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01
引言
機體結(jié)構(gòu)主要采用高性能復合材料的新型民機B787 引 領(lǐng)了復合材料在民機結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的飛躍式發(fā)展和航 空結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用變革，其復材用量重量占比接近50%；其競爭機型A350 復材用量更高，達到52%；波音至近聲明B777 的改進型B777X 的機身結(jié)構(gòu)和此前宣布的機翼結(jié)構(gòu)同樣將采用復合材料；中 俄即將聯(lián)合研制的寬體客機中結(jié)構(gòu)材料用量也將達同等水平。

由此可見，航 空界已對復合材料在降低結(jié)構(gòu)重量、油耗與排放、全壽命周期成本上達成共識。

航 空復材結(jié)構(gòu)的飛躍式發(fā)展是以材料進步、工藝發(fā)展、評價體系逐步成熟和大尺寸產(chǎn)品制造問題解決等為基礎(chǔ)的，即便如此，復合材料領(lǐng)域還有諸多問題有待繼續(xù)研究和解決，孔隙率便是其中之一。

對于孔隙，不同的手冊、標準和規(guī)范給出了不同的定義，但其本質(zhì)含義基本統(tǒng)一，即復合材料內(nèi)部的、幾何尺寸很小的、多點分布的孔洞（可能是空氣、揮發(fā)物或空穴）。

孔隙是復合材料結(jié)構(gòu)中常見缺 陷的一種，通常用其體積占材料總體積的百分比來表征，也即孔隙率。

孔隙的尺寸跨度很大，線性尺寸可能從幾個微米到幾百個微米不等，在波音公司的規(guī)范中，甚至認為一簇密集孔穴缺 陷中只要至 大的直徑小于6.35mm，該簇孔穴即被視為孔隙。
02
孔隙產(chǎn)生的原因及其影響
目前航 空工業(yè)領(lǐng)域，復合材料結(jié)構(gòu)主要采用預浸料-熱壓罐固化工藝或液體成型工藝，雖然工藝形式和參數(shù)各不相同，但本質(zhì)過程都是樹脂基體與纖維增強材料之間的復合及樹脂固化的過程，因此孔隙總存在于基體、樹脂纖維界面或?qū)娱g，典型的孔隙形貌如圖1、2 所示。

（圖1 典型復合材料層壓板內(nèi)部孔隙）

（圖2 R 區(qū)典型內(nèi)部孔隙）
孔隙的產(chǎn)生有多種誘因，且可能源于原材料、鋪貼或固化過程中的各個環(huán)節(jié)。

預浸料制備過程中樹脂與纖維的浸潤可能是不完全的，特別是固定單向纖維的緯線或織物中經(jīng)緯纖維搭接位置難以完全浸潤，固化后則形成孔隙。采用單向帶和織物預浸料鋪貼時空氣會裹入層間，若抽真空和加壓過程中空氣不能排出，孔隙則在層間聚 集。

對于液體成型工藝，孔隙和“干區(qū)”同樣是常見的制造缺 陷，而此類缺 陷的程度取決于時間-溫度曲線、真空度、壓力、流量、樹脂粘度、樹脂成分等因素和參數(shù)，樹脂流動和浸潤不充分將導致孔隙和貧膠缺 陷的發(fā)生。

目前航 空主結(jié)構(gòu)材料上常用的是高溫熱固性樹脂體系，如177℃固化的環(huán)氧樹脂，其很容易變質(zhì)，對存儲條件、存儲期限和操作時間有嚴格限 制，用超期或變質(zhì)預浸料所生產(chǎn)的層壓板，因樹脂的流動性較差或部分質(zhì)變引起的不 良固化，其孔隙率可能會很高。

另外熱固性樹脂在固化反應(yīng)過程中會產(chǎn)生揮發(fā)物，需要施加真空或固化壓力予以排除，但樹脂一旦凝固，留存其中的揮發(fā)物將無法排出，孔隙隨之產(chǎn)生。同時水分是一種易被纖維、基體、預浸料甚至輔助材料吸附的物質(zhì)，從原材料到后續(xù)的下料或鋪設(shè)過程表面都會吸附空氣中的水分，而若這些水分在固化過程中的蒸汽壓小于樹脂壓力不能排出而引發(fā)孔隙。

