摘要
本文制备并评价了一种低成本真空辅助树脂灌注（VARI）成型工艺用的环氧树脂体系（V601）及其复合材料。本文通过DSC曲线、流变曲线、力学测试对该树脂基体及其复合材料进行评价。结果表明：V601环氧树脂体系可以在120 ℃/2 h固化制度下完全固化；树脂的工艺适用期长（黏度≤500 mPa·s，225 min）；树脂固化物的拉伸强度77.7 MPa，拉伸模量3.25 GPa，弯曲强度137.7 MPa，弯曲模量3.37 GPa。通过VARI方法制备的SW280F/V601复合材料的纤维体积含量为67.7 %，纵向拉伸强度为626 MPa，纵向拉伸模量为25.8 GPa，纵向弯曲强度为727.4 MPa，纵向弯曲模量为11.7 GPa。结果说明了V601树脂体系具有良好的VARI成型工艺适用性，制备的复合材料也具有较高的力学性能。
先进复合材料广泛应用于航空航天器结构件，与铝合金相比重量可减轻10%～25%。随着复合材料用量的急剧增加，其制造的高成本问题变得日益突出。传统的预浸料-热压罐工艺采用下料、人工铺贴、预压实、热压罐固化的方式进行预浸料成型体的制备，存在时间长、预浸料和热压罐成本高、工艺过程、产品尺寸精度不易控制（需后加工）等问题。因此，复合材料的高效率、低成本制造已成为全球复合材料研究领域的核心问
真空灌注（VARI）成型工艺不采用预浸料，抽真空使液态树脂渗入预制体，使用烘箱固化，生产效率高、能耗低；使用单面开放模具，成型模具简单，与模具型面相贴的制件表面有极好的光洁度；成型温度低，可大幅降低复合材料热压罐固化和后加工的成本和时间，尤其适用于大型、简单结构的复合材料成
基于环氧树脂基复合材料因其高的比刚度和比强度特性以及出色的耐温性和耐化学性而广泛用于航空航天应用。但是，环氧树脂作为热固性树脂，高度交联的网络使其具有一定的脆性。因此环氧树脂体系在研究制备时，需要关注其综合力学性
本文制备一种低成本、低黏度、中温固化的V601环氧树脂体系，并通过VARI成型工艺制备玻璃布（SW280F）增强V601复合材料，测试验证V601树脂体系对VARI成型具有良好的工艺适用性及其较高的韧性及综合力学性能。
自制V601环氧树脂，航天材料及工艺研究所。其主要组成为双酚F型环氧树脂、胺类固化剂、促进剂。该体系原材料总成本在40~50元/kg。
复合材料使用SW280F玻璃布，中材科技股份有限公司。
按照制定的配方比例混配中温固化环氧树脂体系V601，在真空下脱泡≥30 min至无明显气泡，浇铸拉伸试样和弯曲试样后，按照120 ℃/2 h的工艺进行固化，打磨至标准厚度和宽度，进行拉伸测试和弯曲测试。
裁剪400 mm×600 mm的SW280F玻璃布8块，真空铺覆在平板模具上，包覆后抽真空，真空度≤-0.097 MPa。在室温条件下灌注V601树脂，灌注完成后按照树脂体系固化制度进行固化，得到SW280F/V601复合材料层合板，并加工成标准拉伸试样和弯曲试样进行测试。
按比例制备V601树脂体系，利用DVIIT旋转黏度计测试其在室温下黏度随时间的变化，将黏度随时间变化的数据作图，如
图1 室温下V601树脂黏度随时间的变化曲线
Fig.1 V601 resin viscosity change curve with time at room temperature
得到V601树脂体系在室温下（26 ℃）具有较低的初始黏度为344 mPa·s，经过131 min后树脂黏度达到400 mPa·s，经过225 min后，该体系黏度达到500 mPa·s，说明该树脂体系具有较长的工艺适用期，完全能够满足大型结构件在室温下的VARI灌注时间。
分别用5，10，15，20 ℃/min的速率扫描V601树脂体系，通过DSC动态扫描得到该树脂体系的固化反应放热曲线，如
图3 V601树脂体系的动态DSC扫描曲线
Fig. 3 Dynamic DSC curve of V601 resin system
图4 V601树脂体系固化反应温度的外推曲线
