01
引言
机体结构主要采用高性能复合材料的新型民机B787 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%；波音至近声明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 陷中只要至 大的直径小于6.35mm，该簇孔穴即被视为孔隙。
02
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2 R 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，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℃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、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，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，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、快速服役要求等限 制，通常采用低压力、低固化温度、较短固化时间等工艺过程和参数，同时邻近结构的散热或曲率较大结构的架桥等现象使得修理过程中预浸料、胶膜等固化过程中易受湿度、非均匀加热、较低压力等导致结构内部孔隙率偏高。

孔隙的存在对固化后材料的理化特性[1-3]、静力性能[4-12]、疲劳特性[13-14]或功能[15]都存在一定的影响，且基本上都是不利影响。孔隙率对复合材料力学性能的影响是结构设计、制造、验证和使用维护中关心的核心问题之一，也是领域研究的热点之一。因孔隙主要存在于层间或纤维基体界面上，所以孔隙率主要影响基体或界面控制的力学性能（如层间剪切，微屈曲导致的压缩失效），而对纤维控制的力学性能影响不太大（如拉伸）。当孔隙率较小时，基体裂纹和疲劳裂纹的起始位置主要是富树脂区[14]，而当孔隙率增加时，孔隙本身则成为裂纹萌生点。特别是孔隙的长轴方向垂直于载荷方向时，较高的孔隙率会导致萌生于相邻不同孔隙的裂纹发生耦合关联，进而显著影响结构力学性能（这与宏观结构中的MSD 或WFD 概念类似）。

层压板内部的孔隙率会恶化复合材料的吸湿特性[1-3]，当环境中的水汽在基体中扩散导致孔隙区充水而其后暴露在高温环境时，积水气化将加速复合材料的溶胀老化，且蒸汽压力可能导致基体产生更多的微裂纹，从而加剧材料的吸湿老化特性，降低复材结构的静强度和疲劳强度。这一点对蜂窝夹芯结构尤其严重，因为对于夹层结构,共固化压力较低,孔隙率通常较高,除面板本本身，水分还容易从面板侵入芯子，从引起耐久性问题。

除上述影响之外，孔隙的存在还在其他方面存在不利影响，如：

a) 对于复合材料中进行外来物检测时，孔隙的存在会增加外来物检测难度；

b) 孔隙率较高时，进行湿热处理后层压板玻璃态转化温度(Tg)因吸湿量的增加而降低，这将影响Tg值较为临界的复材结构安 全；

c) 对于油箱区域，结构中较高的孔隙率可能使得表面张力小的航 空燃油沿着内部孔隙和缺 陷发生渗漏，这对油箱安 全和耐久性都有不利影响；

d) 当采用显微观察法确定纤维体积含量时，是否计入孔隙会影响纤维体积含量的判定；

e) 孔隙的存在对于一些功能性复合材料，如碳碳复合材料的电磁屏 蔽特性也存在一些特殊的影响[15]。
03
孔隙率接受标准
在理想条件下制造孔隙率接近于零的结构件并不困难，但在实际生产中，考虑到真实产品的结构尺寸、铺层、厚度变化、几何外形、曲率变化及结构组合，要稳定地批量生产低孔隙率的复材结构是非常困难的。

只有在严格按照相关质量体系和工艺规范，由具有相应资质的工艺人员在符合要求的环境条件下进行谨慎操作才能达到一定孔隙率要求。

虽然从力学性能要求和产品质量来看，孔隙率是越低越好，但是考虑到批量生产的效率和成本，结构设计、强度和制造需要确定一个合理的可接受孔隙率标准。

表1 给出了所收集的复合材料结构的孔隙率接受标准。

（表1 孔隙率可接受标准）
从上表中可以看出两个特点：

1、我国新型民机飞机复材结构件中孔隙率的要求与其他主制造商或标准相比整体偏严，主要考虑保守设计以确保产品性能；

2、即便是同一型号不同部件中可能规定不同的标准，这是因为不同的设计人员对孔隙问题有不同的认识。

严格的孔隙率标准固然对保证结构安 全有利，但在非临界条件下孔隙率标准提高将带来制造、检测成本和超差率的上升。此前工程界曾认为复合材料主结构3%的孔隙率是可以接受的，但通过对具有该孔隙率的结构在湿热环境下的层间剪切、压缩和弯曲强度试验测试证实这些性能下降明显，设计结果是非保守的。