固化壓力是影響孔隙率的重要工藝參數(shù)。固化過程中加壓可以排出裹入的空氣（結(jié)合真空輔助），壓縮留存的空氣或揮發(fā)物的體積，高壓力甚至可以將空氣、水汽及揮發(fā)物溶解在液態(tài)樹脂中，壓力不足會截留固化過程中所產(chǎn)生的揮發(fā)物或水蒸氣而導致固化后的復合材料孔隙率偏高。

在模具的閉角處或結(jié)構(gòu)厚度變化處（如丟層），常因纖維架橋而出現(xiàn)局部壓力無法傳遞或不均勻，內(nèi)部樹脂壓力較低甚至接近于零，氣體或水氣隨之聚 集，孔隙（甚至是分層和孔洞）會顯著增加。另外，復合材料固化過程中內(nèi)應(yīng)力的存在及其變化也是引起層壓板中孔隙或微裂紋的重要原因，同時在鋪設(shè)和固化工藝的操作過程中，任何來自外界的污染，如空氣的漂浮物、護手霜、皮膚分泌物等都會污染材料，這些污染會導致孔隙率增 高。

對于膠接結(jié)構(gòu)，孔隙率是固化膠膜的重要缺 陷，二次膠接結(jié)構(gòu)都是“硬-硬”膠接，共膠接為“軟-硬”膠接，當壓力施加到“硬”的構(gòu)件上時，易出現(xiàn)壓力不均或局部壓力無法傳遞的情況，在壓力較低區(qū)域膠流聚 集，濕氣、揮發(fā)物不能順利排出，出現(xiàn)較高的孔隙率從而直接導致固化后的膠層的剪切強度和剝離強度降低，特別膠層強度或耐久性會因孔隙率提高導致吸濕量的增加降低更多。若被粘接復材結(jié)構(gòu)中的空襲出現(xiàn)在臨近表面位置，將不利于粘接，且容易吸濕而引發(fā)與鄰近金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕。

對于修補結(jié)構(gòu)，特別是外場修補結(jié)構(gòu)，通常是普通自然環(huán)境、不 良的加熱和加壓條件，因受設(shè)備、外場環(huán)境、快速服役要求等限 制，通常采用低壓力、低固化溫度、較短固化時間等工藝過程和參數(shù)，同時鄰近結(jié)構(gòu)的散熱或曲率較大結(jié)構(gòu)的架橋等現(xiàn)象使得修理過程中預浸料、膠膜等固化過程中易受濕度、非均勻加熱、較低壓力等導致結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙率偏高。

孔隙的存在對固化后材料的理化特性[1-3]、靜力性能[4-12]、疲勞特性[13-14]或功能[15]都存在一定的影響，且基本上都是不利影響。孔隙率對復合材料力學性能的影響是結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、驗證和使用維護中關(guān)心的核心問題之一，也是領(lǐng)域研究的熱點之一。因孔隙主要存在于層間或纖維基體界面上，所以孔隙率主要影響基體或界面控制的力學性能（如層間剪切，微屈曲導致的壓縮失效），而對纖維控制的力學性能影響不太大（如拉伸）。當孔隙率較小時，基體裂紋和疲勞裂紋的起始位置主要是富樹脂區(qū)[14]，而當孔隙率增加時，孔隙本身則成為裂紋萌生點。特別是孔隙的長軸方向垂直于載荷方向時，較高的孔隙率會導致萌生于相鄰不同孔隙的裂紋發(fā)生耦合關(guān)聯(lián)，進而顯著影響結(jié)構(gòu)力學性能（這與宏觀結(jié)構(gòu)中的MSD 或WFD 概念類似）。

層壓板內(nèi)部的孔隙率會惡化復合材料的吸濕特性[1-3]，當環(huán)境中的水汽在基體中擴散導致孔隙區(qū)充水而其后暴露在高溫環(huán)境時，積水氣化將加速復合材料的溶脹老化，且蒸汽壓力可能導致基體產(chǎn)生更多的微裂紋，從而加劇材料的吸濕老化特性，降低復材結(jié)構(gòu)的靜強度和疲勞強度。這一點對蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)尤其嚴重，因為對于夾層結(jié)構(gòu),共固化壓力較低,孔隙率通常較高,除面板本本身，水分還容易從面板侵入芯子，從引起耐久性問題。

