【专业讲堂】一文解析高压釜预浸料和层压板中孔隙结构影响因素及解决方案
在复合材料加工制造中，其最终目标是生产出具有一定树脂纤维比且无空隙或缺陷的层压板。在实现该目标时，预浸料层压板常见问题主要包括表面气孔、空隙、树脂富集区、桥接以及其他缺陷。
这些问题通常可归因于材料的选择、铺层或装袋工艺、加工工具以及有时的设计问题。本文主要探讨上述主要因素对预浸料、层压板结构孔隙的影响。
平纹织物表面最严重，但它不是唯一一种容易产生表面孔隙的织物形式。3K平纹碳纤维织物看起来像防蚊纱（图1），在其交叉点处的位置上本来就是开放的空间，当在预浸过程中涂上树脂时，如果树脂从交叉点被拉走，就会出现一个空隙或多孔区域。
图 1. 3K 平纹碳纤维织物显示出纱线交叉处的开放区域，这些区域被树脂填充后易成为层压板中的孔隙
图2显示出了两种不同类型的织物表面，以及两种织物形式之间孔隙大小的对比。该示例说明，可以通过对替代织物形式进行设计，可以大大减少表面孔隙率。
图 2. 层压板表面 3K 碳纤维交叉处的小空隙的显微照片。注意孔隙周围的“坑”，底部为6K 5HS 织物表面固有的小得多孔隙的相同比例显微照片
02 蜂窝夹芯板
在共固化过程中，蜂窝芯在真空或压力下的毛细作用倾向于将树脂从表面层移向芯部，从而导致邻近每个芯单元的多孔表面。在皮芯界面处添加粘合剂可能有助于降低孔隙率，但对结构的重量有很大的影响。
对于2-4层的平纹织物来说尤其如此，因为平纹织物中几乎没有多余的树脂（体积分数约为40%）。其解决方案可以简单地添加一个超轻表面预制层的设计，而不是不断地返工这些表面，其重量损失远小于额外的粘合剂，与重新加工多孔表面的工作量、成本和时间相比，其风险最小。
03 成型过程影响
许多复合材料制造商大多忽视的一个事实是，表面孔隙率可能与脱模表面的极低表面能有关，这会导致树脂排斥而不是润湿表面，从而造成不必要的或过多的孔隙率。这可以通过选择一个高表面能的脱模系统来缓解。
如果在零件的特定区域反复发现孔隙，则可能是由于缺陷区域附近的模具中存在扩散泄漏。这需要对模具进行进一步评估，并进行维修或更换。从边缘呈扇形的随机分布的多孔区域很可能是由于袋中泄漏造成的，可通过更好的袋密封很容易地进行补救。
另一个问题是金属工具的热传递率低，当工具表面层刚刚变得活跃时，袋侧层开始凝胶，导致在表面滞留空气或气体。这可以通过在固化配方中添加真空下的延长停留时间来解决问题。
04 角部桥接
表面气孔和空隙也可能出现在零件的小半径或较大的凸出区域（模具中的凹面），其中拐角处出现桥接（图3），或者层跨越模具中的凹槽（桶桥接）。层间由于缺乏局部压实，从而在层间形成低压区，导致层压板中出现树脂富集区或空隙。
图 3. 由于铺层和/或铺层和加工过程中使用的辅助设备桥接而导致的角部空隙。
减轻这些缺陷需要仔细检查铺层尺寸、铺设方法等，此外还必须不断调整剥离层、薄膜层和透气层，并确保有足够的袋膜，以便在固化过程中使所有东西压实（图4）。
图 4. 所有材料都经过定制进而在该部分的角落和低谷处进行压实：剥离层（左）经过精心定制和固定，薄膜层（中）打褶，真空袋薄膜（右）打褶良好获得压实下面的层压板
05 固化过程中挥发气体
在固化过程中，层压板中产生气体的情况并不少见，进而会产生有问题的孔隙。对于预浸料叠层中湿气产生的膨胀气体，通常可以通过在固化前长时间的减薄来缓解。
然而，固化过程中树脂中发生化学反应产生的气体要难缓解。与环氧树脂不同，酰亚胺、酚醛树脂和聚苯并恶嗪会产生气体副产物，因此需要对这些反应有更深入的了解才能解决这些问题。
预浸料树脂的热重分析（TGA）可用于确定特定温度下与气体析出相关的重量变化。使用这些数据，可以调整固化配方，改变升温速率和等温停留时间，以便让气体溢出并找到离开层压板的路线。通过对真空和压力的相应调整，可使得气体有时间排空或转换回溶液中（图5）。
图 5. 改进的固化配方，通过调整停留时间之间的斜率以及改进的真空和压力，以便有时间去除逸出的气体
06 新材料开发
传统上，对高压灭菌器（OOA）友好的织物一侧涂有树脂，另一侧是干燥的，以便在加工过程中为空气和气体提供内部通道。Apogee Composites最近推出了一种全厚度可渗透预浸料，该预浸料在树脂膜本身具有均匀的开口间距，允许层压板内部注入（图6）。更多类似这样的技术会使得料本身产生低空隙。
图6. 预浸料树脂薄膜层中的均匀间隙可实现厚度贯穿性和空气/气体排空
（主要参考：CW）