復(fù)合材料在艦船領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，由于玻纖增強(qiáng)塑料的無(wú)磁性和較高的沖擊韌性，在抗震、防磁等方面能較好地滿足軍艦的使用要求。許多先進(jìn)艦船武器型號(hào)大量采用其制造外裝件、結(jié)構(gòu)件和功能件。目前國(guó)際上80％以上20m左右的艦船體都是應(yīng)用GFRP制造的。此外，各種復(fù)合材料還廣泛應(yīng)用于制造近海平臺(tái)的上層建筑及海洋工程結(jié)構(gòu)。

近年來(lái)．SCRIMP成型工藝在制造大型船舶部件領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。SCRIMP工藝是液體成型技術(shù)(LCM)的一種，該工藝為大型船舶制品的低成本制造提供了嶄新的思路和解決方法。

1、SCRI MP工藝及發(fā)展概況

SCRIMP成型技術(shù)(Seamann Composites ResinInfusion Mnufacturing Process)是一種新型的真空輔助注射技術(shù)(VART M)，是美國(guó)Seemann Comp．osites公司注冊(cè)的專利技術(shù)l1'2 J。根據(jù)促進(jìn)樹脂流動(dòng)的樹脂分配系統(tǒng)不同，分為滲透介質(zhì)型SCRIMP和溝槽型SCRIMP E 。滲透介質(zhì)型SCRIMP是在模具上鋪設(shè)樹脂滲透介質(zhì)和可浸透的薄膜剝離層來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種形式由于設(shè)計(jì)的靈活性和可成型形狀復(fù)雜制品而非常通用。但其缺點(diǎn)是：充模速度較低，加工材料如高滲透介質(zhì)、剝離層等材料不易回收，增加了制造成本；溝槽型SCRIMP是在低密度泡沫芯材上刻槽以加速樹脂流動(dòng)，使其成為最終制品的一部分，這種形式樹脂在溝槽中的充模速率較高，并減輕了部件重量、減少材料浪費(fèi)。

從目前船舶部件成型可選擇的技術(shù)來(lái)看，RTM這種閉模成型工藝一直為人們所廣泛關(guān)注，但針對(duì)小批量大型部件，因需要注射設(shè)備和復(fù)雜的對(duì)模(模具要承受樹脂的注入壓力)，并受到材料品種和性能限制，傳統(tǒng)的RTM工藝在價(jià)格上投有競(jìng)爭(zhēng)力。人們采用這種辦法，很難將制品的缺陷降低到一個(gè)可以接受的水平，而且難以成型大尺寸及厚壁制品。對(duì)于小批量大型部件，采用一種真空注入方法，即采用真空吸力作為推動(dòng)力使增強(qiáng)材料得到浸漬，其起源是40年代的Mareo法 J 經(jīng)過(guò)若干年的研究開發(fā)，真空注射工藝已成為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法，目前市場(chǎng)上可以找到多種工藝方法，如SCRIMP方法、快速鑄塑VARTM法(Quick Draw VARTM)、樹脂注入回流法(Resin Injection Recirculation Method)以及快速真空法(Prestovac Method)等，SCRIMP是其中最具代表性的一種。

SCRIMP工藝在80年代末開發(fā)出來(lái)，1990年最初獲得專利，但當(dāng)時(shí)公眾反應(yīng)平平，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)的商業(yè)利益。直至1996年SPI復(fù)合材料年會(huì)上得到人們的首肯，該工藝開發(fā)的鐵路車廂、海洋護(hù)欄獲得了開發(fā)優(yōu)秀獎(jiǎng)。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究機(jī)構(gòu)(NIST)提供了1350萬(wàn)美元支持SCRIMP閉模技術(shù)開發(fā)，由Hardcore DuPont Composites LL承擔(dān)，項(xiàng)目的目標(biāo)是經(jīng)濟(jì)有效地將先進(jìn)的復(fù)合材料制造技術(shù)從軍事領(lǐng)域轉(zhuǎn)向商業(yè)市場(chǎng)。目前，人們普遍認(rèn)為SCRIMP技術(shù)是復(fù)合材料行業(yè)打開民用基礎(chǔ)工程領(lǐng)域的一種非常有意義的嘗試。

