複合材料孔隙成因及改進措施

複合材料孔隙成因及改進措施

航空工業通飛華南公司張鑫

1引言

複合材料孔隙問題具有普遍性。複合材料孔隙主要分為兩種：纖維束內孔隙和層間孔隙。[1]孔隙是複合材料構件內部最常見且無法避免的缺陷，孔隙問題是碳-環氧複合材料成型工藝中普遍存在的問題，即使孔隙含量很小，對材料的許多性能會產生有害的影響。[2]對於航空器部件來說，複合材料構件的孔隙率會對其最終結構強度產生很大的影響，危害飛行安全。

國內外對複合材料孔隙問題的研究主要集中在三個方面[1]：

（1）固化周期中孔隙形成機理研究；

（2）孔隙對複合材料力學性能影響的研究；

（3）孔隙率檢測方法的。

本文將簡要介紹複合材料孔隙的形成機理，並從工藝的角度簡述一些改進措施。

2孔隙形成機理

孔隙是複合材料最常見缺陷之一,降低了材料的力學性能,研究表明孔隙率對複合材料的衝擊韌性和疲勞壽命也有不利影響。孔隙可以促進複合材料吸濕,孔隙處產生的應力集中促進了微裂紋的發展,降低了界面載荷的傳遞。聚合物基複合材料吸濕導致基體性能改變並使界面脫膠或者產生微裂紋從而降低基體與纖維的界面性能。吸濕引起界面性能的退化,進而導致複合材料機械性能降低。因此，孔隙缺陷的存在影響了複合材料的可靠性，制約了其廣泛應用。[7]

複合材料中孔隙的形成和長大主要是由於含有的水分、夾雜空氣等在一定溫度下，當揮發物氣體的壓力超過樹脂壓力時就會形成氣泡並長大。Kardos等人對含有一定水分的預浸料在成型過程中孔隙形成條件進行分析，得出抑制氣泡通過水氣擴大長大的樹脂壓力必須滿足以下不等式[3,4]：

以上不等式說明氣泡存在平衡，即穩態成核和機械包裹的氣泡生成或溶解[1]：

（1）氣體或水蒸氣的擴散以及相互臨近的氣泡聚集成團都將促使氣泡的生長；

（2）溫度或壓力的變化引起樹脂中水溶解度的增加，氣泡則可能溶解消失。

首先假設水分對氣泡具有協同效應,當水蒸氣擴散進入氣泡或者水蒸氣氣泡形成晶核時,在任一溫度下都具有平衡的水蒸氣壓,在總體積不變情況下,將引起氣泡內總壓的增加,超過純氣體氣泡的壓力。當氣泡壓力等於或大於周圍樹脂靜水壓與氣泡表面張力之和時,氣泡處於穩定或者繼續生長狀態。[1]

平衡態計算給出了氣泡生長的邊界條件,並且其生長隨時間發生變化,從工藝控制角度來看,這一點非常重要。[1]

孔隙主要成因有兩種：對氣體的機械夾雜和氣體的內部成核作用。氣泡成核又有以下三種情況：[1]

（1）在製作預浸料層合板過程中對空氣的機械夾雜或氣體包裹。總是存在有限尺寸的促使核素，在固化過程中，只要擴散路徑存在或擴散發生的條件存在，溶解於樹脂中的水分便以擴散的方式進入這些核素；

（2）在加熱過程中，組分受熱揮發小分子物而形成的內部成核作用；

（3）在沒有氣體核素清空下，由於材料存放時的吸濕作用，即使在非常低的超飽和度的條件下，水蒸氣核素也能形成。

其中，揮發性氣體的來源有：

（1）樹脂中或浸漬纖維用的有機溶劑;

（2）預浸料存放過程中從環境大氣中吸收的水份;

（3）固化過程中釋放出的揮發性低分子物;

（4）由於固化模具配合間隙或真空袋泄漏等漏進去的空氣等。

氣泡成核之後還會發生生長，有以下三個原因：[1]

（1）氣泡/樹脂界面發生氣體（基本是水蒸氣）擴散；

（2）氣泡周圍樹脂內溫度或壓力的變化；

（3）樹脂內存在溫度梯度導致膨脹（或收縮）。

另外，孔隙率的控制還存在臨界值。人們通常認為,孔隙率大於零以後,材料的力學性能就開始退化。但Ghiorse[5]等人對碳纖維/環氧樹脂複合材料的研究結果指出,孔隙率大約在3%～4%是材料性能下降的臨界值。Michelle[6]等人對碳纖維環氧樹脂和碳纖維/雙馬來酞亞胺樹脂的研究結果指出,當孔隙率大於0.9%時,層間剪切強度開始下降。因此孔隙的存在並不是對材料都具有有害的影響,這個影響應該存在一個臨界值,這對工藝控制和降低成本來說具有重要指導意義。

3減少孔隙的工藝改進措施

3.1增加壓力

由氣泡的平衡，即穩態成核和機械包裹的氣泡生成或溶解可知，加大壓力可以抑制氣體或水蒸氣的擴散、抑制相互臨近的氣泡聚集成團、抑制氣泡的生長。另外，增大壓力還可以引起樹脂中水溶解度的增加，氣泡則可能溶解消失。故而增加壓力能顯著減小複合材料的孔隙率。

3.2過程式控制制

針對氣泡成核的三種情況，可以針對性地採取以下措施：

（1）減少製作預浸料層合板過程中對空氣的機械夾雜或氣體包裹。

對於機械夾雜，應從控制清潔度著手。包括使用粘塵墊吸附灰塵、定時通風、人員著防塵服並戴手套等等。

對於氣體包裹，應按照合理方式鋪貼，如從一邊或一角開始，並採取物理按壓、滾壓等方式排除氣泡。針刺等穿刺方式雖能排除氣泡，但會對製件造成損傷，一般不宜採用。另外，每鋪貼3-5層應抽真空以減少氣泡。

（2）控制組分受熱揮發小分子物而形成的內部成核。應嚴格按照材料規定的固化曲線進行固化，不超溫、超時，以免組分受熱揮發形成孔隙。

（3）減少水分蒸發成核。應嚴格按照材料規定進行儲存，避免材料吸收過多水分。

參考文獻

1.碳/環氧複合材料孔隙問題研究進展劉玲張博明王殿富

2.熱壓罐固化環氧基複合材料孔隙形成研究中航複合材料有限責任公司荀國立　邱啟艷　史俊偉　劉松平

3.李宏運等譯.先進複合材料製造技術[M].北京:化學工業出版社,2004:34-43

4. Kardos J L < Void formation andtransport during composite laminate processing > Browning C E. Compositematerial, quality assurance and processing.

5.Ghiorse S R.

6.Michael R Composite Science and Technology

7.碳纖維/環氧樹脂層壓板的孔隙問題張阿櫻張東興李地紅 肖海英賈近

掃描圖中二維碼，關注《航空復材雲筆記》。

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