法。其優點在于制備出的復合材料揮發物含量低于1wt%，使DVD 工藝成型低孔隙率熱塑性復合材料成為可能，但對于所得部件力學性能等方面的研究尚未深入。

文獻[21]研究了IM7/LARCTM PETI-8 聚酰亞胺復合材料和CYTEC 7781 E-glass/Cycom6070 酚醛樹脂復合材料層壓板的DVD 工藝，在低溫上升（B 階段）固化循環時，通過平衡殘余揮發物和殘余樹脂流動性來控制揮發物，從而降低孔隙率[24]。與SVB 工藝制備的復合材料層壓板對比發現，后者制備的層壓板內部形成了大量由熔融樹脂包圍的孔洞網絡結構，而DVD工藝制備的層壓板幾乎無孔隙，克服了SVB 工藝的不足；同時其短梁剪切強度提高40%，彎曲強度提高30%，拉伸強度提高10%，壓縮強度提高18%[25]。上述表明，在制備具有反應性樹脂基體（如聚酰亞胺和酚醛樹脂）的復合材料層壓板時，DVD 工藝優于SVB 工藝，2 種工藝制備的層壓板顯微照片如圖4 所示[21]。合適的模具設計能使控制揮發分的DVD 概念適應于任何復材制造工藝，包括樹脂傳遞模塑（RTM，resin transfer molding）、真空輔助RTM（VARTM，vacuum assisted resin transfer molding）、溶劑輔助RTM（SARTM，solvent-assisted resin transfer molding）和樹脂膜熔滲（RFI，resin film infusion）工藝，但是如何正確去除揮發分是一個待研究解決的問題。

圖4 SVB 和DVD 成型的7781 E-glass/Cycom 6070 酚醛樹脂復合材料的顯微照片Fig.4 Optical micrograph of 7781 E-glass/Cycom 6070 phenolic composite formed by SVB and DVD

文獻[26]通過DVD 工藝先后制備了大厚度層壓板和具有T 形加勁肋的前翼梁結構。從圖5 的大厚度層壓板的超聲C 掃描圖像中可以看出，與參考試塊相比，信號水平未發生衰減，證明該結構具有較低孔隙率的特點，DVD 工藝可以適用于制造大厚度層壓板。圖6 為前翼梁的超聲C 掃描圖像，可以看出大部分區域的信號水平沒有發生明顯的衰減，但在STRG1、STRG2 和STRG3 這些區域附近信號衰減情況加劇，表明這些區域存在大量孔隙，可能是由于使用的縱梁工具過于簡單。后續工作將集中在放置縱梁的工具方面和控制加強肋的平行度與垂直度以及內袋的形狀問題的優化上，以獲得更優的部件尺寸公差?？梢妼τ诰哂袕碗s結構的部件，DVD 成型工藝還有待優化。

圖5 超聲C 掃描13 mm 厚標本Fig.5 Ultrasound C-scan of 13 mm thick specimen

圖6 超聲C 掃描前翼梁Fig.6 Ultrasound C-scan of front spar inspection

文獻[27]將DVD 工藝整合到QuickStep 處理中，控制固化周期曲線的中間停留時間與中間停留溫度，制造了977-2A 碳纖維環氧樹脂復合材料層壓板，表1顯示了經超聲波C 掃描、熱酸分解法以及機械測試得到的部分性能，其中：QS-45 是指使用QuickStep 技術，固化時間為45 min 制造出的層壓板；QS-DVB-45 是指將DVB 技術整合到QuickStep 中，固化時間為45 min制造出的層壓板；QS-60 是指使用QuickStep 技術，固化時間為60 min 制造出的層壓板；熱壓罐是指使用熱壓罐技術制造出的層壓板。與QS-45 相比，QS-DVB-45的機械性能基本沒有發生變化，因而，將DVD 整合到QuickStep 處理中并未表現出較大優勢，但是平均纖維含量略有提高，說明利用DVD 工藝可以有效降低固化過程中層壓板的樹脂含量，避免層壓板中小樹脂塊富集。

