随着先进树脂基复合材料在航空领域用量的不断增加,目前广泛采用的预浸料/热压罐工艺自身存在的问题也不断暴露出来,一是较难实现一步化的整体成型;二是预浸料制备、贮存和运输成本高,三是热压罐成型手动铺层效率低,自动铺层难以覆盖形状较为复杂结构。真空辅助成型(vacuum assisted resin infusion,简称VARI)工艺是一种典型的低成本液体成型工艺,具有一些其他工艺无法比拟的优点,既可一步浸润成型带有夹芯、加筋、预埋件等的大型复杂构件,又可按结构要求定向铺放纤维,设备和工艺成本不高。但是,真空辅助成型(VARI)由于成型压力低,不足以使得纤维织物达到理想的密实状态,导致制品孔隙和缺陷含量高、厚度和纤维体积含量的不均匀、纤维体积含量低,最终其力学性能不能满足航空复合材料的要求,严重制约着VARI工艺技术在航空结构上的应用。本文针对VARI工艺成型过程中遇到的纤维体积含量低,力学性能差的问题,设计出新型的热压罐/VARI组合工艺方案。本课题的主要研究内容与结果包括以下几个方面:(1)参照国内外研究现状,综合分析热压罐工艺和VARI成型工艺的优缺点,设计出了新的热压罐/VARI组合工艺的成型系统。所设计的这一组合工艺添加了一个特制的耐高温高压树脂收集器,无需改造热压罐,成本较低、风险较小,且满足在热压罐内的成型要求。(2)采用本文设计的热压罐/vari组合工艺制备了碳纤维复合材料的试样,并与同样材料体系、同样铺层的vari成型试样的厚度、纤维体积分数和力学性能等进行了对比分析。结果表明,组合工艺试样,要比vari工艺试样具有更小的厚度以及更高的纤维体积分数。采用vari工艺成型复合材料的纤维体积含量为55%左右,而采用热压罐/vari组合工艺制备复合材料的纤维体积分数最高可以达到65%左右,接近于预浸料/热压罐工艺;组合工艺试样要比vari工艺试样具有更好的力学性能、更少的孔隙和树脂富集区域、更密集的纤维排列以及更加优异的层间结合。(3)针对热压罐/vari组合工艺,考察了树脂固化前的保压压力对试样的厚度、纤维体积分数和力学性能等其他方面的影响。结果表明,在保压时间恒定的情况下(20min),压力越大,碳纤维之间排列程度越致密,试样的厚度、富树脂区域以及孔隙含量越小,纤维体积分数和模量越大。当保压压力到达200kpa左右之后,试样性能变化趋势趋于平缓,最终的纤维体积分数可以达到65%左右。随着保压压力的增加,±45°面内剪切强度变化很小,90°拉伸强度有逐渐升高的趋势,但趋势并不明显,试样的短梁剪切强度随保压压力的增加呈现先增大后减小最后趋于平缓的趋势,0°拉伸强度并无明显的规律性。(4)针对热压罐/VARI组合工艺,考察了不同保压时间对试样的厚度、纤维体积分数以及其力学性能的影响。结果表明,在保压压力恒定的情况下(300KPa),保压时间越长,碳纤维之间排列越致密,试样的厚度、富树脂区以及孔隙含量减小,纤维体积分数和模量越大。当保压时间达到20min左右之后,厚度的减小以及纤维体积分数和的提高趋于平缓。随着保压时间的延长,±45°拉伸面内剪切强度几乎不变,90°拉伸强度随着保压时间的延长有逐渐升高的趋势,试样的短梁剪切强度随保压时间的延长逐渐减小,最后趋于平缓,0°拉伸强度呈现先减小后增大的趋势。