基于飛機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)孔隙研究

羅鵬 殷躍洪 馮萬(wàn)喜 肖軍

摘要：本文概述了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)孔隙率的形成機(jī)理，探討了孔隙率與復(fù)合材料力學(xué)特性的內(nèi)在規(guī)律，闡述了孔隙率的檢測(cè)方法并提出了孔隙率的控制措施以及未來(lái)的研究方向。

關(guān)鍵詞：孔隙率;形成機(jī)理;力學(xué)特性;檢測(cè)方法

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2018}07-0155-02

先進(jìn)復(fù)合材料因具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特性使其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上被廣泛應(yīng)用，其占飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的比重不斷提高，從AirbusA380的22%到Boeing787的50%，再到A350的52%。但復(fù)合材料領(lǐng)域仍存在諸多問(wèn)題有待研究和解決，比如孔隙率。

不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)孔隙有著不同的定義，但本質(zhì)含義基本一致，即復(fù)合材料中內(nèi)部尺寸較小的孔洞（可能是空氣、揮發(fā)物或空穴），通常用單位體積所合孔隙的百分比來(lái)表示，也稱(chēng)為孔隙率?？紫兜木€性尺寸可能從幾微米到幾百微米不等，其跨度很大。在Boeing的規(guī)范中，一簇密集孔穴缺陷中只要最大的直徑小于6.35mm，該簇孔即被視為孔隙。

孔隙是復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部最常見(jiàn)且無(wú)法避免的缺陷。即使較小的孔隙也會(huì)對(duì)材料的性能產(chǎn)生不利影響，零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，最終危害飛行安全。為此對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件生產(chǎn)中孔隙的形成機(jī)理及與復(fù)合材料力學(xué)性能的內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行研究，進(jìn)而提出有效的孔隙率控制措施，這將具有重要的指導(dǎo)意義。

1 孔隙的形成機(jī)理

目前在航空制造領(lǐng)域內(nèi)，復(fù)合材料構(gòu)件的生產(chǎn)工藝主要是采用預(yù)浸料鋪貼后熱壓罐或固化爐成型及液體成型，但無(wú)論何種方式，固化過(guò)程中的孔隙均是無(wú)法避免的，通常存在層間界面處或纖維束之間。產(chǎn)生這一原因主要有以下幾點(diǎn)：

1）固化過(guò)程中樹(shù)脂與纖維浸潤(rùn)性較差，纖維不能完全被浸潤(rùn)，空氣難以擠壓排出，從而產(chǎn)生孔隙，這對(duì)于樹(shù)脂流動(dòng)性差或纖維密集的預(yù)浸料易于產(chǎn)生孔隙。該孔隙一般平行于纖維軸向，形狀為柱形，并且孔隙率較大。

2）在固化過(guò)程中復(fù)合材料產(chǎn)生的揮發(fā)性組份主要來(lái)源包括樹(shù)脂中或浸漬纖維用的有機(jī)溶劑;儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中吸收的水份;樹(shù)脂在成型過(guò)程中釋放的揮發(fā)物以及預(yù)浸料在鋪貼過(guò)程中裹入的氣泡。如果未采取適當(dāng)措施將揮發(fā)物或氣體排出，孔隙則會(huì)在層間聚集。該類(lèi)孔隙通常尺寸較小，形狀接近于圓形。

在玻璃纖維、環(huán)氧樹(shù)脂層壓板的固化過(guò)程中通過(guò)搭橋轉(zhuǎn)流引入空氣，隨空氣含量增多，孔隙率從0%增至8.8%，并發(fā)現(xiàn)在富脂區(qū)產(chǎn)生的孔隙最大。

3）成型工藝不合理，如固化壓力、固化溫度、鋪層厚度等因素均會(huì)不同程度的影響孔隙率的產(chǎn)生。

溫度對(duì)孔隙也有影響。當(dāng)溫度升高時(shí)，揮發(fā)組份的飽和蒸氣壓增大，揮發(fā)組份易于從樹(shù)脂中析出，使固化層板的孔隙率顯著增加。

鋪層厚度較小或較大時(shí)孔隙率均會(huì)增加，并且厚度大的試樣形成的孔隙缺陷比厚度小的試樣更為顯著。這主要是由于鋪層厚度小時(shí)，樹(shù)脂流速較快，纖維在短時(shí)間內(nèi)快速被壓實(shí)，導(dǎo)致樹(shù)脂間的壓力快速降低，壓力的壓潰作用受到抑制;當(dāng)鋪層厚度較大時(shí)，樹(shù)脂流速緩慢，樹(shù)脂流動(dòng)帶出氣泡的作用受到了抑制，從而使孔隙快速產(chǎn)生。