表1 具有不同中間停留時間和裝袋方式的熱壓罐和QS 板的物理和機械性能Tab.1 Physical and mechanical properties of autoclave and QS board with different intermediate residence time and bagging methods

文獻[28]通過建立有限元模型和Digital Twin 模型，模擬了復合材料成型工藝中孔隙的形成過程，證明了DVD 工藝可以在成型早期階段最大程度地去除揮發物，從而有效降低復合材料孔隙率。目前，研究多停留于二維表征，很難對復材部件制造過程中的缺陷演變以及最終固化部件中的缺陷幾何形狀進行追蹤預測，因此，未來的模型構建應放在三維模型的研究上。

文獻[29]對DVD 裝置進行改進，即將支撐模具永久密封在柔性內真空袋上。簡化了DVD 設備，降低了人工成本和處理時間。

在國內，北京航空材料研究院較早開展DVD 成型工藝的研究。文獻[30]首先開發了適用于真空壓力成型的低溫固化環氧樹脂LT-03 體系，然后通過設計新型固化劑、優化樹脂制備技術，研究了綜合性能更優異的LTVB-01/T700SC 非熱壓罐預浸料體系，在30 ℃（DVD-a）、55 ℃（DVD-b）、65℃（DVD-c）分別進行DVD 工藝成型。與SVB 工藝進行對比試驗，測試各種工藝成型層壓板的斷口形貌和層間剪切強度發現，SVB 與DVD-a 工藝制備的層壓板中均有不同程度的缺陷，對應的層間剪切強度為70.7 MPa 和71.5 MPa。相較前兩者，DVD-b 與DVD-c 工藝制備的層壓板內部質量較好，層間剪切強度分別提高到85.0 MPa 和83.5 MPa。復合材料層壓板的內部形貌與層間剪切強度具有非常明顯的對應關系，DVD 工藝有利于制備孔隙率低、質量好的層壓板。圖7 為不同工藝制備復合材料層壓板的超聲C 掃描圖像。

圖7 不同工藝制備復合材料的超聲C 掃描圖像Fig.7 Ultrasound C-scan images of composite materials prepared by different processes

文獻[31]采用SVB 和DVD 工藝分別制備了具有蜂窩夾層結構的拼接件，如圖8 所示。研究發現采用SVB 工藝制備的試樣，拼接部位的發泡材料發泡效果不理想，表面充滿了較大的孔隙，部分泡孔已經破裂。通過研究發泡膠的成型原理，發現真空度對泡孔質量影響較大，而DVD 工藝正是通過調節內外真空袋的壓差來控制對部件的壓力大小，因此采用DVD 工藝可以制備出結構密實、均勻、泡孔細密、膨脹充分的拼接件。但采用DVD 工藝時必須考慮其真空壓力是否能夠滿足部件成型要求。

圖8 蜂窩拼接件SVB 工藝、DVD 工藝效果對比圖Fig.8 Comparison of effect of process SVB and process DVD of honeycomb splicing parts

文獻[32]針對使用微波加熱固化碳纖維復合材料時易出現放電擊穿的問題，發明了一種利用DVD 工藝和耐高溫柔性材料的微波固化方法，即在兩層真空袋之間增設了一層耐高溫的柔性材料，然后將封裝好的碳纖維復合材料制件放入微波加熱固化設備進行固化。解決了采用SVB 工藝微波固化時制件的放電擊穿問題，提高了制件的真空度和對材料的壓實度。

3 DVD 工藝在復合材料部件損傷修復的應用

隨著DVD 工藝在復合材料部件制造方面的廣泛應用，DVD 工藝在復合材料部件修復方面的應用也引起許多關注[33]。

基于美國專利（US5236646），文獻[34]發明了一種由碳纖維或玻璃纖維增強雙馬來酰亞胺（BMI，Bismaleimide）樹脂復合材料飛機結構的修復方法。采用DVD 工藝制備纖維增強BMI 修復材料的預固化補片，然后將其粘接到待修理區進行修理。經驗證，該工藝解決了大厚度BMI 預浸料修復孔隙率過高的問題，但對于20 層以上的BMI 預浸料補片修復還有待進一步研究。文獻[35]進一步提供了一種將DVD 工藝應用于增韌型碳纖維/環氧樹脂大厚度復合材料層壓板的快速修復方法，所有修理補片不需要通過逐層壓實工序來固化，可一次性鋪層，從而節省了大量的修復時間。