2、SCRIMP工藝的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

SCRIMP工藝之所以得到長(zhǎng)足發(fā)展，是由于其無(wú)以倫比的綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)。該工藝方法靈活，真空袋壓法能夠成型的部件采用該工藝都可以成型。由于精心設(shè)置的樹脂分配系統(tǒng)，使樹脂膠液先迅速在長(zhǎng)度方向上充分流動(dòng)填充，然后在真空壓力下在厚度方向緩慢浸潤(rùn)，大大改善了浸漬效果，減少了缺陷發(fā)生，使模塑部件具備很好的一致性和重復(fù)性。與開模工藝相比較，從理論上講，該工藝一次成型制品的面積與其相近，面積甚至達(dá)到10～l00m2 、長(zhǎng)度20m的大型部件。目前制造制品面積可達(dá)到185m2 ，厚度為3～150mm，纖維含量(重量)達(dá)70～85％ ，孔隙率低于1％ ，樹脂浪費(fèi)率低于5％ ，節(jié)約勞動(dòng)成本50％以上，所以該工藝屬于一種低成本制造技術(shù)。該技術(shù)更適合于制造艦船用高品質(zhì)的大型構(gòu)件。制品具有耐海水腐蝕性好、抗沖擊性強(qiáng)和層間剪切強(qiáng)度優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。

3、原材料及輔助材料

3．1 樹脂體系

該工藝對(duì)樹脂體系的要求是粘度低、使用期長(zhǎng)、放熱峰適中。選用的樹脂品種不同，對(duì)制品的機(jī)械性能影響較大。樹脂的模量和破壞應(yīng)變也會(huì)引起復(fù)合材料性能的差異 �？刹捎玫臉渲�有不飽和聚酯、乙烯基樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等。DCPD改性的低苯乙烯樹脂應(yīng)用效果較好，可得到收縮率控制較好的制品。乙烯基樹脂由于較好的物理性能，一般應(yīng)用于海洋、建筑和交通領(lǐng)域。各種改性和混臺(tái)型乙烯基樹脂在該工藝中應(yīng)用良好。環(huán)氧樹脂最好不含稀釋劑，否則會(huì)對(duì)制品性能有影響，而不含稀釋劑的環(huán)氧樹脂，室溫下粘度較高，注人和固化時(shí)間較長(zhǎng)，一般通過(guò)提高環(huán)境溫度來(lái)提高效率。

3．2 增強(qiáng)材料

各種型式的增強(qiáng)材料，從短切原絲到織物，如無(wú)捻粗紗織物、加捻織物、斜紋布、雙向縫合織物等都可以應(yīng)用到該工藝中，應(yīng)用的織物面密度最大至87kg／m 。增強(qiáng)材料以于態(tài)按具體性能要求鋪放到模具中J。

3．3 真空袋膜

聚丙烯膜是最常用的真空袋膜，為提高其耐熱性需對(duì)其進(jìn)行改性(即共聚)，使其具有彈性和較高的可成型性、抗穿刺性，可以在形狀復(fù)雜的模具上拉伸，無(wú)折疊和褶皺，真空效率較高。這類薄膜也適用于預(yù)混料和濕法鋪放系統(tǒng)。

3．4 有孔脫模膜

它由改性聚丙烯制成，分硬膜和彈性膜二類。前者適用于平板或形狀不復(fù)雜的模具，后者適用于形狀復(fù)雜的模具。尺寸為lm x(200—400)m，延伸率為100～300％，可在120～125℃下使用，具有良好的機(jī)械性能和高溫性能，具有天然的自脫模性能。為使其能與吸膠織物或防護(hù)膜粘接，有時(shí)對(duì)其一面進(jìn)行處理。

3．5 膠粘帶

膠粘帶是一種丁基橡膠的真空袋密封劑，具有高彈性和膠接性，并有優(yōu)異的密封性能，可以消除開始鋪放真空袋時(shí)產(chǎn)生的密封缺陷，因此可提高真空效率。它適用于聚酯、乙烯基酯和環(huán)氧樹脂模塑系統(tǒng)。

