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從航空推進技術的發(fā)展歷程來看，新一代航空發(fā)動機發(fā)展的首要目標是持續(xù)提高推重比。隨著推重比的大幅增加，發(fā)動機熱端構件服役環(huán)境變得越來越苛刻。在承受高溫載荷的同時，高推重比發(fā)動機的燃燒室、加力燃燒室及渦輪等關鍵熱端構件還需要保持甚至提高結構強度和耐久性，并進一步降低結構重量。在這種極端服役環(huán)境下，即使采用先進的氣膜冷卻和熱障涂層技術，傳統(tǒng)高溫合金的工作溫度也已超過1100 ℃的使用極限，無法滿足新一代航空發(fā)動機的研制需求。

陶瓷基復合材料（CMC）是一種兼具金屬和陶瓷性能優(yōu)點的新型結構功能一體化材料，通過各結構單元的優(yōu)化設計產(chǎn)生協(xié)同效應，進而達到性能的合理匹配，在減輕結構質量和提高燃燒效率方面具有無可比擬的優(yōu)勢。采用顆粒、晶須或纖維等增強體對陶瓷材料進行補強增韌后，陶瓷基復合材料的性能得到了顯著提升。這種復合材料不再像傳統(tǒng)陶瓷那樣脆性大、對裂紋敏感，而是展現(xiàn)出一種類似于金屬的“假塑性”斷裂行為，且兼具陶瓷質輕、耐超高溫、抗腐蝕等優(yōu)異性能。

20世紀80年代以來，國外圍繞航空發(fā)動機陶瓷基復合材料開展了大量研究工作，美國、法國、英國和日本等國家圍繞陶瓷基復合材料相繼組織實施了多個專項研究計劃，形成了完備的工藝研發(fā)、材料和構件制備、試驗驗證和服役應用全鏈條技術體系，實現(xiàn)了燃燒室、噴管、渦輪外環(huán)和導向葉片等發(fā)動機關鍵熱端部件的工程化應用。

近年來，為適應新一代航空發(fā)動機的研制需求，我國也開展了一系列重大研發(fā)工程，重點開展了陶瓷基復合材料工藝探索、制備加工和考核驗證等基礎性研究，并完成了部分典型熱端部件的裝機考核試驗，有力支撐了我國航空工業(yè)的發(fā)展。

 

航空陶瓷基復合材料發(fā)展與應用

國外陶瓷基復合材料相關研究最早可追溯到20世紀中期，經(jīng)過多年來的發(fā)展，目前國外陶瓷基復合材料逐步由基礎研究轉入工程測試及應用階段，其中美國、英國、法國和日本等國在陶瓷基復合材料的研究及應用方面處于領先地位，其在先進航空發(fā)動機的典型應用部位如圖1所示。

20世紀80年代，法國Snecma公司將陶瓷基復合材料噴管調節(jié)片/密封片應用在M53-2發(fā)動機上進行350小時的整機試驗考核，并在幻影2000戰(zhàn)斗機上進行實戰(zhàn)測試飛行，20世紀90年代，Snecma公司先后將C/SiC和SiC/SiC陶瓷基復合材料分別在推重比更高的M88-2發(fā)動機尾噴口的外調節(jié)片和內調節(jié)片上進行試車考核，從1996年開始，C/SiC陶瓷基復合材料外調節(jié)片已經(jīng)在M88系列發(fā)動機上使用，目前服役的C/SiC外調節(jié)片情況良好，能夠滿足發(fā)動機長期使用要求。

GE、羅羅等公司也圍繞航空發(fā)動機高性能CMC材料及部件開展了大量研究。GE公司將陶瓷基復合材料應用于F414渦扇發(fā)動機和民用GEnx發(fā)動機的渦輪外環(huán)、尾噴管、燃燒室火焰筒、渦輪靜葉等熱端部件。2009年，該公司研制的SiCf/SiC復合材料低壓導向葉片在F136發(fā)動機上完成驗證，并于2010年完成首飛。羅羅公司采用CVI+MI連用工藝制備SiC/SiC陶瓷基復合材料密封片，并計劃在2025年前后將噴管、渦輪外環(huán)整環(huán)部件等應用于發(fā)動機。此外，羅羅公司的“超扇”（UltraFan）發(fā)動機將采用耐高溫的陶瓷基復合材料部件以提高燃燒效率。