除上述影響之外，孔隙的存在還在其他方面存在不利影響，如：

a) 對于復合材料中進行外來物檢測時，孔隙的存在會增加外來物檢測難度；

b) 孔隙率較高時，進行濕熱處理后層壓板玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(Tg)因吸濕量的增加而降低，這將影響Tg值較為臨界的復材結(jié)構(gòu)安 全；

c) 對于油箱區(qū)域，結(jié)構(gòu)中較高的孔隙率可能使得表面張力小的航 空燃油沿著內(nèi)部孔隙和缺 陷發(fā)生滲漏，這對油箱安 全和耐久性都有不利影響；

d) 當采用顯微觀察法確定纖維體積含量時，是否計入孔隙會影響纖維體積含量的判定；

e) 孔隙的存在對于一些功能性復合材料，如碳碳復合材料的電磁屏 蔽特性也存在一些特殊的影響[15]。
03
孔隙率接受標準
在理想條件下制造孔隙率接近于零的結(jié)構(gòu)件并不困難，但在實際生產(chǎn)中，考慮到真實產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸、鋪層、厚度變化、幾何外形、曲率變化及結(jié)構(gòu)組合，要穩(wěn)定地批量生產(chǎn)低孔隙率的復材結(jié)構(gòu)是非常困難的。

只有在嚴格按照相關(guān)質(zhì)量體系和工藝規(guī)范，由具有相應(yīng)資質(zhì)的工藝人員在符合要求的環(huán)境條件下進行謹慎操作才能達到一定孔隙率要求。

雖然從力學性能要求和產(chǎn)品質(zhì)量來看，孔隙率是越低越好，但是考慮到批量生產(chǎn)的效率和成本，結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度和制造需要確定一個合理的可接受孔隙率標準。

表1 給出了所收集的復合材料結(jié)構(gòu)的孔隙率接受標準。

（表1 孔隙率可接受標準）
從上表中可以看出兩個特點：

1、我國新型民機飛機復材結(jié)構(gòu)件中孔隙率的要求與其他主制造商或標準相比整體偏嚴，主要考慮保守設(shè)計以確保產(chǎn)品性能；

2、即便是同一型號不同部件中可能規(guī)定不同的標準，這是因為不同的設(shè)計人員對孔隙問題有不同的認識。

嚴格的孔隙率標準固然對保證結(jié)構(gòu)安 全有利，但在非臨界條件下孔隙率標準提高將帶來制造、檢測成本和超差率的上升。此前工程界曾認為復合材料主結(jié)構(gòu)3%的孔隙率是可以接受的，但通過對具有該孔隙率的結(jié)構(gòu)在濕熱環(huán)境下的層間剪切、壓縮和彎曲強度試驗測試證實這些性能下降明顯，設(shè)計結(jié)果是非保守的。

隨著人們認識的提高和工藝水平的改進，現(xiàn)在一般認為2%的孔隙率對于主結(jié)構(gòu)來說是可接受的，包括油箱區(qū)域，波音、空客等主結(jié)構(gòu)中所要求的孔隙率水平與此相同或相近，甚至在一定條件下可以放松。

而對于次級結(jié)構(gòu)，視其承載大小及失效對飛機安 全的影響可降低或不作檢測要求。但不作檢測要求并非意味著孔隙率不加控制，而是通過經(jīng)鑒定的工藝過程保證其孔隙率穩(wěn)定在一個可以接受的范圍內(nèi)。
04
孔隙率的檢測方法
孔隙率的檢測方法是多種多樣的，比如密度計算法、酸解法、吸濕率法、X 射線法、超聲檢測法、顯微觀察法等，目前至 常用的是超聲檢測法和顯微觀察法。

