基于飞机设计的复合材料结构孔隙研究

罗鹏 殷跃洪 冯万喜 肖军

摘要：本文概述了复合材料结构孔隙率的形成机理，探讨了孔隙率与复合材料力学特性的内在规律，阐述了孔隙率的检测方法并提出了孔隙率的控制措施以及未来的研究方向。

关键词：孔隙率;形成机理;力学特性;检测方法

中国分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2018}07-0155-02

先进复合材料因具有轻质高强的特性使其在飞机结构上被广泛应用，其占飞机机体结构重量的比重不断提高，从AirbusA380的22%到Boeing787的50%，再到A350的52%。但复合材料领域仍存在诸多问题有待研究和解决，比如孔隙率。

不同标准对孔隙有着不同的定义，但本质含义基本一致，即复合材料中内部尺寸较小的孔洞（可能是空气、挥发物或空穴），通常用单位体积所合孔隙的百分比来表示，也称为孔隙率。孔隙的线性尺寸可能从几微米到几百微米不等，其跨度很大。在Boeing的规范中，一簇密集孔穴缺陷中只要最大的直径小于6.35mm，该簇孔即被视为孔隙。

孔隙是复合材料构件内部最常见且无法避免的缺陷。即使较小的孔隙也会对材料的性能产生不利影响，零件结构强度降低，最终危害飞行安全。为此对复合材料构件生产中孔隙的形成机理及与复合材料力学性能的内在关系进行研究，进而提出有效的孔隙率控制措施，这将具有重要的指导意义。

1 孔隙的形成机理

目前在航空制造领域内，复合材料构件的生产工艺主要是采用预浸料铺贴后热压罐或固化炉成型及液体成型，但无论何种方式，固化过程中的孔隙均是无法避免的，通常存在层间界面处或纤维束之间。产生这一原因主要有以下几点：

1）固化过程中树脂与纤维浸润性较差，纤维不能完全被浸润，空气难以挤压排出，从而产生孔隙，这对于树脂流动性差或纤维密集的预浸料易于产生孔隙。该孔隙一般平行于纤维轴向，形状为柱形，并且孔隙率较大。

2）在固化过程中复合材料产生的挥发性组份主要来源包括树脂中或浸渍纤维用的有机溶剂;储存和运输过程中吸收的水份;树脂在成型过程中释放的挥发物以及预浸料在铺贴过程中裹入的气泡。如果未采取适当措施将挥发物或气体排出，孔隙则会在层间聚集。该类孔隙通常尺寸较小，形状接近于圆形。

在玻璃纤维、环氧树脂层压板的固化过程中通过搭桥转流引入空气，随空气含量增多，孔隙率从0%增至8.8%，并发现在富脂区产生的孔隙最大。

3）成型工藝不合理，如固化压力、固化温度、铺层厚度等因素均会不同程度的影响孔隙率的产生。

温度对孔隙也有影响。当温度升高时，挥发组份的饱和蒸气压增大，挥发组份易于从树脂中析出，使固化层板的孔隙率显著增加。

铺层厚度较小或较大时孔隙率均会增加，并且厚度大的试样形成的孔隙缺陷比厚度小的试样更为显著。这主要是由于铺层厚度小时，树脂流速较快，纤维在短时间内快速被压实，导致树脂间的压力快速降低，压力的压溃作用受到抑制;当铺层厚度较大时，树脂流速缓慢，树脂流动带出气泡的作用受到了抑制，从而使孔隙快速产生。

4）复合材料在固化过程中会产生内应力，会引起微裂纹的扩展，空气进入其中间接引发孔隙的产生;另外在铺贴过程中任何来自外界的污染如空气中的灰尘、皮肤油脂等均会对材料产生污染，这也是复合材料孔隙产生的重要原因之一。

2 孔隙率对复合材料材性能的影响

孔隙率的存在，通常会制约复材制件的内部质量。为了保证制件极限承载能力，结合强度、耐久性、制造成本及生产效率，制定了复合材料孔隙率允用值，见表1。孔隙率所占百分比是衡量制件产品性能的定量指标，为此孔隙率需在允用范围值之内，其复材构件方可满足结构设计和强度的要求。献报导随着孔隙率的增加，弯曲强度逐渐下降。当孔隙率小于1%时，弯曲强度的保持率为90%左右，弯曲性能变化不大;当孔隙率大于3%时，弯曲强度保持率大约只有75%，其下降趋于平缓。当孔隙率超过一定的数值时，复合材料会因强度的急剧下降而失效。

研究发现随孔隙率含量的增加，复合材料的剪切强度、弯曲强度、压缩强度和拉伸强度均降低，其中当孔隙率升高至层间4%时，层间剪切强度降低了7%。随孔隙率从1.6%到3.1%不断增大，分层宽度变大，弯曲强度逐渐下降，并最终失效。其中失效点是在孔隙率最大的位置而非平均孔隙率含量最大点。