随着人们认识的提高和工艺水平的改进，现在一般认为2%的孔隙率对于主结构来说是可接受的，包括油箱区域，波音、空客等主结构中所要求的孔隙率水平与此相同或相近，甚至在一定条件下可以放松。

而对于次级结构，视其承载大小及失效对飞机安 全的影响可降低或不作检测要求。但不作检测要求并非意味着孔隙率不加控制，而是通过经鉴定的工艺过程保证其孔隙率稳定在一个可以接受的范围内。
04
孔隙率的检测方法
孔隙率的检测方法是多种多样的，比如密度计算法、酸解法、吸湿率法、X 射线法、超声检测法、显微观察法等，目前至 常用的是超声检测法和显微观察法。

其中前三种方法得到（或近似得到）的是体孔隙率（体积比），后三种方法实际上给出的是面孔隙率（面积比），空客通过试验研究证实，复材结构中2.5%的体孔隙率与3%的面孔隙率相当。

密度计算法是一种简易方法，其原理是的孔隙的存在会造成复材结构密度的变化，故可采用纤维、树脂、复合材料的密度与树脂和增强材料的体积比计算得出孔隙率，但该方法对于相关参数分散性（如纤维密度、树脂密度及体积）和测量精度、误差较为敏 感，特别是孔隙率较小的情况下给出大的误差，甚至颠覆性的负孔隙率。

酸解法的本质也是基于密度计算的方法，采用强酸对基体进行溶解，得到纤维含量，然后用组分含量和密度参数来计算孔隙率，该方法已经形成了ASTM D2734标准。

吸湿率法也是利用了孔隙率与复材吸湿量之间的正相关关系而通过吸湿量测定孔隙率的间接方法，但需要对不同材料、厚度、结构特征、尺寸等进行标定，检测效率较低。X 射线可以检测密集孔隙，但采用X 光射线检测方法对孔隙可检门槛值为0.1mm[17]，从而使其适用范围受到一定限 制。

显微观察法是孔隙率测试至直接的方法，也是作为其他方法(如超声)的所得孔隙率的基准方法。显微观察法的操作步骤详见GB/T 3365-2008[18]。

显微观察法需要制备20mm*10mm*t（厚度）的试片并进行磨平、抛光和清洗后在显微镜下以合适的放大倍数进行孔隙积分从而确定孔隙率，可以检测小至0.2%的孔隙率。

文献[17]在该方法基础上提出了新的方法，可以不进行该类试片的准备而直接将待检测试件实体嵌入固定介质中，对全 面积进行定量的表面打磨和处理以得到任何截面上的孔隙率。显微观察法通常结合显微标尺测定、图像分析、放大方格计数等方法来测定孔隙面积。但试验证实[16]采用100~400倍放大倍数进行观测计算时，检测得到孔隙率可能相差10倍以上，这是因为除了放大倍数提高更小的孔隙会被观测到以外，某些基体变体，如韧化粒子可能会与孔隙混淆。故推荐采用的数值不要太大（如100倍）且能良好地包络被观测厚度的放大倍数。