 

陶瓷基復合材料在國外航空發(fā)動機上的應用及驗證情況如表1所示。

表1 陶瓷基復合材料在國外航空發(fā)動機上的應用及驗證情況

進入21世紀以來，隨著我國軍民機航空發(fā)動機型號研制的不斷深入，國內高校和航空發(fā)動機主機場所在CMC復合材料在航空發(fā)動機上的構型設計、考核驗證和工程化應用等方面開展了大量研究工作，形成了初具規(guī)模的陶瓷基復合材料制備、試驗和考核驗證技術體系。

目前，國內CMC復合材料的研制單位主要有國防科技大學、西北工業(yè)大學、北京航空材料研究院、中國商發(fā)、北京航空航天大學、廈門大學等機構。

國防科技大學在20世紀80年代初開始了SiC先驅體及陶瓷纖維的研制工作，1988年又開展了陶瓷先驅體轉化法制備陶瓷基復合材料的研究，已經(jīng)從試驗階段轉向實際應用階段，目前，國防科技大學已經(jīng)先后研制并開發(fā)出聚碳硅烷、聚硅氮烷、聚硅氧烷等陶瓷先驅體，生產(chǎn)出的陶瓷基復合材料構件性能明顯改善。

西北工業(yè)大學研制出某型燃燒室浮動瓦塊、密封片、內錐體、渦輪外環(huán)、火焰筒內環(huán)等零件，開展了燃燒室浮動瓦塊臺架試驗，完成了1047~1227 ℃、2 MPa狀態(tài)下持續(xù)30 min的考核，利用發(fā)動機整機平臺，對全尺寸CMC調節(jié)片進行了全工況的掛片考核，試驗測得材料的壁面溫度達1047 ℃。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國外CMC復合材料已經(jīng)在高溫渦輪葉片、高溫燃燒室、調節(jié)/密封片等部件上進行了相關典型件測試，航空發(fā)動機噴管調節(jié)片/密封片等中溫中等載荷靜止件已完成全壽命驗證并進入實際應用和批量生產(chǎn)階段，燃燒室火焰筒和內外襯等高溫中等載荷靜止件正進行全壽命驗證，有望進入實際應用階段。

同時，國內近年來針對先進航空發(fā)動機熱端部件開展了大量陶瓷基復合材料的研究工作，研制了各類模擬件和試驗件，如尾噴管的密封片/調節(jié)片、加力燃燒內錐體、主燃燒室火焰筒、高壓渦輪外環(huán)、渦輪導葉等。相繼完成了部分構件模擬發(fā)動機工況的靜力試驗和環(huán)境等各項試驗考核，并已進行了掛片試車考核，但在航空發(fā)動機陶瓷基應用方面還處于起步階段，尚未實現(xiàn)陶瓷基構件的規(guī)模化工程應用。

 

典型缺陷/損傷類型與特征

陶瓷基復合材料優(yōu)異的抗氧化和耐高溫性能，使其成為先進航空發(fā)動機耐高溫關鍵部件的理想材料。但陶瓷基復合材料復雜的制備工藝及極端惡劣的工況會導致其出現(xiàn)各類缺陷/損傷，缺陷/損傷的出現(xiàn)、累積和擴展會顯著降低陶瓷基復合材料的綜合性能。因此，明確陶瓷基復合材料典型缺陷/損傷的特征是陶瓷基復合材料高效無損檢測與評估的基礎和前提。

 