4）復(fù)合材料在固化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，會(huì)引起微裂紋的擴(kuò)展，空氣進(jìn)入其中間接引發(fā)孔隙的產(chǎn)生;另外在鋪貼過(guò)程中任何來(lái)自外界的污染如空氣中的灰塵、皮膚油脂等均會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生污染，這也是復(fù)合材料孔隙產(chǎn)生的重要原因之一。

2 孔隙率對(duì)復(fù)合材料材性能的影響

孔隙率的存在，通常會(huì)制約復(fù)材制件的內(nèi)部質(zhì)量。為了保證制件極限承載能力，結(jié)合強(qiáng)度、耐久性、制造成本及生產(chǎn)效率，制定了復(fù)合材料孔隙率允用值，見(jiàn)表1?？紫堵仕及俜直仁呛饬恐萍a(chǎn)品性能的定量指標(biāo)，為此孔隙率需在允用范圍值之內(nèi)，其復(fù)材構(gòu)件方可滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度的要求。獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)隨著孔隙率的增加，彎曲強(qiáng)度逐漸下降。當(dāng)孔隙率小于1%時(shí)，彎曲強(qiáng)度的保持率為90%左右，彎曲性能變化不大;當(dāng)孔隙率大于3%時(shí)，彎曲強(qiáng)度保持率大約只有75%，其下降趨于平緩。當(dāng)孔隙率超過(guò)一定的數(shù)值時(shí)，復(fù)合材料會(huì)因強(qiáng)度的急劇下降而失效。

研究發(fā)現(xiàn)隨孔隙率含量的增加，復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均降低，其中當(dāng)孔隙率升高至層間4%時(shí)，層間剪切強(qiáng)度降低了7%。隨孔隙率從1.6%到3.1%不斷增大，分層寬度變大，彎曲強(qiáng)度逐漸下降，并最終失效。其中失效點(diǎn)是在孔隙率最大的位置而非平均孔隙率含量最大點(diǎn)。

濕熱環(huán)境下孔隙對(duì)復(fù)合材料性能的影響，隨孔隙率增加，拉伸強(qiáng)度下降了6.5%、2.5%和1.2%，吸濕飽和后拉伸模量基本上無(wú)變化;吸濕飽和后壓縮強(qiáng)度下降了14.6%和20.5%;彎曲強(qiáng)度下降了13.3%和18.7%;層間剪切強(qiáng)度下降了19.7%、27.4%和35.2%。濕熱環(huán)境和孔隙率對(duì)碳纖維/環(huán)氧層壓板層間剪切強(qiáng)度影響最為嚴(yán)重，其次是壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，對(duì)拉伸性能影響較小。

3 孔隙率的檢測(cè)方法

孔隙是評(píng)價(jià)復(fù)合材料的重要指標(biāo)，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)孔隙率的檢測(cè)方法研究較多，主要為破壞性檢測(cè)方法和無(wú)損檢測(cè)方法。具體分為五類(lèi)。

3.1 密度測(cè)量法

復(fù)材結(jié)構(gòu)密度通常會(huì)因孔隙率的存在而發(fā)生變化，為此可根據(jù)纖維密度、樹(shù)脂密度、纖維和樹(shù)脂的重量百分?jǐn)?shù)計(jì)算出復(fù)合材料的體積孔隙率。

式中P_v為孔隙率，G_f為纖維重量百分?jǐn)?shù)，G_R為樹(shù)脂重量百分?jǐn)?shù)，ρ_v為纖維密度，ρ_R為樹(shù)脂密度。

該方法雖然操作簡(jiǎn)便，但由于對(duì)纖維密度、樹(shù)脂密度以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù)較為敏感，導(dǎo)致孔隙率測(cè)量誤差較大，精度較低，通常作為輔助測(cè)量方法。

3.2 超聲波檢測(cè)法

超聲波檢測(cè)是目前復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中最常用的檢測(cè)方法，對(duì)于分層、脫膠、孔隙及孔洞等缺陷均可檢測(cè)。其原理是當(dāng)超聲波信號(hào)在檢測(cè)不同種類(lèi)的缺陷時(shí)，超聲波衰減程度不一。孔隙率對(duì)超聲波的影響因素主要有聲速衰減、底波衰減、非線性參數(shù)的影響，其主要研究以底波衰減法為主。通常為建立孔隙率與超聲檢測(cè)信號(hào)衰減率（值）的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用系列性標(biāo)準(zhǔn)塊作為最終檢驗(yàn)的設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，從而確定孔隙率的判定準(zhǔn)則。