超声检测是目前复合材料结构中常用的无损检测方法，对于分层、脱胶、孔洞、外来物、孔隙等缺 陷都可进行检测。采用超声检测孔隙率的基本原理是超声信号在含有孔隙的层压板结构中的衰减，基于同样的原理，目前已经研制出了便携式移动孔隙率检测设备[19]。超声 波检测孔隙率检测方法还可细分为穿透衰减法、散射法、脉冲反射衰减法[20]、声阻抗法[21]等，根据信号处理方法可分为时域和频域方法[22]。超声检测方法是一种间接方法，需要建立已知孔隙率与超声检测信号衰减率或衰减值之间的对应关系，即采用一系列标块来对用于至终检验的设备进行标定，建立孔隙率与超声信号衰减率判定准则。但是要生产指定孔隙率的标块是相当困难的，可通过调整固化参数（如压力）或在层间喷撒合适的介质或控制水分含量等间接措施来制造一系列不同厚度的试块，并至终通过显微观察检测筛选合适的标块。国内民机领域，在标块研制未完成前，孔隙率检测通常要求在层压板至 大厚度处或蜂窝夹芯结构层压板边缘留足工艺余量，并进行切片检测，如果至 大厚度处不便进行切片，则需要采用随炉伴随件进行检测，过小的零件（如线性尺寸小于300mm）可免于检测。

不论采用何种方法，对于大厚度、变厚度层板、大曲率层压板或如R 区或斜坡区此类典型区域的孔隙率的控制和准确的检测都是比较困难的。波音的工艺规范中规定对于R 区圆角切线以内的区域不作检测要求如图3 所示。空客公司检测标准中规定内R>5mm 时，典型R 区可以检测其他缺 陷但无法检测孔隙率，当内R<3mm 时无法检测任何缺 陷，对于铺层过渡区，当过渡角度大于5°（即过渡斜率1:12）时，无法采用超声方法检测孔隙含量。

（图3 不作无损检测要求R 区示意图）

结论与讨论
本文从工程角度出发，总结了航 空复合材料结构中孔隙率出现的原因、可接受的标准、孔隙率存在的影响及其检测方法。

认为孔隙率的存在对固化后材料及结构的理化特性和力学性能存在不利影响，但考虑到实际质量控制和批量生产可行性与成本因素，设计、制造和验证应在一个可接受的孔隙率前提下统筹考虑。

尽量降低固化后复材结构中的孔隙率是材料、设计和制造领域共同追求的目标。对于树脂基体，可以通过优化其组分配方、固化特性，流动性和加压窗口，提高树脂对纤维的浸润性、减少挥发物释放量以降低孔隙含量。

在复材固化过程中，选用至 优的工艺参数，如加热速率、温度压力曲线、固化压力、温度、排气时间、真空水平等参数，以使得孔隙率至 低。

对于胶接结构，通过预干燥、适当的固化温度、控制水汽的挥发、选用抗湿气胶粘剂等措施，尽量降低固化胶膜中的孔隙率；同时胶膜越厚孔隙率会越高，至 优胶层厚度区间为0.12~0.25mm。

铺贴为了控制预浸料对水分的吸附或其他污染，应良好地控制环境条件，净化车间相对湿度不要超过60%，操作时要求穿戴衣物手套。

在非理想条件下采用进行结构修理时，为保证修补质量必 须遵守单次修补层数限 制或考虑层压板的热历史限 制而采用双真空袋热压实工艺，以有 效控制孔隙和气孔等缺 陷。

在工艺路线选择时，考虑阴模在R 区因架桥而不能压实，可以适当选择阳模铺贴固化以提高R 区质量。

在结构设计时应考虑可制造性和相关检测约束，优化结构尺寸和特征，同一部位丢层数不能超过2 层。

另外，复合材料结构采用积木式验证方法，在底层的元件级验证中，试验件本身要考虑制造过程中固有的缺 陷，比如孔隙和小分层，这一方面是因为需要考虑检测精度与门槛值的限 制，过小缺 陷的检测要求需要昂贵的仪器设备和较高的检测成本或超过检测能力而无法检测，另一方面也需要覆盖真实制件中存在的可接受典型孔隙缺 陷以使得整个验证体系给出的结果有内在一致性，从而确保安 全。

孔隙率作为结构缺 陷类型之一，在一定范围内对结构性能的影响是非临界的从而是可以接受的，在验收技术条件中规定适当的孔隙率标准可在保证产品满足设计要求和可制造性及成本之间保持合理平衡。