复合材料成型真空导入工艺中的真空系统 / 四六文摘

树脂真空导入工艺制成的复合材料成型产品具有表面质量高、气孔等缺陷少、强度高等诸多优点，在模具成型工业的应用越来越广泛。

树脂真空导入工艺的基本原理

如下图所示，在模具上铺增强材料，然后铺真空袋，并抽出体系中的空气，在模具型腔中形成一个负压，利用真空产生的压力把不饱和的树脂通过预铺的管路压入纤维积层中，让树脂浸润增强材料最后充满整个模具，制品固化后，揭去真空袋材料，从模具上得到所需的制品。

为什么要使用真空导入工艺

真空导入工艺的主要作用是避免成型的产品产生气孔、疏松等缺陷。产生这些缺陷主要是由于模具中或者纤维层中夹杂的空气，或者成型过程中产生的蒸汽。

蒸汽是指在常温常压下是气体或固体，在真空下或高温下挥发出来的气体。在复合材料成型工艺中，蒸汽是“看不见的敌人”。这些蒸汽会增加抽气时间，产生类似泄漏的现象；会在制成产品中产生气孔，或者严重的强度缺陷。水蒸汽是最常见的蒸汽，其它常见的蒸汽还有从树脂或树脂导入系统中挥发出来的气体，如苯乙烯，过氧化丁酮（MEKP）等。

水蒸汽

由于空气有一定的湿度，模具的表面，纤维等多孔材料的空隙内都会吸附一些水分。这些吸附的水分无法看到，并且在常温常压下不会产生任何影响，但是在抽真空时，水在常温下就可以沸腾。

我们都知道，水的沸点会随着气压降低而降低，比如在高海拔的地方，水在80度就会沸腾。如果持续降低压力，那么到某一个压力值，水在常温下20度左右就会沸腾。

水的沸点与压力（真空度）之间的关系如下表：

如果您有一台可以抽到99%真空的真空泵，用它连接一个透明的装有水的容器，您就可以看到水在常温下沸腾的现象。

真空下的体积膨胀

真空下的沸腾现象可以帮助我们除去水分，从这方面讲是好事，但同时，水沸腾后产生大量的水蒸汽体积会剧烈膨胀，并且真空度越高体积膨胀的越大，下面表格显示了1公斤水在不同真空度下对应的体积：

1公斤水在液态时的体积是1L，但是在20mbar（98%真空）时，其沸腾汽化后会产生67,000 L的水蒸气，膨胀了6.7万倍！由于真空泵在到达极限压力时抽速很小，以我们最常用的20 m3/h的真空泵为例，抽去这些水蒸汽可能需要长达好几个小时。

这在实际工艺中意味着什么？

如果您成型工艺的目标压力（绝对压力）是在对应温度下的汽化压力以下的话，就必须使真空泵持续工作，直到所有的水蒸汽都被抽走，这可能需要好几个小时，对于大的零件，有时候甚至需要抽上一整夜。

有些材料，比如中密度纤维板（MDF），有时候会被用来制作复合材料成型的模具，其含水量可达自身重量的7%，如此高的含水量，会造成抽气时间大大延长。

通过上面的描述，您可能会觉得只要所抽的压力在水的汽化压力之上就可以了，但还有一点需要考虑的是加热或者树脂放热造成的温升，如果温度升高到相应压力所对应的沸点温度之上，那么水的汽化就必然会发生，这就会造成最终产品的分层，特别是使用了没有在干燥环境中存放的材料时。

除了使抽气时间延长，水蒸汽被抽入真空泵压缩后会冷凝成水，这会造成真空泵泵油乳化，从而使泵油失去密封性和润滑性，造成抽真空能力下降和泵的异常磨损。安捷伦的真空泵通过下面两种方法可以尽可能的避免水蒸汽在泵内冷凝：

·真空泵本身设计的工作温度较高（70℃-110℃），在比较高的温度下水蒸气不容易冷凝。

·泵本身设计有避免水蒸汽冷凝的气镇阀。通过向泵内掺入干净空气以降低被抽气体中水蒸汽的分压力（浓度），使得真空泵排气时被抽气体中水蒸气的分压力低于相应温度下的冷凝压力。

与水蒸气类似，树脂中的溶剂在真空下时也会汽化变成蒸汽，甚至比水还要容易汽化，可以要求供应商提供相应的数据，或者通过把树脂放在透明的容器中抽真空来确定其汽化压力。一定要确保工艺压力在溶剂的汽化压力之上，否则，如果压力抽的太低，会造成溶剂汽化，最终制品多孔疏松。汽化的溶剂进入真空泵还会与泵油互溶，影响润滑性甚至造成真空泵的损坏。

一个典型的真空抽气系统的组成如下图：