3．6 樹脂滲透介質(zhì)

瑞典的Bofors公司用穿刺纖維布作為樹脂分散介質(zhì)。英國(guó)的Scott Bader樹脂公司和荷蘭的DSM樹脂公司用一種帶有網(wǎng)狀凸起的膜作為樹脂分配介質(zhì)。中空的螺線管和窗紗布也是較常用的滲透介質(zhì)。

4 、主要工藝參數(shù)的確定

盡管真空注射模塑雖然與RTM工藝相似，但由于聚合物柔性膜及流動(dòng)增強(qiáng)層的引人，直接應(yīng)用RTM知識(shí)存在一定困難。要熟練掌握該模塑工藝，需要徹底了解過(guò)程中各個(gè)工藝參數(shù)。

4．1 增強(qiáng)材料的壓實(shí)

RTM工藝千纖維的壓實(shí)壓力可高達(dá)1MPa，而SCRIMP的壓實(shí)壓力較低，需研究層數(shù)、鋪層順序和壓實(shí)速度變化時(shí)壓實(shí)特性。

從不同鋪層情況的試驗(yàn)結(jié)果可知，壓實(shí)壓力低時(shí)(≤0．1MPa)，壓實(shí)速度為2mm／min時(shí)，層數(shù)和鋪層順序?qū)�壓�?shí)特性基本無(wú)影響。但是對(duì)濕態(tài)增強(qiáng)材料，壓實(shí)特性受鋪層順序影響。在濕態(tài)條件下壓實(shí)壓力相同時(shí)，交叉鋪層方式可能會(huì)導(dǎo)致纖維體積分?jǐn)?shù)提高。但在保持體積分?jǐn)?shù)不變時(shí)，壓實(shí)壓力有所下降，這是纖維開始重新排列及少量纖維與模具接觸的結(jié)果。Pearce和Summerscales在模擬RIFT和RTM工藝進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)時(shí)，也證實(shí)了這一結(jié)果。按照作者的看法，為了達(dá)到規(guī)定的纖維含量，在RTM工藝中閉合模具時(shí)須采用逐步加載的方式，但對(duì)真空注入工藝，并不直接采用這種方法。為達(dá)到相同的結(jié)果，常采用一種替代方案，即在開始注入之前，盡可能長(zhǎng)時(shí)間抽真空，以減少注入過(guò)程發(fā)生的松馳。

4．2 滲透系數(shù)

滲透系數(shù)是描述增強(qiáng)材料工藝性能的參數(shù)，滲透系數(shù)k是多孔介質(zhì)特定性能，如孔隙率、纖維的形狀和定向、與液體接觸的表面積、孔隙的尺寸分布等的表征。在該工藝中滲透系數(shù)是的一個(gè)重要工藝參數(shù)。Gebart在他的研究工作中，測(cè)定了單向增強(qiáng)材料的滲流系數(shù)。Lundstrom和Gebrat對(duì)滲透系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法給予了詳細(xì)分析，很多模擬方案采用了Kazenv—carman模型來(lái)表達(dá)滲透系數(shù)。

在現(xiàn)有的模塑模型中，均假定纖維的體積分?jǐn)?shù)為常數(shù)。而對(duì)SCRIMP工藝，由真空袋的柔性特征，使?jié)B透系數(shù)測(cè)定更加困難，這是由于柔性真空袋能引起纖維體積分?jǐn)?shù)改變所致。因此，就不可能應(yīng)用現(xiàn)有的模型。由于流動(dòng)增強(qiáng)材料的存在增加了最終制品的厚度，影響了滲透系數(shù)，而增強(qiáng)材料層的浸潰主要在厚度方向上發(fā)生。

