浅谈陶瓷基复合材料无损检测方法及其进展.pdf

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1、浅谈陶瓷基复合材料无损检测方法及其进展冰梅辉，张鼎，夏俊超，尹良宣，余昌魁，成来飞(西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室，西安710072)【摘要】陶瓷基复合材料由于其具有耐高温、密度低、抗氧化性好等多种优良特性目前已广泛地应用于航空航天领域。采用无损检测方法对陶瓷基复合材料进行相关检测对保证材料产品质量以及提高产品使用的可靠性等都具有重要意义。综述了陶瓷基复合材料无损检测发展现状，阐述了太赫兹、x射线、工业CT、红外热成像、超声波及声发射技术等常用陶瓷基复合材料检测手段的原理并介绍了其在陶瓷基复合材料无损检测方面的应用实例。

2、关键词：陶瓷基复合材料；无损检测；太赫兹；X射线；工业CT；红外热成像；超声波；声发射DoI：10．16080／j．issnl671-833x．2017．05．024梅辉教授、博导、中组部青年拔尖人才、教育部新世纪优秀人才。陕西省三秦人才津贴获得者，省部级一等奖获得者。近年来主要开展微纳米复合材料(如CNTs、石墨烯、晶须等增强复合材料)、纳米能源材料，纳米界面材料、复合材料缺陷及控制，复合材料结构与性能等研究。+基金项目：国家自然科学基金项目(51272210，50902112)。24航空制造技术·2017年第5期陶瓷基复合材料

3、(CMC)具有密度低、耐高温、高比强、抗氧化、高化学稳定性和高导热性等一系列优点[1-41,可广泛地应用于新型基片、汽车刹车盘、飞机机翼前缘、先进燃气涡轮发动机等部件15-7]，正成为新一代有着广阔应用前景的高温结构材料。由于在CMC的生产过程中的存在着制作工艺多样、制作步骤繁复等因素的影响，不可避免地在材料内部会存留缺陷，这对材料质量的稳定性以及使用的可靠性都造成了不可忽视的影响。因此，如何有效通过检测方法判断材料内部缺陷性质，如何有效地提高材料在服役过程中的可靠性是十分迫切的问题。采用合适的无损检测和评价(NDT／NDE)方法

4、对CMC原材料的制造阶段、实用构件的组装阶段、材料服役阶段以及损伤材料修复阶段进行有效质量控制，对保证产品质量以及提高产品使用的可靠性等都具有重要意义【8】。作为高温结构材料的CMC常在高温、热振、燃气等环境中服役，CMC也具有典型的复合材料各项异性和不均匀特性，这些因素的存在导致在材料的制备过程中其内部容易产生如分层、夹杂、气孑L和密度不均等缺陷，以及在材料的使用过程中容易产生氧化、冲击、压痕等环境损伤。应用于CMC内部缺陷及环境损伤的无损检测手段有多种，包括x射线、红外热成像、显微分析、激光全息、工业CT、超声波以及磁粉探伤等

5、方法，不同的检测方法对于不同的缺陷以及损伤的敏感性，以及在成本、速度等方面存在着差异，选择合适的检测方法具有相当的重要性[9】。目前常用于CMC无损检测的方法包括X射线检测、工业CT、红外热成像、声发射以及超声波检测等方法，其他技术如贝塔背散射、核磁共振以及中子射线等，都被尝试用于CMC无损评价，但这些方法仍需改进【l01。CMC无损检测方法及原理1太赫兹检测太赫兹波是类似于无线电波的立QyEB曼工Q尽Y．主；￡里盟电磁波，其波长范围为30仙m～3mm，频率范围为IOOGHz～10THz。利用太赫兹波对大部分陶瓷、玻璃等非金属，树

6、脂、橡胶等非极性材料有较好的穿透能力⋯】，结合各种成像方法，就能够对材料中所包含的缺陷进行无损检测。太赫兹元损检测技术是在太赫兹波谱技术的基础上建立起来的。材料的太赫兹光谱可通过多种方式获得，包括：傅里叶变换光谱(FourierTransformSpectrum)，技术窄波段光谱以及太赫兹时域光谱技术(TerahertzTimeDomainSpectroscopy)(如图1所示)，这种技术其电场被相干测量，可提供丰富的光谱图像[12]a在太赫兹无损检测过程中，通常是运用已知波形的太赫兹波对被测物体进行照射，太赫兹波与被检测样品发生

7、相互作用后在辐射源处或其附近被接收，利用被测样品的介电性质或者样品本身的不连续性质对太赫兹信号产生的影响，通过测定并分析太赫兹信号的改变从而可以得到被测样品的内部结构。2xa,-t线检测图2是x射线检测原理示意图，强度为厶的X射线透过厚度为z的物体后，其强度，(不考虑散射的影响)可由比尔定律计算[131：I=厶e叩(1)如途中遇有厚度为Ax的缺陷，射线强度变为：图1太赫兹时域光谱透射探测系统示意图Fig1Schematicoftransmissionterahertztime—domainspectroscopicsystem图2

8、×射线照相原理图Fig．2PrincipleofX-rayradiographyx射线机x射线被检测件缺陷x射线胶片蟹=r—I=I葛婶、x一曲卜p6x—Ii舢02、)式中，∥和∥7分别为无缺陷与有缺陷处的衰减系数(线吸收系数)。当Ax较小时，取一阶