文獻[16，36]分別采用熱壓成型和DVD 工藝對層壓板進行修復，對比發現，熱壓成型工藝修復結構強度較開孔拉伸強度提高了40%，而DVD 工藝修復結構強度比前者修復強度進一步提高了19%，達到母體結構強度的74%。圖9 為熱壓成型工藝和DVD 工藝制備的補片顯微結構圖[16]，從圖9 中可以觀察到，熱壓成型工藝制備的補片中樹脂富集區和纖維之間存在大量孔隙，是由于在固化早期涂有薄膜膠粘劑的修補結構下表面會變硬，阻止揮發物逸出，從而降低層間的粘接性能；而DVD 工藝修理補片未出現明顯孔隙，層間增韌顆粒清晰可見，顆粒之間的樹脂滲透充分。修理補片的孔隙率從熱壓成型工藝的13.1%降低至DVD 工藝的約0%。后續應將測試樣品擴展至圓形搭接修復，以充分表征修復的質量和強度。

圖9 熱壓成型和DVD 工藝的復合層壓板的光學顯微圖Fig.9 Optical micrographs of composite laminates with thermal bonding and DVD processing

文獻[37]進一步研究了采用SVB 和DVD 工藝進行原位搭接修復結構的機械性能和孔隙率，發現DVD工藝修復試件的拉伸強度比前者拉伸強度提高了19%，但DVD 工藝會引起較大纖維波紋度和較大的樹脂富集區，與熱壓罐工藝相比，可能導致修復試件的層間剪切強度小幅下降。SVB 工藝制備的補片孔隙率為3.5±0.3%，而DVD 工藝制備的補片孔隙率僅為0.01±0.01%。圖10 為兩種工藝下孔隙數量、含量與體積之間的關系曲線[37]，可見數量少但體積大的孔隙會對總孔隙率產生更大影響。

圖10 孔隙數量、含量與體積之間的關系曲線Fig.10 The relationship curve between pore number，content and volume

基于以上研究，波音公司針對B787 飛機的維修發明了一種DVD 工藝，并將其應用于飛機的原位結構修復[19]，減少了安裝和修復周期，降低了維修中引入異物碎片的可能性。然而其抽真空盒采用的是木質結構拼接，螺釘連接，封裝時仍需額外附加一層真空袋和透氣布，工藝復雜。文獻[38]針對此問題提出了一種適用于曲面構件和盒型件的DVD 修理工藝，其特點是根據被修理件的曲面外形制作鋁合金材料的支撐模具，并使用榫卯結構連接組裝。該方法操作簡單、節約耗材、密封性能良好，實現了6 層以上層壓板曲面構件的修復，但此盒型件每次使用前仍需拼接，縫隙處需要大量密封膠條密封，抽真空過程中密封膠條易脫落，在發明專利中尚未提出一套完整的修理技術方案。文獻[17]制備的鋁合金材質一體化的支撐模具，具有結構簡單、可靠性高、不易漏氣、維修簡便等特點，在增設熱電偶與溫度采集裝置后，還能對裝置內溫度進行實時監控。

文獻[39]對比研究了濕鋪層材料的DVD 與SVB 修復工藝，發現DVD 工藝制備的濕鋪層修理補片浸漬更充分，孔隙率更低，明顯改善了修理補片的機械性能，但對于制備彎曲補片存在一定的挑戰。

文獻[40-41]采用SVB 和DVD 工藝對CYCOM X850/T800 復合材料進行大厚度層壓板修理，發現采用DVD 工藝制備的補片從6～16 層均質量良好，經測量第8 層補片的孔隙率最高，達到1.93%，符合修理孔隙率小于4%的要求（OEM[42]指南要求），驗證了DVD修理工藝良好的穩定性。而采用SVB 工藝制備6 層及以上的補片，孔隙率均超過5%。說明采用DVD 工藝修復時，能大幅提高單次固化層數和內部質量，打破了SVB 工藝單次固化層數不能超過6 層的限制。而對OoA 材料MTM45-1 使用SVB 工藝進行大厚度修復，驗證了其用于SVB 工藝修復復合材料部件的可行性。