Kim等進(jìn)行了橫向流動(dòng)試驗(yàn)，他們?cè)黾永w維氈層數(shù)，結(jié)果降低了滲透系數(shù)。他們認(rèn)為這種現(xiàn)象是由于相鄰纖維氈界面的阻擋作用引起流體流動(dòng)路徑彎曲造成的。此外(Wul4)等發(fā)現(xiàn)鋪層順序不同也導(dǎo)致滲透系數(shù)的差異。按照他們的結(jié)果，鋪層順序影響滲透系數(shù)的可能有二種原因：①纖維增強(qiáng)材料鋪層順序不同，可能使其壓縮特性不同，因而使?jié)B透系統(tǒng)不同，這對(duì)充分浸潤(rùn)樹脂的增強(qiáng)材料是正確的；②在不同類型纖維氈之間存在一個(gè)界面，在界面層的流動(dòng)特性與其相鄰層是不同的。對(duì)于多層預(yù)成型材料，其有效滲透系數(shù)常用的模型是一個(gè)加權(quán)平均值方案。

4．3 注入方法

對(duì)真空注射，特別是對(duì)大型結(jié)構(gòu)的灌注，主要問(wèn)題是如何在最短的時(shí)間內(nèi)完成樹脂的灌注。通常有二種灌注方法，即點(diǎn)灌注和線灌注。注入方法不同會(huì)影響生產(chǎn)成本的預(yù)測(cè)。每種注入方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)，例如采用點(diǎn)灌注會(huì)出現(xiàn)滲漏，且要影響制品充模時(shí)間，但制品無(wú)需切邊加工。采用這種注射方法時(shí)間長(zhǎng)。線注射或邊注射，注射時(shí)間較短，要避免滲漏也并不容易，但排氣口不能直接定位，且最終制品要切邊，增加了制造成本。

Gebart等人評(píng)價(jià)了RTM的不同注入方法，按他們的結(jié)果，線／邊注入可以比點(diǎn)注入快10倍。用相同層數(shù)的氈進(jìn)行注入試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)直線灌注比點(diǎn)灌注快，用螺旋管作為分配槽更是如此(3)。例如灌注距離為20cm時(shí)，直線和點(diǎn)灌注時(shí)所需時(shí)間分別為1500s和3000s。線注射覆蓋的面積與分配槽和流道的長(zhǎng)度相關(guān)。

5、工程應(yīng)用實(shí)例

SCRIMP工藝在船舶和海洋基礎(chǔ)工程領(lǐng)域得到了很好的商業(yè)回報(bào)。SCRIMP的許可證由SCRIMPsv8tern LLC公司擁有，已有62家公司購(gòu)買了該工藝的專利使用權(quán)，其中約4o家持有者應(yīng)用該技術(shù)制造船體、甲板、風(fēng)機(jī)葉片、橋粱，以及其它民用和海洋基礎(chǔ)工程。其中，英國(guó)的VOSPER THORNYcROFT公司自1970年以來(lái)為英國(guó)皇家海軍制造了270艘復(fù)合材料掃雷艇，預(yù)計(jì)至2002年還要制造23—25艘。

最大的掃雷艇艇體總長(zhǎng)達(dá)52．5m，總重達(dá)470t。起初，該系列艇FRP部件約占總重量的30％，由于SCRIMP工藝的引入，F(xiàn)RP制品的比例有望達(dá)到35— 40％。該公司采用耐腐蝕的金屬／有機(jī)纖維織物，高括性的聚酯或乙烯基樹脂(樹脂粘度在100CPS左右)，中溫或室溫固化，制造結(jié)構(gòu)件的孔隙率達(dá)到1％左右，纖維含量(wt)達(dá)到5O一6o％l 。在艦船主艙面結(jié)構(gòu)模塑過(guò)程中，該公司采用10m×50m的真空袋、面密度8OO一600(1s／m 的玻纖織物，樹脂注入量為50kg／rain，一次成型板材總重2t，膠凝時(shí)間約為35min，樹脂利用率95％ 以上。vT公司應(yīng)用SCRIMP工藝開展的項(xiàng)目還涉及制造運(yùn)輸船、作業(yè)艇、救生艇船體和海洋港口工程結(jié)構(gòu)，如橋梁甲板、大型冷凍倉(cāng)等。vT公司還為Compton Marine及Westerlv等公司提供技術(shù)支持，用經(jīng)濟(jì)的SCRIMP技術(shù)替代原有的開模方法制造長(zhǎng)度14m游艇。以及開發(fā)新一代游艇系列。