其中前三種方法得到（或近似得到）的是體孔隙率（體積比），后三種方法實際上給出的是面孔隙率（面積比），空客通過試驗研究證實，復材結(jié)構(gòu)中2.5%的體孔隙率與3%的面孔隙率相當。

密度計算法是一種簡易方法，其原理是的孔隙的存在會造成復材結(jié)構(gòu)密度的變化，故可采用纖維、樹脂、復合材料的密度與樹脂和增強材料的體積比計算得出孔隙率，但該方法對于相關(guān)參數(shù)分散性（如纖維密度、樹脂密度及體積）和測量精度、誤差較為敏 感，特別是孔隙率較小的情況下給出大的誤差，甚至顛覆性的負孔隙率。

酸解法的本質(zhì)也是基于密度計算的方法，采用強酸對基體進行溶解，得到纖維含量，然后用組分含量和密度參數(shù)來計算孔隙率，該方法已經(jīng)形成了ASTM D2734標準。

吸濕率法也是利用了孔隙率與復材吸濕量之間的正相關(guān)關(guān)系而通過吸濕量測定孔隙率的間接方法，但需要對不同材料、厚度、結(jié)構(gòu)特征、尺寸等進行標定，檢測效率較低。X 射線可以檢測密集孔隙，但采用X 光射線檢測方法對孔隙可檢門檻值為0.1mm[17]，從而使其適用范圍受到一定限 制。

顯微觀察法是孔隙率測試至直接的方法，也是作為其他方法(如超聲)的所得孔隙率的基準方法。顯微觀察法的操作步驟詳見GB/T 3365-2008[18]。

顯微觀察法需要制備20mm*10mm*t（厚度）的試片并進行磨平、拋光和清洗后在顯微鏡下以合適的放大倍數(shù)進行孔隙積分從而確定孔隙率，可以檢測小至0.2%的孔隙率。

文獻[17]在該方法基礎(chǔ)上提出了新的方法，可以不進行該類試片的準備而直接將待檢測試件實體嵌入固定介質(zhì)中，對全 面積進行定量的表面打磨和處理以得到任何截面上的孔隙率。顯微觀察法通常結(jié)合顯微標尺測定、圖像分析、放大方格計數(shù)等方法來測定孔隙面積。但試驗證實[16]采用100~400倍放大倍數(shù)進行觀測計算時，檢測得到孔隙率可能相差10倍以上，這是因為除了放大倍數(shù)提高更小的孔隙會被觀測到以外，某些基體變體，如韌化粒子可能會與孔隙混淆。故推薦采用的數(shù)值不要太大（如100倍）且能良好地包絡(luò)被觀測厚度的放大倍數(shù)。

超聲檢測是目前復合材料結(jié)構(gòu)中常用的無損檢測方法，對于分層、脫膠、孔洞、外來物、孔隙等缺 陷都可進行檢測。采用超聲檢測孔隙率的基本原理是超聲信號在含有孔隙的層壓板結(jié)構(gòu)中的衰減，基于同樣的原理，目前已經(jīng)研制出了便攜式移動孔隙率檢測設(shè)備[19]。超聲 波檢測孔隙率檢測方法還可細分為穿透衰減法、散射法、脈沖反射衰減法[20]、聲阻抗法[21]等，根據(jù)信號處理方法可分為時域和頻域方法[22]。超聲檢測方法是一種間接方法，需要建立已知孔隙率與超聲檢測信號衰減率或衰減值之間的對應(yīng)關(guān)系，即采用一系列標塊來對用于至終檢驗的設(shè)備進行標定，建立孔隙率與超聲信號衰減率判定準則。但是要生產(chǎn)指定孔隙率的標塊是相當困難的，可通過調(diào)整固化參數(shù)（如壓力）或在層間噴撒合適的介質(zhì)或控制水分含量等間接措施來制造一系列不同厚度的試塊，并至終通過顯微觀察檢測篩選合適的標塊。國內(nèi)民機領(lǐng)域，在標塊研制未完成前，孔隙率檢測通常要求在層壓板至 大厚度處或蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)層壓板邊緣留足工藝余量，并進行切片檢測，如果至 大厚度處不便進行切片，則需要采用隨爐伴隨件進行檢測，過小的零件（如線性尺寸小于300mm）可免于檢測。

