工藝參數對孔隙率和超聲衰減的影響

陳征輝，鐘進，馮光亮，趙宏飛

(江蘇恒神股份有限公司，江蘇 丹陽 212300)

0 引言

復合材料在成型過程中，不可避免地會引入水分、氣泡等，固化后經常會出現孔隙、疏松、分層、夾雜等缺陷[1]。研究表明[2-5]，隨著孔隙率的增加，復合材料的性能隨之降低，如層間剪切強度、彎曲強度和模量、拉伸強度和模量、壓縮強度和模量。

對于疏松、分層、夾雜等缺陷，目前工程上成熟的檢測方法有超聲波檢測和X射線照相檢驗。對于孔隙率，目前常見的測試方法有破壞法和無損檢測兩大類。破壞法主要包括水吸收法、密度法(酸蝕法、燒蝕法)和金相顯微鏡照相法等[6]，無損檢測法主要以超聲檢測為主。破壞法可以測量樣塊的具體孔隙率。但是測試方法復雜，而且只能測試試樣的局部孔隙率，無法測試產品的整體孔隙率。無損檢測法主要是利用標準試塊和對比試塊來檢測產品的孔隙率范圍，測試高效，在工程上應用廣泛。

超聲衰減法主要是利用超聲波遇到聲阻抗不同的界面會發生散射，引起散射衰減。當復合材料中存在孔隙時，會對超聲波能量造成一定程度的衰減，導致回波幅值及傳播速度的變化[7]。JEONG將復合材料孔隙率測定歸納為經驗公式：

圖1 孔隙率與衰減系數的關系

研究表明[8-10]，成型溫度、固化壓力、預浸料吸濕量、不同材料的組織形式、鋪層方式、預壓實等因素都對孔隙率的形成有很大影響。但是這些因素對孔隙率的形成具體起到多大的作用，不同的因素的影響大小如何未見有報道。本文擬采用正交試驗驗證各項因素如何影響孔隙率的形成，為制備出額定孔隙率的對比樣塊作技術儲備。

1 試驗部分

1.1 原材料及儀器設備

高溫環氧基碳纖維斜紋織物預浸料：EH103/HFW220TA/43，江蘇恒神股份有限公司。

熱壓罐：美國ASC公司，設備壓力表單位為bar(1 bar=105Pa)。便攜無損掃描設備：OLYMPUS。掃描電子顯微鏡：EVO MA10。

1.2 試樣制備

本試驗選取固化壓力、固化真空度以及預壓實次數三個工藝參數，設計正交試驗，驗證不同工藝參數對孔隙率形成的影響。

選取EH103/HFW220TA/43預浸料鋪貼2 mm層壓板，并按表1制備不同工藝參數的測試板。

表1 正交試驗設計

1.3 測試板無損檢測

使用便攜無損掃描設備對所有的測試板進行無損檢測，并記錄測試板的超聲衰減平均值(圖2)。

圖2 無損檢測

1.4 測試板孔隙率測試

采用顯微鏡照相法測試孔隙率(圖3)。

圖3 顯微照相法

2 結果與討論

2.1 不同工藝參數對孔隙形成的影響

不同工藝參數的測試板正交試驗結果見表2，其各因素的求和、平均值以及極差見表3。

表2 不同工藝參數的測試板孔隙率

表3 測試板孔隙率正交試驗結果

從表3可知對于2 mm厚(10層)的復合材料，通過進行正交試驗設計法測試，影響孔隙率的大小的因素依次為固化壓力>真空度>預壓實次數。依據Kardos等人的模型，固化過程中為防止空隙生長的最小樹脂壓力Pmin與固化時的預浸料達到平衡的相對濕度RH0和固化溫度T有關。從模型中可以看出，提高固化壓力可以直接提高樹脂壓力，能最有效地防止空隙生長，而鋪貼時候的預壓實主要是通過常溫抽真空排除層間的氣泡和水分等揮發物，相當于降低模型中的平衡相對濕度，從圖2中可以看出其影響最小。

從表2可以看出，對于2 mm厚的復合材料層壓板，當壓力大于3 bar時，壓力占絕對主導因素，預壓實次數和真空度的大小對層壓板的總體質量影響較小，孔隙率均小于0.5%，依據Kardos等人的模型也可以說明這種現象。從圖4可以看出，在給定的固化溫度下，壓力達到一定值以后，預浸料無論相對濕度高低，其總在不發生孔隙生長的安全范圍內。

圖4 環氧基體中形成的孔隙穩定性圖

2.2 不同工藝參數對超聲衰減的影響

不同工藝參數對超聲衰減的影響的正交試驗結果見表4，其各因素的求和、平均值以及極差見表5。

表4 不同工藝參數的測試板超聲衰減

表5 測試板孔隙率正交試驗結果

從表4可知，對于2 mm厚(10層)的復合材料，通過進行正交試驗設計法測試，影響超聲衰減大小的因素依次為固化壓力>真空度>預壓實次數，這與孔隙率的影響一致，這進一步驗證了JEONG統計的孔隙率與衰減系數有良好的線性關系。

當壓力大于3 bar時，壓力占主導因素，C掃回波較均勻，衰減值波動范圍較小。

3 結論

(1)影響孔隙率的因素依次為固化壓力>真空度>預壓實次數。當壓力大于3 bar時，壓力占絕對主導因素，預壓實次數和真空度的大小對層壓板的總體質量影響較小，孔隙率均小于0.5%。

(2)影響超聲衰減的因素依次為固化壓力>真空度>預壓實次數，這與孔隙率的影響因素排序一致。