1、制造缺陷

目前，陶瓷基復合材料的主流制備工藝主要包括化學氣相滲透（CVI）、聚合物先驅體浸漬裂解（PIP）、反應熔體滲透（RMI）及CVI-PIP聯(lián)用工藝等，一般而言，不同工藝制備的陶瓷基復合材料在微觀組織、密度、孔隙率、缺陷類型及特征等方面也存在一定的差異。綜合而言，法國在CVI技術方面處于領先地位，日本擁有聚碳硅烷和連續(xù)SiC纖維制備技術，主要開展PIP法的研究，德國的MI技術世界領先，美國在PIP、CVI和MI工藝上均有較高的研究水平。

不同制備工藝的區(qū)別主要在于陶瓷基體引入的方式不同，制造缺陷的類型和特征也有所差異。

對于CVI工藝，主要由氣相前驅體原位反應生成固態(tài)陶瓷基體，不需要引入其他物質反應，因此基體的純度較高，缺陷相對較少，但由于氣相沉積過程難以有效填充纖維束間的大孔，因而在纖維束間易出現(xiàn)大尺寸的菱形孔洞，且在CVI致密化后期，氣體在預制體內部傳質效率進一步降低，導致材料具有較高的孔隙率。

對于PIP工藝，一般利用高溫浸漬設備將前驅體溶液浸漬到預制體中，經(jīng)過反復的交聯(lián)、裂解、陶瓷化過程，最終得到陶瓷基復合材料，但由于PIP工藝中存在有機到無機的轉化過程，陶瓷基體容易出現(xiàn)含氧和富碳現(xiàn)象，且轉化過程伴隨一定的體積收縮，導致基體存在較多的微裂紋，在微觀結構上呈現(xiàn)基體不連續(xù)，在宏觀上表現(xiàn)出較強的局部非均質性。

對于RMI工藝，首先采用真空注型機將含一定比例陶瓷顆粒的懸浮料漿注入負型模具內，固化后真空燒結得到富碳多孔體，隨后，在多孔體表面包埋硅顆粒，在高溫高壓條件下進行熔融滲硅處理，通過硅與碳反應生成陶瓷基體，通常來說，RMI工藝制備的陶瓷基復合材料相對較為致密，但制備過程中不可避免地存在一定量的殘余硅相，導致材料的耐溫能力有所降低。

CVI-PIP聯(lián)用工藝充分結合了兩種單一工藝的優(yōu)點，即首先由CVI工藝制備界面相和填充纖維束內小孔，隨后采用PIP工藝填充纖維束間的大尺寸孔洞，最后再用CVI工藝進行致密化處理，因此，采用聯(lián)用工藝制備的陶瓷基復合材料微觀組織更為均勻，綜合性能也更為穩(wěn)定。

綜上所述，盡管每種制備成型工藝的特點各異，可能產(chǎn)生的缺陷類型及其特征也不盡相同。但從近年來的研究工作來看，陶瓷基復合材料中的典型制造缺陷主要包括孔隙、孔洞、夾雜、裂紋和分層等五類。

其中，孔隙是陶瓷基遍存在的一類缺陷，如圖2(a)所示。單個孔隙的尺寸一般在微米量級，隨機彌散分布在陶瓷基體中，一般以孔隙率這一整體性概念出現(xiàn)，雖然孔隙率與陶瓷基復合材料性能間還未建立明確的量化關系，但一般認為孔隙率過高會顯著降低材料的力學性能，而孔隙率過低則會影響材料的耐高溫能力。

孔洞與沉積過程和高溫裂解的程度密切相關，如圖2(b)所示，雖然與孔隙具有相似的隨機分布特征，但單個孔洞尺寸一般在毫米量級，在細觀尺度能夠很容易觀測到孔洞的存在。

夾雜一般是前驅體轉化不完全或熔融滲硅殘留所致，由于此類缺陷一般表現(xiàn)為元素偏聚或化合物的形式，因此，主要在工藝驗證階段采用EDS能譜等高精度手段進行分析。

裂紋主要是由于轉化過程體積收縮、內應力或組成相性能失配引起的界面分離，如圖2(c)所示，微裂紋的尺寸一般在幾十至百微米量級，而貫穿裂紋和層間裂紋的尺寸可達幾毫米甚至幾十毫米。