Fig. 4 Extrapolation curve of curing reaction temperature of V601 resin system
结合
如
图5 V601树脂体系在120 ℃下的等温DSC曲线
Fig.5 Isothermal DSC curve of V601 resin system at 120 ℃
图6 V601树脂体系120 ℃/2h固化后的DSC曲线
Fig.6 Dynamic DSC curve of V601 resin system after curing
按照确定的固化制度固化V601树脂浇铸体，并测试其拉伸性能和弯曲性能，结果如
| 树脂体系 | 拉伸强度/MPa | 拉伸模量/GPa | 断裂伸长率/% | 弯曲强度/MPa | 弯曲模量/GPa |
|---|---|---|---|---|---|
| V601 | 77.7 | 3.25 | 7.36 | 137.7 | 3.37 |
从测试结果看出，该体系能够在中低温120 ℃下完成固化，且固化物拉伸强度达到77.7 MPa，拉伸模量3.25 GPa，断裂伸长率7.36%，说明该体系具有较高的拉伸强度和拉伸模量，同时还具有良好的韧性。固化物的弯曲强度达到137.7 MPa，弯曲模量3.37 GPa，综合来看，V601树脂体系的力学性能可媲美一般预浸料用树脂基体的力学性能，能够满足环氧树脂在复合材料中的基本应用需求。
将8层玻璃布SW280F铺覆在平板模具上，室温下灌注混配好并抽真空的V601树脂，通过VARI成型工艺验证V601树脂体系的工艺性及力学性能。SW280F增强V601复合材料VARI成型工艺过程如
图7 SW280F增强V601树脂基复合材料VARI成型工艺过程
Fig.7 SW280F reinforced V601 resin matrix composite for VARI molding process
如
对上述制备的SW280F/V601复合材料的力学性能进行测试，结果如
复合材料 （树脂含量32.3%） | 经向拉伸强度/MPa | 离散度/% | 经向拉伸模量/GPa | 离散度/% | 纬向拉伸强度/MPa | 离散度/% | 纬向拉伸模量/GPa | 离散度/% | 经向弯曲强度/MPa | 离散度/% | 经向弯曲模量/GPa | 离散度/% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SW280F/V601 | 626 | 3.6 | 25.8 | 2.9 | 578 | 4.1 | 27.7 | 2.7 | 727.4 | 6.1 | 11.7 | 2.7 |
|
复合材料 （树脂含量32.3%） | 纬向弯曲强度/MPa | 离散度/% | 纬向弯曲模量/GPa | 离散度/% | 经向压缩强度/MPa | 离散度/% | 经向压缩模量/GPa | 离散度/% | 纬向压缩强度/MPa | 离散度/% | 纬向压缩模量/GPa | 离散度/% |
| SW280F/V601 | 658.1 | 4.8 | 10.4 | 3.1 | 425 | 2.7 | 28.7 | 4.7 | 397 | 3.6 | 27.0 | 2.4 |
如
本文制备并评价了一种低成本VARI成型工艺用的环氧树脂体系（V601）及其复合材料。结果表明，V601环氧树脂体系在VARI成型工艺下的适用期长（黏度≤500 mPa·s，225 min）；树脂固化物具有较好的力学性能：拉伸强度77.7 MPa，拉伸模量3.25 GPa，弯曲强度137.7 MPa，弯曲模量3.37 GPa。通过VARI方法制备的SW280F/V601复合材料的纤维体积含量为67.7 %，且具有较好的力学性能：纵向拉伸强度为626 MPa，纵向拉伸模量为25.8 GPa，纵向弯曲强度为727.4 MPa，纵向弯曲模量为11.7 GPa。
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