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01
引言
機(jī)體結(jié)構(gòu)主要采用高性能復(fù)合材料的新型民機(jī)B787 引 領(lǐng)了復(fù)合材料在民機(jī)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(fù)材用量重量占比接近50%；其競爭機(jī)型A350 復(fù)材用量更高，達(dá)到52%；波音至近聲明B777 的改進(jìn)型B777X 的機(jī)身結(jié)構(gòu)和此前宣布的機(jī)翼結(jié)構(gòu)同樣將采用復(fù)合材料；中 俄即將聯(lián)合研制的寬體客機(jī)中結(jié)構(gòu)材料用量也將達(dá)同等水平。

由此可見，航 空界已對復(fù)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(dá)成共識。

航 空復(fù)材結(jié)構(gòu)的飛躍式發(fā)展是以材料進(jìn)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)合材料內(nèi)部的、幾何尺寸很小的、多點(diǎn)分布的孔洞（可能是空氣、揮發(fā)物或空穴）。

孔隙是復(fù)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(rèn)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要采用預(yù)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(qiáng)材料之間的復(fù)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(fù)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(yù)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(yù)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(dǎo)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?zé)峁绦詷渲w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(yán)格限 制，用超期或變質(zhì)預(yù)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(yù)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(dǎo)致固化后的復(fù)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(fù)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(hù)手霜、皮膚分泌物等都會污染材料，這些污染會導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)致固化后的膠層的剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度降低，特別膠層強(qiáng)度或耐久性會因孔隙率提高導(dǎo)致吸濕量的增加降低更多。若被粘接復(fù)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(bǔ)結(jié)構(gòu)，特別是外場修補(bǔ)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(yù)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(dǎo)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(fù)合材料力學(xué)性能的影響是結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、驗證和使用維護(hù)中關(guān)心的核心問題之一，也是領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)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(xué)性能（如層間剪切，微屈曲導(dǎo)致的壓縮失效），而對纖維控制的力學(xué)性能影響不太大（如拉伸）。當(dāng)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(dāng)孔隙率增加時，孔隙本身則成為裂紋萌生點(diǎn)。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(dǎo)致萌生于相鄰不同孔隙的裂紋發(fā)生耦合關(guān)聯(lián)，進(jìn)而顯著影響結(jié)構(gòu)力學(xué)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(fù)合材料的吸濕特性[1-3]，當(dāng)環(huán)境中的水汽在基體中擴(kuò)散導(dǎo)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(fù)合材料的溶脹老化，且蒸汽壓力可能導(dǎo)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(fù)材結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。這一點(diǎn)對蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)尤其嚴(yán)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(fù)合材料中進(jìn)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(jìn)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(fù)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(dāng)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(fù)合材料，如碳碳復(fù)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(biāo)準(zhǔn)
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(shí)際生產(chǎn)中，考慮到真實(shí)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(fù)材結(jié)構(gòu)是非常困難的。

只有在嚴(yán)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(jìn)行謹(jǐn)慎操作才能達(dá)到一定孔隙率要求。

雖然從力學(xué)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(qiáng)度和制造需要確定一個合理的可接受孔隙率標(biāo)準(zhǔn)。

表1 給出了所收集的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的孔隙率接受標(biāo)準(zhǔn)。

（表1 孔隙率可接受標(biāo)準(zhǔn)）
從上表中可以看出兩個特點(diǎn)：

1、我國新型民機(jī)飛機(jī)復(fù)材結(jié)構(gòu)件中孔隙率的要求與其他主制造商或標(biāo)準(zhǔn)相比整體偏嚴(yán)，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(biāo)準(zhǔn)，這是因為不同的設(shè)計人員對孔隙問題有不同的認(rèn)識。

嚴(yán)格的孔隙率標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(rèn)為復(fù)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(qiáng)度試驗測試證實(shí)這些性能下降明顯，設(shè)計結(jié)果是非保守的。

隨著人們認(rèn)識的提高和工藝水平的改進(jìn)，現(xiàn)在一般認(rèn)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(jī)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(shí)際上給出的是面孔隙率（面積比），空客通過試驗研究證實(shí)，復(fù)材結(jié)構(gòu)中2.5%的體孔隙率與3%的面孔隙率相當(dāng)。

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(fù)材結(jié)構(gòu)密度的變化，故可采用纖維、樹脂、復(fù)合材料的密度與樹脂和增強(qiáng)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(fù)孔隙率。

酸解法的本質(zhì)也是基于密度計算的方法，采用強(qiáng)酸對基體進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。

吸濕率法也是利用了孔隙率與復(fù)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(jìn)行標(biāo)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(zhǔn)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(jìn)行磨平、拋光和清洗后在顯微鏡下以合適的放大倍數(shù)進(jìn)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(xiàn)[17]在該方法基礎(chǔ)上提出了新的方法，可以不進(jìn)行該類試片的準(zhǔn)備而直接將待檢測試件實(shí)體嵌入固定介質(zhì)中，對全 面積進(jìn)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(biāo)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(shí)[16]采用100~400倍放大倍數(shù)進(jìn)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(fù)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(jìn)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(xì)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(biāo)塊來對用于至終檢驗的設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，建立孔隙率與超聲信號衰減率判定準(zhǔn)則。但是要生產(chǎn)指定孔隙率的標(biāo)塊是相當(dāng)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(biāo)塊。國內(nèi)民機(jī)領(lǐng)域，在標(biāo)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(jìn)行切片檢測，如果至 大厚度處不便進(jìn)行切片，則需要采用隨爐伴隨件進(jìn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)內(nèi)R<3mm 時無法檢測任何缺 陷，對于鋪層過渡區(qū)，當(dāng)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)中孔隙率出現(xiàn)的原因、可接受的標(biāo)準(zhǔn)、孔隙率存在的影響及其檢測方法。

認(rèn)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(xué)性能存在不利影響，但考慮到實(shí)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(fù)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(biāo)。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(fù)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(yù)干燥、適當(dāng)?shù)墓袒瘻囟?、控制水汽的揮發(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(yù)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(jìn)行結(jié)構(gòu)修理時，為保證修補(bǔ)質(zhì)量必 須遵守單次修補(bǔ)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(shí)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(shí)，可以適當(dāng)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(fù)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(shí)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(dāng)?shù)目紫堵蕵?biāo)準(zhǔn)可在保證產(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。