分層是一類典型的面積型缺陷，常見于2D陶瓷基復合材料層間，在2.5D和3D結構中較為少見，如圖2(d)所示。分層缺陷的面積一般較大，在剪切力的作用下會迅速擴展，最終導致結構失效破壞。

除了上述典型缺陷外，基體浸漬不均、預制體纖維屈曲、斷裂和缺失等也是陶瓷基復合材料可能產(chǎn)生的制造缺陷。

 

 

 

2、加工與服役損傷

缺陷是指材料在連續(xù)性、純潔度和均勻性方面存在的先天不足，而損傷一般表示外部載荷或環(huán)境引起的材料幾何結構改變或性能退化。對于陶瓷基復合材料，其典型損傷可分為加工損傷和服役損傷兩大類，其中，加工損傷一般是材料或構件制備完成后，后續(xù)機械加工和裝配過程中引入的損傷。

加工損傷與機械加工工藝、裝配流程等密切有關，主要包括工具墜落沖擊、制孔損傷和裝配損傷等，損傷尺寸一般在幾百微米到毫米量級，典型的沖擊損傷宏觀形貌及損傷區(qū)超聲C掃描圖像如圖3所示。

服役損傷是指陶瓷基復合材料部件在使用過程，在結構受力、承載及高溫熱環(huán)境等作用下，產(chǎn)生的各種損傷，如微裂紋擴展、分層和斷裂等，尺寸一般在毫米量級以上。一般來說，服役損傷的形成是一個由點及面、由小到大、逐漸累積的過程。SiC/SiC復合材料在模擬工況下典型損傷及其演變過程如圖4所示。

對于航空發(fā)動機而言，渦輪外環(huán)與導向葉片等熱端部件的服役載荷環(huán)境極端嚴酷，如渦輪外環(huán)服役溫度約1350~1450 ℃、導向葉片約1200~1500 ℃，對陶瓷基復合材料及構件的質量控制、缺陷/損傷與安全性評估要求嚴格。

然而，由于制造工藝復雜、服役環(huán)境惡劣，在基體、纖維束之間及其內部和界面相中不僅容易出現(xiàn)孔洞、夾雜、裂紋、分層、密度不均等體積型和面積型缺陷，而且容易產(chǎn)生使用損傷。這些缺陷和損傷呈現(xiàn)微米至毫米級的跨尺度特征、缺陷/損傷和尺寸圖譜復雜，一旦材料缺陷和使用損傷未及時檢出，可能導致災難性事故，給陶瓷基復合材料質量控制帶來極高難度。

因此，無損檢測與表征技術對陶瓷基復合材料及構件的高質量制造和長壽命服役具有重要作用，陶瓷基復合材料典型缺陷/損傷特點及其無損表征的意義如圖5所示。

 

無損表征技術研究進展

與陶瓷基復合材料研發(fā)和應用幾乎同步，國內外關于陶瓷基復合材料無損表征的研究工作可追溯到上世紀末，最初主要聚焦于檢測方法的可行性分析、理論計算及實驗室試驗驗證等探索性工作。

近年來，隨著陶瓷基復合材料在航空發(fā)動機熱端部件制造和應用領域的逐步推廣，面向工程應用的缺陷/損傷無損表征技術已成為業(yè)內的研究熱點，目的是針對制備成型、機械加工、考核試驗和外場服役的全壽命周期，研究和發(fā)展更為高效可靠的無損表征方法，進一步提高檢測方法的工程可檢性、可靠性和適用性，目前這方面的研究工作仍在持續(xù)深入中。

總體而言，射線、超聲、紅外、電阻抗、太赫茲及聲發(fā)射等方法均有所應用，表征對象涉及纖維束、預制體、坯料、機加件和裝機件等不同制備加工階段和服役周期的材料和結構。

 