瑞典海軍的輕型護(hù)衛(wèi)艦Visby(艦上有10．4m的梁)正在進(jìn)行海試。該艇長(zhǎng)73m，預(yù)計(jì)2004年服役。這是目前建造的最大的FRP夾芯結(jié)構(gòu)。艦上的部件如船體、甲板和上層建筑都是用SCRIMP法制造的該工藝確保了高纖維含量、優(yōu)異的制品性能、重量穩(wěn)定性和快速成型。PeieheU Pugh公司開發(fā)了Corum快速游艇(0D48系列)。游艇使用SPX7309環(huán)氧室溫固化注射樹脂，制造周期僅為30min。Ciba—Geig y公司采用Injectex織物／樹脂滲透介質(zhì)／低粘度環(huán)氧體系開發(fā)了艦船部件。

在海洋工程方面，Hardcore Composites Ltd．以及New CastIe，DE 公司開發(fā)了碼頭護(hù)欄項(xiàng)目。其目的是替代因海水腐蝕嚴(yán)重破損的金屬制品。FRP護(hù)欄比金屬輕、強(qiáng)度和剛度較好，并耐潮濕、耐鹽水腐蝕和紫外線，已將84個(gè)FRP護(hù)欄安裝到Buenos碼頭。該項(xiàng)目在1996年SPI上獲獎(jiǎng)。所用材料為Derakane411—350乙烯基樹脂(Dow化學(xué)公司)、E一玻纖以及Balsa芯材(Baltek公司)。產(chǎn)品的尺寸為2．1×4．9×0．2m，重量為1360kg。纖維含量為72％，壓縮強(qiáng)度358MPa，拉伸強(qiáng)度434MPa，彎曲強(qiáng)度661MPa。

目前，SCRIMP工藝的應(yīng)用領(lǐng)域從船舶甲板、巡邏艇、海洋護(hù)欄、樁材，到交通領(lǐng)域的卡車駕駛室、有軌電車保險(xiǎn)杠，以及電桿、風(fēng)機(jī)葉片、臨時(shí)性橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施。該工藝也可應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固和修復(fù)，以及探雷器等國(guó)防軍工領(lǐng)域，其中最大的制品仍是船體結(jié)構(gòu)，制造的動(dòng)力船只的長(zhǎng)度可達(dá)4—61m。

6、結(jié)束語(yǔ)

SCRIMP因其自身較低的有機(jī)物揮發(fā)量和清潔安全的工作環(huán)境，引起人們的廣泛關(guān)注。SCRIMP工藝作為“改進(jìn)的真空袋成型法”，或“有彈性袋的RTM”，已應(yīng)用于產(chǎn)品制造和開發(fā)，但對(duì)于這種工藝尚未進(jìn)行全面的研究，現(xiàn)有的很多技術(shù)是建立在經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，國(guó)際上對(duì)其工藝?yán)碚摰南到y(tǒng)研究正在進(jìn)行。然而，SCRIMP工藝在成型船舶和海洋工程上已顯示出巨大的優(yōu)越性。它適合制造大中型船舶的外裝件、結(jié)構(gòu)件及功能件。目前國(guó)際上批量生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用范例證實(shí)了這一點(diǎn)。

美國(guó)海軍確定SCRIMP的價(jià)值是制造未來(lái)型號(hào)戰(zhàn)艦的船體結(jié)構(gòu)。他們的結(jié)論是該工藝制造部件性能可與航空、宇航等領(lǐng)域廣泛采用的熱壓釜工藝相媲美。隨著SCRIMP技術(shù)從軍事應(yīng)用向民用工業(yè)的轉(zhuǎn)移，其主要應(yīng)用領(lǐng)域正在向建筑和汽車工業(yè)拓展，如大尺寸的屋面、建筑平臺(tái)等公用工程構(gòu)件。以Lotus公司為代表的汽車廠家已實(shí)現(xiàn)了該工藝的大規(guī)模生產(chǎn)，用于制造轎車車身、大型卡車車頂和面罩，豪華客車及公共汽車前臉和后尾，鋪路車及油礦車車身和駕駛室等部件。SCRIMP工藝將有較好的應(yīng)用前景。