1.引言
复合材料层合板在制造过程中的缺陷问题具有普遍性。如图1所示，缺陷类型包括：分层类缺陷、孔隙类缺陷和夹杂类缺陷
(a)分层缺陷 (b)空隙类缺陷(c)夹杂类缺陷
图1 复合材料层合板常见缺陷
其中，复合材料孔隙主要分为两种：纤维束内孔隙和层间孔隙。孔隙是复合材料构件内部最常见且无法避免的缺陷，孔隙问题是碳-环氧复合材料成型工艺中普遍存在的问题，即使孔隙含量很小，对材料的许多性能会产生有害的影响。对于航空器部件来说，复合材料构件的孔隙率会对其最终结构强度产生很大的影响，危害飞行安全。
国内外对复合材料孔隙问题的研究主要集中在三个方面[1]：
（1）固化周期中孔隙形成机理研究；
（2）孔隙对复合材料力学性能影响的研究；
（3）孔隙率检测方法的。
本文将简要介绍复合材料孔隙的形成机理，并从工艺的角度简述一些改进措施。
2.孔隙形成机理
孔隙是复合材料最常见缺陷之一，降低了材料的力学性能,研究表明孔隙率对复合材料的冲击韧性和疲劳寿命也有不利影响。孔隙可以促进复合材料吸湿，孔隙处产生的应力集中促进了微裂纹的发展,降低了界面载荷的传递。聚合物基复合材料吸湿导致基体性能改变并使界面脱胶或者产生微裂纹从而降低基体与纤维的界面性能。吸湿引起界面性能的退化,进而导致复合材料机械性能降低。因此，孔隙缺陷的存在影响了复合材料的可靠性，制约了其广泛应用[7]。
复合材料中孔隙的形成和长大主要是由于含有的水分、夹杂空气等在一定温度下，当挥发物气体的压力超过树脂压力时就会形成气泡并长大。Kardos等人对含有一定水分的预浸料在成型过程中孔隙形成条件进行分析，得出抑制气泡通过水气扩大长大的树脂压力必须满足以下不等式[3,4]：
以上不等式说明气泡存在平衡，即稳态成核和机械包裹的气泡生成或溶解[1]：
（1）气体或水蒸气的扩散以及相互临近的气泡聚集成团都将促使气泡的生长；
（2）温度或压力的变化引起树脂中水溶解度的增加，气泡则可能溶解消失。
首先假设水分对气泡具有协同效应，当水蒸气扩散进入气泡或者水蒸气气泡形成晶核时，在任一温度下都具有平衡的水蒸气压，在总体积不变情况下，将引起气泡内总压的增加，超过纯气体气泡的压力。当气泡压力等于或大于周围树脂静水压与气泡表面张力之和时，气泡处于稳定或者继续生长状态。
平衡态计算给出了气泡生长的边界条件，并且其生长随时间发生变化，从工艺控制角度来看，这一点非常重要。
孔隙主要成因有两种：对气体的机械夹杂和气体的内部成核作用。气泡成核又有以下三种情况：
（1）在制作预浸料层合板过程中对空气的机械夹杂或气体包裹。总是存在有限尺寸的促使核素，在固化过程中，只要扩散路径存在或扩散发生的条件存在，溶解于树脂中的水分便以扩散的方式进入这些核素；
（2）在加热过程中，组分受热挥发小分子物而形成的内部成核作用；
（3）在没有气体核素清空下，由于材料存放时的吸湿作用，即使在非常低的超饱和度的条件下，水蒸气核素也能形成。
其中，挥发性气体的来源有：
（1）树脂中或浸渍纤维用的有机溶剂；
（2）预浸料存放过程中从环境大气中吸收的水份；
（3）固化过程中释放出的挥发性低分子物；
（4）由于固化模具配合间隙或真空袋泄漏等漏进去的空气等。
气泡成核之后还会发生生长，有以下三个原因：
（1）气泡/树脂界面发生气体（基本是水蒸气）扩散；
（2）气泡周围树脂内温度或压力的变化；
（3）树脂内存在温度梯度导致膨胀（或收缩）。
在制造过程中由于操作当也有可能造成孔隙问题：
（1）铺贴时局部压力过大，树脂阻塞纤维之间的排气通道；（见图2）
（2）外层覆盖里层，阻碍排气；（见图3）
（3）辅助材料放置不当，阻碍排气；（见图4）
图2 树脂阻塞排气通道
图3 外层覆盖里层
图4 密封包材阻碍排气
3.减少孔隙的工艺改进措施
3.1增加压力
由气泡的平衡，即稳态成核和机械包裹的气泡生成或溶解可知，加大压力可以抑制气体或水蒸气的扩散、抑制相互临近的气泡聚集成团、抑制气泡的生长。另外，增大压力还可以引起树脂中水溶解度的增加，气泡则可能溶解消失。故而增加压力能显著减小复合材料的孔隙率。增加压力的方式主要通过升级设备，如使用热压罐（见图5）或热压机（见图6）进行复合材料制造。
图5 热压罐
图6 热压机
3.2过程控制
针对气泡成核的三种情况，可以针对性地采取以下措施：
（1）减少制作预浸料层合板过程中对空气的机械夹杂或气体包裹。
对于机械夹杂，应从控制清洁度着手。包括使用粘尘垫吸附灰尘、定时通风、人员着防尘服并戴手套等等。
对于气体包裹，应按照合理方式铺贴，如从一边或一角开始，并采取物理按压、滚压等方式排除气泡。针刺等穿刺方式虽能排除气泡，但会对制件造成损伤，一般不宜采用。另外，每铺贴3-5层应抽真空以减少气泡。
（2）控制组分受热挥发小分子物而形成的内部成核。应严格按照材料规定的固化曲线进行固化，不超温、超时，以免组分受热挥发形成孔隙。
（3）减少水分蒸发成核。应严格按照材料规定进行储存，避免材料吸收过多水分。
参考文献
[1] 刘玲,张博明,王殿富. 碳/环氧复合材料孔隙问题研究进展[J]. 宇航材料工艺,2004(06):6-10.
[2] 荀国立,邱启艳,史俊伟,刘松平. 热压罐固化环氧基复合材料孔隙形成研究[J]. 航空制造技术,2014(15):110-111+115.
[3] 李宏运等译. 先进复合材料制造技术[M]. 北京:化学工业出版社,2004:34-43
[4] Kardos J L< Void formation and transport during composite laminate processing >Browning C E. Composite material, quality assurance and processing.
[5] Ghiorse S R.<Effect of void content on the mechanical properties of carbon/epoxylaminates>
[6] Michael R<Reduction in interlaminar shear strength by discrete and distributedvoids> Composite Science and Technology
[7] 张阿樱,张东兴,李地红,肖海英,贾近. 碳纤维/环氧树脂层压板的孔隙问题[J]. 宇航材料工艺,2011,41(03):16-19.
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