1、射線檢測技術

目前，應用于無損表征領域的射線檢測技術主要包括膠片成像、數(shù)字射線成像技術（DR）及最新的計算機層析成像技術（CT）等。

傳統(tǒng)的膠片成像技術由于膠片處理復雜、曝光場地限制，存在廢液和排污處理等問題，已經(jīng)逐漸被DR技術所取代。

DR技術采用數(shù)字探測器代替感光膠片，具有可實時成像、檢測效率高、成本低等優(yōu)勢，是目前陶瓷基復合材料檢測最為常用的方法之一，但受限于入射角度的限制，DR技術對垂直于射線入射方向的裂紋和分層等面積型缺陷不敏感，檢測效果較差。

CT是一種基于射線穿透效應的三維成像技術，射線穿透樣品后在探測器上形成二維投影，將樣品按一定的步進角旋轉，再通過重建算法對不同角度的投影進行三維成像。其中，工業(yè)CT已廣泛用于航空航天、軌道交通、生物醫(yī)學等領域，常規(guī)工業(yè)CT的檢測分辨率一般在毫米量級。而采用微焦點射線源的顯微CT成像技術，可直接獲得檢測對象在微米量級上的空間位置、形狀及尺寸信息，且圖像便于存儲、傳輸、分析和處理，圖6給出了典型的二維編織SiC/SiC陶瓷基復合材料顯微CT檢測圖像。但由于受到硬件性能和三維重建算法計算成本的限制，高精度微納顯微CT技術目前只能對尺寸在毫米量級的樣品進行精確定量分析，加之高昂的檢測成本和高級別的輻射防護措施，限制了其應用范圍。

 

 

2、超聲檢測技術

超聲檢測技術具有靈敏度高、檢測速度快、成本低和對人體無害等優(yōu)點，已成為航空工業(yè)中應用最為廣泛的無損檢測技術之一。

超聲波在非均勻介質中傳播時，超聲波場與異質界面、增強相和孔隙等散射體相互作用會引起聲波的反射、折射和散射，回波信號中攜帶了大量反映材料密度、組分含量、微觀結構等特征信息。利用時域、頻域及時頻域等信號處理技術提取聲速、聲衰減、頻譜質心偏移、背散射系數(shù)等超聲特征參量，通過分析這些參量的變化即可實現(xiàn)材料特性的無損表征。

國內外報道了超聲檢測技術在陶瓷基復合材料檢測方面的最新進展，研究工作涉及常規(guī)超聲、相控陣超聲、聲-超聲和激光超聲等。

孫開廣等制備了預埋人工缺陷的C/SiC陶瓷基復合材料試樣，利用自主研制的激光激勵、激光探測的全光學激光超聲無損檢測系統(tǒng)進行試驗研究，實現(xiàn)了陶瓷基復合材料分層檢測。C/SiC陶瓷基復合材料人工缺陷及其激光超聲C掃描圖像如圖7所示，激光超聲檢測技術可以有效表征C/SiC復合材料內部直徑5 mm以上的分層。但超聲檢測也存在非均質材料衰減大、信噪比低、存在表面檢測盲區(qū)及對小尺寸的缺陷檢測靈敏度不高等局限性。

3、紅外檢測技術

紅外熱成像技術主要利用不同材料熱輻射特性的差異，通過熱成像系統(tǒng)觀測溫度場異常分布來識別物體的內部缺陷。該技術主要用于大型構件的全場實時檢測，檢測速度是常規(guī)超聲C掃描的30倍以上，具有操作簡單、檢測結果直觀和便于原位檢測等特點。

國內外開展了大量紅外檢測方法的可檢性試驗研究，結果表明，紅外檢測方法對較薄的復合材料試樣中的近表面沖擊損傷、平底孔類的模擬缺陷有一定的檢出能力。

鄧曉東等利用紅外熱波檢測技術對含人工模擬缺陷C/SiC試樣盲孔的孔徑和深度做定量檢測，如圖8所示。

現(xiàn)有研究表明，紅外熱波適合陶瓷基復合材料近表面缺陷的檢測，理論上可通過熱傳導時間定量給出缺陷的大小和深度。但由于探測器自身性能的限制和外部環(huán)境變化的影響，從熱像圖中對小尺寸缺陷識別和微觀組織均勻性的定量分析有一定難度。此外，紅外熱成像技術對位置較深的缺陷檢測靈敏度較低，一般認為，使用主動熱成像技術識別陶瓷基復合材料中的缺陷時，材料的最大厚度僅為2~3 mm。

