民用飞机复合材料结构孔隙率的影响及检测.pdf

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1、民用飞机复合材料结构孔隙率的影响及检测廉伟中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院上海201210摘要：本文从工程实践出发，总结了民用飞机复合材料结构中孔隙率产生的原因及相关工艺控制措施与孔隙率之间的内在关系，对比分析了目前航空工业界和主制造商可接受的孔隙率标准，探讨了孔隙率对复合材料理化特性及力学特性影响机理，对比了不同孔隙率的检测方法和孔隙率的控制方法，并给出了考虑结构安全和成本，在工程设计、制造和验证中统筹考虑可接受孔隙率的建议。关键词：民用飞机复合材料结构孔隙率无损检测1引言机体结构主要采用高性能复合材料的新型民机B7

2、87引领了复合材料在民机结构中应用的飞跃式发展和航空结构材料的应用变革，其复材用量重量占比接近50%；其竞争机型A350复材用量更高，达到52%；波音最近声明B777的改进型B777X的机身结构和此前宣布的机翼结构同样将采用复合材料；中俄即将联合研制的宽体客机中结构材料用量也将达同等水平。由此可见，航空界已对复合材料在降低结构重量、油耗与排放、全寿命周期成本上达成共识。航空复材结构的飞跃式发展是以材料进步、工艺发展、评价体系逐步成熟和大尺寸产品制造问题解决等为基础的，即便如此，复合材料领域还有诸多问题有待继续研究和解决，孔隙率便

3、是其中之一。对于孔隙，不同的手册、标准和规范给出了不同的定义，但其本质含义基本统一，即复合材料内部的、几何尺寸很小的、多点分布的孔洞（可能是空气、挥发物或空穴）。孔隙是复合材料结构中常见缺陷的一种，通常用其体积占材料总体积的百分比来表征，也即孔隙率。孔隙的尺寸跨度很大，线性尺寸可能从几个微米到几百个微米不等，在波音公司的规范中，甚至认为一簇密集孔穴缺陷中只要最大的直径小于6.35mm，该簇孔穴即被视为孔隙。2孔隙产生的原因及其影响目前航空工业领域，复合材料结构主要采用预浸料-热压罐固化工艺或液体成型工艺，虽然工艺形式和参数各不相

4、同，但本质过程都是树脂基体与纤维增强材料之间的复合及树脂固化的过程，因此孔隙总存在于基体、树脂纤维界面或层间，典型的孔隙形貌如图1、2所示。图1典型复合材料层压板内部孔隙图2R区典型内部孔隙孔隙的产生有多种诱因，且可能源于原材料、铺贴或固化过程中的各个环节。预浸料制备过程中树脂与纤维的浸润可能是不完全的，特别是固定单向纤维的纬线或织物中经纬纤维搭接位置难以完全浸润，固化后则形成孔隙。采用单向带和织物预浸料铺贴时空气会裹入层间，若抽真空和加压过程中空气不能排出，孔隙则在层间聚集。对于液体成型工艺，孔隙和“干区”同样是常见的制造缺陷

5、，而此类缺陷的程度取决于时间-温度曲线、真空度、压力、流量、树脂粘度、树脂成分等因素和参数，树脂流动和浸润不充分将导致孔隙和贫胶缺陷的发生。目前航空主结构材料上常用的是高温热固性树脂体系，如177°C固化的环氧树脂，其很容易变质，对存储条件、存储期限和操作时间有严格限制，用超期或变质预浸料所生产的层压板，因树脂的流动性较差或部分质变引起的不良固化，其孔隙率可能会很高。另外热固性树脂在固化反应过程中会产生挥发物，需要施加真空或固化压力予以排除，但树脂一旦凝固，留存其中的挥发物将无法排出，孔隙随之产生。同时水分是一种易被纤维、基体、

6、预浸料甚至辅助材料吸附的物质，从原材料到后续的下料或铺设过程表面都会吸附空气中的水分，而若这些水分在固化过程中的蒸汽压小于树脂压力不能排出而引发孔隙。固化压力是影响孔隙率的重要工艺参数。固化过程中加压可以排出裹入的空气（结合真空辅助），压缩留存的空气或挥发物的体积，高压力甚至可以将空气、水汽及挥发物溶解在液态树脂中，压力不足会截留固化过程中所产生的挥发物或水蒸气而导致固化后的复合材料孔隙率偏高。在模具的闭角处或结构厚度变化处（如丢层），常因纤维架桥而出现局部压力无法传递或不均匀，内部树脂压力较低甚至接近于零，气体或水气随之聚集，

7、孔隙（甚至是分层和孔洞）会显著增加。另外，复合材料固化过程中内应力的存在及其变化也是引起层压板中孔隙或微裂纹的重要原因，同时在铺设和固化工艺的操作过程中，任何来自外界的污染，如空气的漂浮物、护手霜、皮肤分泌物等都会污染材料，这些污染会导致孔隙率增高。对于胶接结构，孔隙率是固化胶膜的重要缺陷，二次胶接结构都是“硬-硬”胶接，共胶接为“软-硬”胶接，当压力施加到“硬”的构件上时，易出现压力不均或局部压力无法传递的情况，在压力较低区域胶流聚集，湿气、挥发物不能顺利排出，出现较高的孔隙率从而直接导致固化后的胶层的剪切强度和剥离强度降低，

8、特别胶层强度或耐久性会因孔隙率提高导致吸湿量的增加降低更多。若被粘接复材结构中的空袭出现在临近表面位置，将不利于粘接，且容易吸湿而引发与邻近金属结构的腐蚀。对于修补结构，特别是外场修补结构，通常是普通自然环境、不良的加热和加压条件，因受设备、外场环境、快速服役要