不論采用何種方法，對于大厚度、變厚度層板、大曲率層壓板或如R 區(qū)或斜坡區(qū)此類典型區(qū)域的孔隙率的控制和準確的檢測都是比較困難的。波音的工藝規(guī)范中規(guī)定對于R 區(qū)圓角切線以內(nèi)的區(qū)域不作檢測要求如圖3 所示?？湛凸緳z測標準中規(guī)定內(nèi)R>5mm 時，典型R 區(qū)可以檢測其他缺 陷但無法檢測孔隙率，當內(nèi)R<3mm 時無法檢測任何缺 陷，對于鋪層過渡區(qū)，當過渡角度大于5°（即過渡斜率1:12）時，無法采用超聲方法檢測孔隙含量。

（圖3 不作無損檢測要求R 區(qū)示意圖）

結(jié)論與討論
本文從工程角度出發(fā)，總結(jié)了航 空復合材料結(jié)構(gòu)中孔隙率出現(xiàn)的原因、可接受的標準、孔隙率存在的影響及其檢測方法。

認為孔隙率的存在對固化后材料及結(jié)構(gòu)的理化特性和力學性能存在不利影響，但考慮到實際質(zhì)量控制和批量生產(chǎn)可行性與成本因素，設(shè)計、制造和驗證應(yīng)在一個可接受的孔隙率前提下統(tǒng)籌考慮。

盡量降低固化后復材結(jié)構(gòu)中的孔隙率是材料、設(shè)計和制造領(lǐng)域共同追求的目標。對于樹脂基體，可以通過優(yōu)化其組分配方、固化特性，流動性和加壓窗口，提高樹脂對纖維的浸潤性、減少揮發(fā)物釋放量以降低孔隙含量。

在復材固化過程中，選用至 優(yōu)的工藝參數(shù)，如加熱速率、溫度壓力曲線、固化壓力、溫度、排氣時間、真空水平等參數(shù)，以使得孔隙率至 低。

對于膠接結(jié)構(gòu)，通過預干燥、適當?shù)墓袒瘻囟取⒖刂扑膿]發(fā)、選用抗?jié)駳饽z粘劑等措施，盡量降低固化膠膜中的孔隙率；同時膠膜越厚孔隙率會越高，至 優(yōu)膠層厚度區(qū)間為0.12~0.25mm。

鋪貼為了控制預浸料對水分的吸附或其他污染，應(yīng)良好地控制環(huán)境條件，凈化車間相對濕度不要超過60%，操作時要求穿戴衣物手套。

在非理想條件下采用進行結(jié)構(gòu)修理時，為保證修補質(zhì)量必 須遵守單次修補層數(shù)限 制或考慮層壓板的熱歷史限 制而采用雙真空袋熱壓實工藝，以有 效控制孔隙和氣孔等缺 陷。

在工藝路線選擇時，考慮陰模在R 區(qū)因架橋而不能壓實，可以適當選擇陽模鋪貼固化以提高R 區(qū)質(zhì)量。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮可制造性和相關(guān)檢測約束，優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸和特征，同一部位丟層數(shù)不能超過2 層。

另外，復合材料結(jié)構(gòu)采用積木式驗證方法，在底層的元件級驗證中，試驗件本身要考慮制造過程中固有的缺 陷，比如孔隙和小分層，這一方面是因為需要考慮檢測精度與門檻值的限 制，過小缺 陷的檢測要求需要昂貴的儀器設(shè)備和較高的檢測成本或超過檢測能力而無法檢測，另一方面也需要覆蓋真實制件中存在的可接受典型孔隙缺 陷以使得整個驗證體系給出的結(jié)果有內(nèi)在一致性，從而確保安 全。

孔隙率作為結(jié)構(gòu)缺 陷類型之一，在一定范圍內(nèi)對結(jié)構(gòu)性能的影響是非臨界的從而是可以接受的，在驗收技術(shù)條件中規(guī)定適當?shù)目紫堵蕵藴士稍诒ＷC產(chǎn)品滿足設(shè)計要求和可制造性及成本之間保持合理平衡。