 

4、太赫茲檢測技術

太赫茲輻射可以穿透塑料、陶瓷、纖維和泡沫等非極性分子材料，非常適合陶瓷基復合材料的無損表征，已逐漸發(fā)展為CT、超聲與紅外熱像等傳統(tǒng)無損檢測技術的重要補充。

太赫茲檢測技術在陶瓷基復合材料及其他非極性復合材料的無損檢測中得到了廣泛應用。

長春理工大學李麗娟等通過建立單點厚度檢測模型和光學參數(shù)的提取，將太赫茲檢測技術用于陶瓷基復合材料密度分布檢測和孔洞缺陷尺寸檢測，進行定量測量，實驗獲取了較為理想的時頻光譜分析結果及成像結果，顯示出太赫茲檢測技術在缺陷/損傷檢測和探究材料特征方面具有一定的揭示作用。

李鐵軍等提出了一種時頻域多模式新光譜成像方法，對內含缺陷的4種陶瓷基復合材料樣本實現(xiàn)了無損檢測，形成了檢測樣本的太赫茲圖像庫，并引入5個圖像質量的客觀綜合評價指標，通過指標融合處理選出了質量較佳的太赫茲圖像，基于尺度不變特征變換與K值聚類實現(xiàn)了該圖像的檢索，如圖9所示，該方法可有效地對氧化鋯陶瓷基復合材料不同位置處的不同寬度缺陷進行成像檢測。

但由于太赫茲檢測設備功率和功能等的差異，對于很多低功率的檢測設備，僅僅采用單一的成像模式，常常無法有效成像。因此，有必要采用調整太赫茲的成像模式并結合后期太赫茲圖像處理的方法，提高太赫茲成像質量，以滿足陶瓷基復合材料無損表征的需求。

 

5、計算機輔助智能檢測技術

除以上檢測技術外，近年來各種無損表征新技術也逐漸應用于陶瓷基復合材料缺陷/損傷表征，如利用電阻或電阻率變化表征陶瓷基復合材料損傷演變情況的電阻檢測技術，通過分析材料受力或損傷擴展產(chǎn)生聲發(fā)射信號進行缺陷/損傷監(jiān)測的聲發(fā)射技術以及結合表面光學成像和人工智能算法的機器視覺技術等。

在電阻抗檢測方面，Smith等開展了大量基于電阻法對陶瓷基復合材料進行損傷評估的研究，研究發(fā)現(xiàn)材料的電阻對于組分含量、纖維結構和應力/應變歷史十分敏感。利用包含基體開裂密度和應變參數(shù)的函數(shù)關系能夠擬合加卸載循環(huán)過程中電阻的變化。

由于基體裂紋的萌生是導致復合材料在氧化環(huán)境下熱力性能退化的主要原因，Morscher等在SiC基體中浸入導電性更高的Si 使電阻法對基體開裂更為敏感，并利用串并聯(lián)電阻組合的電路模擬橫向基體裂紋和纖維/基體單元；欒新剛利用電阻測量研究3D C/SiC復合材料在復雜耦合環(huán)境中的損傷機理。由于試驗機和夾頭處在常溫環(huán)境中，其電阻值基本不變，因此電橋電阻的變化直接反映了試樣電阻的改變。