中國(guó)商飛的C919為獲得復(fù)合材料孔隙率定量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，采用碳纖維復(fù)合材料制造不同厚度、不同孔隙率階梯的標(biāo)準(zhǔn)試塊，通過(guò)采集超聲底波衰減信號(hào)，建立了評(píng)估曲線。該方法目前也用于中航通飛的AG300飛機(jī)關(guān)重件孔隙率的檢測(cè)，并獲得了適航當(dāng)局的認(rèn)可。

3.3 顯微照相法

顯微照相法是孔隙率測(cè)定的最直觀方法，該方法為破壞性試驗(yàn)，需對(duì)缺陷位置進(jìn)行切割并對(duì)斷口處進(jìn)行拋光，再置于光學(xué)顯微下即可清晰觀察孔隙的形狀及尺寸。通常結(jié)合顯微標(biāo)尺測(cè)定、放大方格計(jì)數(shù)和圖像分析等方法來(lái)測(cè)定孔隙面積。但試驗(yàn)證實(shí)除了放大倍數(shù)提高更小的孔隙會(huì)被觀測(cè)到以外，某些基體變體，如韌化粒子可能會(huì)與孔隙混淆，在采用100～400倍放大倍數(shù)進(jìn)行觀測(cè)計(jì)算時(shí)，檢測(cè)得到孔隙率可能相差10倍以上，因此推薦采用的數(shù)值不要太大（如100倍）且能良好地包絡(luò)被觀測(cè)厚度的放大倍數(shù)。

該方法通常需要先利用超聲衰減系數(shù)檢測(cè)孔隙率的位置及分布，進(jìn)而對(duì)缺陷位置進(jìn)行顯微觀察其尺寸和形貌，為此顯微照相法通常與超聲檢測(cè)共同使用。

3.4 吸水測(cè)量法

吸水測(cè)量法是將復(fù)合材料與樹(shù)脂分別浸漬水中300h取出稱(chēng)其重量，通過(guò)計(jì)算二者之間的差值與樹(shù)脂含量的百分比從而得出復(fù)合材料的體孔隙率，具體計(jì)算如下：

式中V_v為復(fù)合材料孔隙率，W_ce為復(fù)合材料吸水量，W_t為樹(shù)脂吸水量，ρ_w為水密度，V_c為復(fù)合材料體積。

該方法由于操作繁瑣，并且測(cè)量精度較低，限制了其在復(fù)合材料孔隙率檢測(cè)方面的廣泛應(yīng)用。

3.5 其他方法

肖鵬提出一種基于CT顯微技術(shù)圖像閾值分割處理可清晰分辨材料的內(nèi)部孔隙的測(cè)量新方法，為了測(cè)量值越接近材料內(nèi)部真實(shí)的體孔隙率，在測(cè)量過(guò)程中選用的試樣體積越大。劉志真等超聲C掃描結(jié)合激光掃描共焦顯微鏡（LSCM）的方法，該方法既可分析孔隙長(zhǎng)度和寬度的二維缺陷尺寸，還可對(duì)缺陷的深度進(jìn)行定量分析，這使得試樣在不需要噴涂的情況下即可觀察出孔隙的三維形貌。

4 結(jié)語(yǔ)

目前為止雖然對(duì)孔隙率經(jīng)過(guò)大量的研究，但該問(wèn)題并未得到實(shí)質(zhì)性解決，為此對(duì)孔隙率的研究依然尤為重要。未來(lái)研究方向?qū)脑牧?、工藝角度、操作層面以及檢測(cè)四個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。（1）嚴(yán)格按照材料規(guī)定進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸，減少水分蒸發(fā)成核，避免材料吸收過(guò)多水份;（2）避免組份受熱揮發(fā)而內(nèi)部形核產(chǎn)生孔隙。針對(duì)不同材料選擇合理的固化曲線（如適當(dāng)增加固化壓力），并做到不超時(shí)、不超溫，嚴(yán)格按照工藝曲線進(jìn)行固化;（3）通過(guò)操作過(guò)程中的控制減少預(yù)浸料層合板鋪貼過(guò)程中對(duì)空氣的機(jī)械夾雜或氣泡。對(duì)于機(jī)械夾雜，應(yīng)從控制清潔度著手。對(duì)于氣泡，應(yīng)采取合理方式鋪貼，物理按壓、滾壓或每鋪3～5層抽真空等方式排除氣泡;（4）選擇合理的檢測(cè)方法，以減少對(duì)孔隙率的測(cè)量誤差。

參考文獻(xiàn)

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