文獻[43]針對DVD 修理工藝，建立了修理補片內氣泡與樹脂的相對運動模型，繪制了如圖11 所示的氣泡直徑與其運動速度的關系圖[42]，從圖11 中可以看出：樹脂黏度對氣泡運動速度的影響較大，樹脂黏度η（單位：Pa/s）越大，氣泡相對樹脂的運動速度會大幅度減小，因此，適當降低樹脂黏度，有利于氣泡排出，氣泡相對于樹脂的運動速度會隨氣泡直徑的增加而增快，因此大直徑的氣泡更容易從樹脂中逸出。通過適當降低樹脂黏度和被修理區域的相對壓力可以提高氣泡與樹脂的相對運動速度，有利于氣泡排出，降低補片孔隙率，提高修理質量。目前尚未建立將樹脂視為非牛頓流體的運動模型，模擬氣泡與樹脂的運動關系以提高修理質量。

圖11 氣泡直徑與其運動速度關系圖Fig.11 The relationship between bubble diameter and its moving speed

文獻[44]針對雙曲外形輪廓結構發明了一種熱壓分離的DVD 修理工藝，即在第一、二真空袋之間增加電熱毯、熱電偶、兩層透氣棉，使修理補片與母體表面緊密貼合，曲度弧度完全一致，避免了支撐模具對被修理件形狀的限制，保證了雙曲型面結構部件的輪廓外形。

文獻[45]提出一種DVD 整體成型帽型加筋壁板工藝，以真空袋作為芯模，灌注樹脂，使其在真空作用下成型復合材料帽型加筋壁板，解決了帽型加筋板整體成型需要專用芯模及脫模困難的問題，極大地降低了成本，但對圓柱狀真空袋模具自身的密封性以及與外真空袋之間的密封性要求較高。

綜上，國內DVD 工藝在復合材料的制造與修復方面起步較晚，雖然其近年來發展迅速，在DVD 用原材料的研制及性能等方面的研究均有一定優勢，但在批次穩定性、數據積累、工藝創新和工程應用等方面與國際水平還有明顯差距。

4 結語

DVD 工藝的主要原理是通過雙重真空（內真空袋和外真空袋）結構設計，實現內外真空袋壓力的控制和調節，使復合材料鋪層在加熱固化過程中不被大氣壓壓緊，同時從層間抽吸空氣和其他氣體，以達到降低孔隙率的目的。

在復合材料制造方面，DVD 工藝通過雙重真空條件下揮發物的有效控制，制造出與熱壓罐工藝孔隙率相同的復合材料部件，解決了傳統熱壓罐成型工藝成本高、能耗大等問題。但其力學性能差異方面的研究成果不多，有待于進一步研究；在復合材料修復方面，DVD 工藝主要應用于大厚度復合材料部件的維修，彌補了傳統SVB 工藝維修復合材料部件孔隙率高于4%的缺點。但DVD 裝置的結構較SVB 結構復雜，目前僅適用于相對較小的復合材料部件維修。因此，DVD 工藝在民用飛機的維修應用上還處于非承力部件及次承力部件階段。

綜上所述，未來應致力于優化DVD 工藝參數，通過建立不同種類復合材料的氣泡與樹脂運動關系模型以及三維孔隙形成模型，模擬實際工況，研究其制備過程中揮發物的控制機理；同時進一步改進DVD裝置的內外真空袋、支撐模具的設計，以適應更大厚度、不同形狀復合材料部件的制造與修復，從而節約復合材料制造與維修過程中的人力及成本，拓展其應用范圍；同時還需多方面分析DVD 工藝的綜合性能，尤其是與熱壓罐成型工藝性能對比方面的驗證，使之早日用于主承力部件制造與維修。