在聲發(fā)射檢測方面，Mansour等將聲發(fā)射技術運用到編織SiC/SiC復合材料的損傷檢測之中，發(fā)現(xiàn)累積聲發(fā)射能量與SiCf/SiC復合材料中的橫向基體裂紋密度線性相關；Almansour等研究了聲發(fā)射法確定基體裂紋對施加載荷的依賴性，采用兩種基于聲發(fā)射的方法獲得了裂紋密度的演化，利用聲發(fā)射事件的累積能量建立方法和基于聲速測量速度的新技術；Rodrguez等采用CLAP-Wave方法監(jiān)測巖石試樣在壓縮載荷下的損傷累計，證明了聲速與試樣的損傷程度相關，并實現(xiàn)損傷三維定位；黃喜鵬等通過循環(huán)加卸載試驗測量了2D C/SiC復合材料整個拉伸過程中不同應力水平處的聲速變化，研究了聲速對2D C/SiC復合材料的損傷表征，研究發(fā)現(xiàn)，隨著應力水平的不斷增加，聲速逐漸下降，2D C/SiC復合材料損傷程度對聲波在材料中的傳播速度有較大影響。

目前，這些研究還處于原理探索和實驗室試驗研究層面，距離解決工程應用中的陶瓷基復合材料檢測表征要求和技術成熟度差距還很大，但這些研究為探索新的陶瓷基復合材料表征與評估方法打下了堅實的基礎。

 

存在的問題與挑戰(zhàn)

綜上所述，近年來關于陶瓷基復合材料缺陷/損傷的無損表征研究已取得了豐碩的研究成果，射線、超聲、紅外熱成像、太赫茲及聲發(fā)射等無損檢測技術均有所應用，但在方法適用性、缺陷/損傷可檢性和工程可用性等方面依然存在諸多技術問題和挑戰(zhàn)亟需解決。

 

1、方法適用性：

制備工藝復雜和多相復合的特點，導致陶瓷基復合材料缺陷/損傷表現(xiàn)出較強的隨機和多樣性，而對于不同的無損表征方法，用于缺陷/損傷判別和定量的信號處理方法和表征效果也有很大差異。

例如，超聲檢測技術對面積型缺陷/損傷較為敏感，適用于裂紋、分層和脫粘等缺陷/損傷的表征，射線檢測技術對孔洞、夾雜等體積型缺陷具有較好的檢測效果，紅外方法對厚度較薄的陶瓷基復合材料中表面和近表面缺陷/損傷具有一定的適用性，太赫茲檢測技術則主要適用于SiC/SiC等非極性陶瓷基復合材料。

此外，同一表征方法檢測參數(shù)和工藝的適用性也亟待細化，進一步提高方法的精度和魯棒性。

因此，后續(xù)工作需要綜合考慮制備工藝、缺陷類型等因素，針對性地選擇適合的表征方法和檢測工藝，開展充分的方法適用性研究和試驗驗證。

 

2、缺陷/損傷可檢性：

陶瓷基復合材料中多種缺陷/損傷并存，且在外界環(huán)境和載荷作用下會進一步轉化、演變和擴展，因此，實現(xiàn)缺陷/損傷在全壽命周期時間歷程內的跟蹤記錄對陶瓷基復合材料基礎研究具有重要意義。

通過前述分析可知，單一的無損表征技術難以實現(xiàn)多類型缺陷/損傷的全覆蓋檢測，應著力發(fā)展多種檢測技術相結合的一體化表征系統(tǒng)，實現(xiàn)多類型缺陷的同步跟蹤表征。

此外，陶瓷基復合材料的缺陷/損傷具有明顯的多尺度特征，孔隙和微裂紋的尺寸一般在幾十微米量級，而孔洞和分層的尺寸通?？蛇_幾毫米至幾十毫米。

因此，在檢測過程中不應偏執(zhí)于追求檢測精度和靈敏度，而是根據(jù)實際需求和檢測要求有所側重。

 

3、工程可用性：

目前，現(xiàn)有陶瓷基復合材料無損表征研究主要以實驗室環(huán)境下的方法探索和試驗驗證為主，在工程化應用方面的研究還面臨較大的挑戰(zhàn)。

在產(chǎn)品制造階段，應著力解決產(chǎn)品缺陷/損傷的質量符合性問題，通常需要結合不同熱端部件對陶瓷基復合材料的質量要求和缺陷檢出要求，開展針對性的試驗規(guī)劃與工程驗證，制訂相關的缺陷/損傷檢測標準和工藝流程。

