超聲聲速測(cè)算在連續(xù)增韌陶瓷基復(fù)合材料檢測(cè)中的可行性研究

杜向陽(yáng)　段涵囈

摘 要：陶瓷基復(fù)合材料是一種重要的超高溫材料，具有耐高溫、低密度、高比強(qiáng)、高比模、抗氧化和抗燒蝕等優(yōu)異性能，其中，性能最好的一種是連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。采用聲速測(cè)算的方法對(duì)材料的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料不均勻性的質(zhì)量評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；聲速測(cè)算；紅外熱波；底波

中圖分類號(hào)：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.02.008

C/SiC陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）作為航空領(lǐng)域的重要新興材料，國(guó)內(nèi)外對(duì)這種材料的研發(fā)和應(yīng)用投入越來(lái)越大。材料內(nèi)部容易產(chǎn)生不連續(xù)性。這些不連續(xù)性會(huì)影響材料的使用性能，甚至?xí)氐讚p壞，進(jìn)而給國(guó)家造成不可挽回的損失。目前，應(yīng)用廣泛、研究較為熱門并且性能最好的一種是連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料（CFCC）。國(guó)內(nèi)外采用紅外熱波對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，能夠獲得一些材料特征，但紅外熱波的檢測(cè)深度不足，大大制約了其檢測(cè)能力。本文通過(guò)分析超聲檢測(cè)中的重要參數(shù)——聲速與材料本征的關(guān)系來(lái)評(píng)估材料質(zhì)量，并通過(guò)實(shí)際聲速測(cè)算來(lái)與理論分析進(jìn)行結(jié)論性判定。

1 材料介紹

陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷材料為基體，加入另外一種或幾種具有不用性質(zhì)的材料，通過(guò)物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。CFCC-SiC的制備方法主要有PIP、RMI、CVI和SIHP四種。制造CFCC最適合的方法之一是化學(xué)氣相浸滲法（CVI）。根據(jù)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的特征，CVI法共有五種，其中，ICVI法是最簡(jiǎn)單也是最常用的方法。但存在以下問(wèn)題：①制備周期長(zhǎng)，成本高；②易在纖維預(yù)制體表面形成封閉的外殼，形成較大的內(nèi)外層密度差和內(nèi)部閉孔；③材料的不均勻特性，導(dǎo)致對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量控制非常困難。

2 檢測(cè)原理

CFCC-SiC結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使其不可避免地產(chǎn)生宏觀與微觀缺陷。因此，必須建立起超聲對(duì)材料性能影響的評(píng)價(jià)體系，最大程度地發(fā)揮CFCC-SiC的功能。聲速測(cè)量的方法有很多種，用檢測(cè)儀器測(cè)量聲速是最簡(jiǎn)便的，可用單探頭反射法，也可用雙探頭穿透法。可采用按時(shí)間刻度或帶時(shí)標(biāo)的檢測(cè)儀，測(cè)量聲速的方法如下：將探頭對(duì)準(zhǔn)大平底，調(diào)節(jié)儀器，使始波與底波一次分別對(duì)準(zhǔn)不同的刻度，測(cè)出工件厚度。聲速按下式計(jì)算，其中，反射法的計(jì)算公式為：

. （1）

穿透法的計(jì)算公式為：

. （2）

式（1）（2）中：C為聲速；d為工件厚度；t為時(shí)間。

3 檢測(cè)分析

在相同的條件下，對(duì)試塊相同點(diǎn)采用直接脈沖反射法和透射式脈沖反射法進(jìn)行測(cè)量，具體如圖1所示。反射法是始波后面的第一個(gè)底波在試塊中經(jīng)過(guò)反射而被探頭接收到的，相當(dāng)于聲波經(jīng)歷了2倍試塊厚度的聲程后返回發(fā)射探頭，如圖1左邊所示。透射式脈沖反射法中始波后面的第一個(gè)底波，則是聲波由發(fā)射探頭發(fā)出穿過(guò)試塊直接被對(duì)面的接收探頭接收到的波，如圖1右邊所示。透射式脈沖反射法所獲得的第一個(gè)波比反射法少了1倍的聲程，減少了1倍聲程的聲波衰減，后面相應(yīng)的波同樣有1倍聲程衰減的差異。CFCC-SiC材料內(nèi)部的復(fù)雜性，使得1倍聲程的差異很大，造成波形變化。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，底波衰減嚴(yán)重，在試塊上的二次底波并不明顯。那么用反射法就會(huì)導(dǎo)致無(wú)法對(duì)整塊試塊的聲速進(jìn)行完全的測(cè)量，且有較大的誤差。而使用穿透法時(shí)，聲波能量只穿透工件一次，便被探頭接收，減少了衰減，使聲速的測(cè)量更加準(zhǔn)確，波形也更加清晰，便于測(cè)量。本文采用透射式脈沖反射法來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 反射法與透射法示意圖

本實(shí)驗(yàn)在試塊上劃分了16×9格子，采用了2個(gè)2.5 MHz的探頭用穿透法對(duì)試塊的聲速和一次底波振幅進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)測(cè)量所得數(shù)據(jù)進(jìn)行了Matlab數(shù)據(jù)分析，具體結(jié)果如圖2所示。

（a）試塊聲速圖像分析 （b）試塊振幅圖像分析

圖2 Matlab數(shù)據(jù)分析結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)陶瓷基復(fù)合材料這一新型材料，本研究采用聲學(xué)方法進(jìn)行材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的測(cè)試。由于復(fù)合材料的孔隙較多、較雜，所以測(cè)試圖像分布不均。通過(guò)以上分析測(cè)量，可知圖像的這一分布情況可以反映該材料的內(nèi)部空隙。就測(cè)量的穩(wěn)定性來(lái)看，聲速表征法能容易且快速應(yīng)用于材料性能聲學(xué)表征研究中。

參考文獻(xiàn)

[1]梅輝，成來(lái)飛，鄧曉東，等.材料表面下缺陷的紅外熱波成像檢測(cè)[G]//第十五屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

〔編輯：王霞〕