湿热环境下孔隙对复合材料性能的影响，随孔隙率增加，拉伸强度下降了6.5%、2.5%和1.2%，吸湿饱和后拉伸模量基本上无变化;吸湿饱和后压缩强度下降了14.6%和20.5%;弯曲强度下降了13.3%和18.7%;层间剪切强度下降了19.7%、27.4%和35.2%。湿热环境和孔隙率对碳纤维/环氧层压板层间剪切强度影响最为严重，其次是压缩强度和弯曲强度，对拉伸性能影响较小。

3 孔隙率的检测方法

孔隙是评价复合材料的重要指标，因此国内外对孔隙率的检测方法研究较多，主要为破坏性检测方法和无损检测方法。具体分为五类。

3.1 密度测量法

复材结构密度通常会因孔隙率的存在而发生变化，为此可根据纤维密度、树脂密度、纤维和树脂的重量百分数计算出复合材料的体积孔隙率。

式中P_v为孔隙率，G_f为纤维重量百分数，G_R为树脂重量百分数，ρ_v为纤维密度，ρ_R为树脂密度。

该方法虽然操作简便，但由于对纤维密度、树脂密度以及质量分数等参数较为敏感，导致孔隙率测量误差较大，精度较低，通常作为辅助测量方法。

3.2 超声波检测法

超声波检测是目前复合材料结构中最常用的检测方法，对于分层、脱胶、孔隙及孔洞等缺陷均可检测。其原理是当超声波信号在检测不同种类的缺陷时，超声波衰减程度不一。孔隙率对超声波的影响因素主要有声速衰减、底波衰减、非线性参数的影响，其主要研究以底波衰减法为主。通常为建立孔隙率与超声检测信号衰减率（值）的对应关系，采用系列性标准块作为最终检验的设备进行标定，从而确定孔隙率的判定准则。

中国商飞的C919为获得复合材料孔隙率定量检测标准，采用碳纤维复合材料制造不同厚度、不同孔隙率阶梯的标准试块，通過采集超声底波衰减信号，建立了评估曲线。该方法目前也用于中航通飞的AG300飞机关重件孔隙率的检测，并获得了适航当局的认可。

3.3 显微照相法

显微照相法是孔隙率测定的最直观方法，该方法为破坏性试验，需对缺陷位置进行切割并对断口处进行抛光，再置于光学显微下即可清晰观察孔隙的形状及尺寸。通常结合显微标尺测定、放大方格计数和图像分析等方法来测定孔隙面积。但试验证实除了放大倍数提高更小的孔隙会被观测到以外，某些基体变体，如韧化粒子可能会与孔隙混淆，在采用100～400倍放大倍数进行观测计算时，检测得到孔隙率可能相差10倍以上，因此推荐采用的数值不要太大（如100倍）且能良好地包络被观测厚度的放大倍数。

该方法通常需要先利用超声衰减系数检测孔隙率的位置及分布，进而对缺陷位置进行显微观察其尺寸和形貌，为此显微照相法通常与超声检测共同使用。

3.4 吸水测量法

吸水测量法是将复合材料与树脂分别浸渍水中300h取出称其重量，通过计算二者之间的差值与树脂含量的百分比从而得出复合材料的体孔隙率，具体计算如下：

式中V_v为复合材料孔隙率，W_ce为复合材料吸水量，W_t为树脂吸水量，ρ_w为水密度，V_c为复合材料体积。

该方法由于操作繁琐，并且测量精度较低，限制了其在复合材料孔隙率检测方面的广泛应用。

3.5 其他方法

肖鹏提出一种基于CT显微技术图像阈值分割处理可清晰分辨材料的内部孔隙的测量新方法，为了测量值越接近材料内部真实的体孔隙率，在测量过程中选用的试样体积越大。刘志真等超声C扫描结合激光扫描共焦显微镜（LSCM）的方法，该方法既可分析孔隙长度和宽度的二维缺陷尺寸，还可对缺陷的深度进行定量分析，这使得试样在不需要喷涂的情况下即可观察出孔隙的三维形貌。

4 结语

目前为止虽然对孔隙率经过大量的研究，但该问题并未得到实质性解决，为此对孔隙率的研究依然尤为重要。未来研究方向将从原材料、工艺角度、操作层面以及检测四个方面进行改进。（1）严格按照材料规定进行储存和运输，减少水分蒸发成核，避免材料吸收过多水份;（2）避免组份受热挥发而内部形核产生孔隙。针对不同材料选择合理的固化曲线（如适当增加固化压力），并做到不超时、不超温，严格按照工艺曲线进行固化;（3）通过操作过程中的控制减少预浸料层合板铺贴过程中对空气的机械夹杂或气泡。对于机械夹杂，应从控制清洁度着手。对于气泡，应采取合理方式铺贴，物理按压、滚压或每铺3～5层抽真空等方式排除气泡;（4）选择合理的检测方法，以减少对孔隙率的测量误差。

参考文献

[1]王雪明，谢富原，李敏，等，热压罐成型复合材料复杂结构对制造缺陷的影响规律[J].航空学报，2009，30（4）：757-762.

[2]荀国立，邱启艳，史俊伟，等，热压罐固化环氧基复合材料孔隙形成研究[J]，航空制造技术，2014，459 （15）：110-111.