在外場服役和運營階段，應充分考慮環(huán)境、檢測窗口、經(jīng)濟性等多重因素，根據(jù)損傷容限設計準則和前期積累的試驗數(shù)據(jù)確定合理的檢測間隔和檢測手段，在保證結構安全的前提下進一步縮短檢測時間，降低制造和運營成本。

 

未來發(fā)展趨勢

盡管國內科研院所開展了陶瓷基復合材料及構件制造工藝和典型缺陷研究，但是更注重成型材料及構件的無損檢測和質量檢驗，對陶瓷基復合材料及構件在制造工藝過程中的缺陷類型特征、跨尺度、多樣性和遺傳性、形成演變機理并不清楚。

因此，如何深入研究缺陷對材料力學性能的影響規(guī)律，建立陶瓷基復合材料工藝-缺陷-性能的映射關系，形成陶瓷基復合材料及構件缺陷/損傷圖譜，是未來陶瓷基復合材料無損表征技術的優(yōu)先發(fā)展方向。

在CVI、PIP、RMI等不同的制造工藝下，具有不同的沉積和致密化時間，陶瓷基復合材料及構件的預制體、界面相、纖維束和基體內部等會呈現(xiàn)孔洞、夾雜、裂紋、分層、密度不均等不同缺陷類型和特征，影響材料及構件制造質量和服役性能。

然而，由于缺陷識別判據(jù)、無損檢測工藝標準和合格判據(jù)的缺少，當前無損檢測主要針對陶瓷基復合材料與成品件開展微焦點或工業(yè)CT無損檢測，存在數(shù)據(jù)量大、成本高，而且細微觀缺陷的影響尚無法評估等問題。

此外，由于缺陷/損傷圖譜與統(tǒng)計數(shù)據(jù)不足，缺陷智能識別與評價技術尚未建立，未能有效解決人工識別缺陷效率低、可靠性差的問題。

因此，如何明確缺陷/損傷檢測閾值、建立適用于陶瓷基復合材料制備質量控制和服役損傷的特征譜系，建立基于人工智能的缺陷/損傷無損檢測判據(jù)和規(guī)范的無損檢測工藝流程與評判標準，是陶瓷基復合材料無損表征技術未來重要的發(fā)展方向。

航空發(fā)動機熱端部件承受著嚴酷的載荷環(huán)境，同時要求長壽命高可靠安全服役，開展陶瓷基復合材料及構件模擬服役環(huán)境試驗，并借助于在線檢測和表征技術明確缺陷/損傷演化規(guī)律，揭示不同條件下的失效機理，能夠確保熱端構件的綜合性能和安全性。

但是，由于國內航空發(fā)動機陶瓷基復合材料研究起步晚，考核評價方法與應用程度落后，在陶瓷基復合材料及構件的模擬服役環(huán)境試驗考核與缺陷/損傷狀態(tài)在線表征技術研究相對較少，難以充分捕獲模擬服役環(huán)境下陶瓷基復合缺陷/損傷演化規(guī)律，揭示失效機理，成為陶瓷基復合材料及構件多尺度性能評估精度和適用性的瓶頸。

因此，積極發(fā)展陶瓷基復合材料及構件的模擬服役環(huán)境試驗與缺陷/損傷狀態(tài)在線無損表征技術能力，揭示陶瓷基復合材料及構件缺陷/損傷演化規(guī)律與失效機理，是陶瓷基復合材料無損表征技術的重要補充。

從缺陷/損傷成因、種類的角度來看，陶瓷基復合材料的典型缺陷主要包括制造缺陷、加工損傷和服役損傷，具體而言，主要包括孔隙、孔洞、夾雜、裂紋和分層等五類，且不同的缺陷/損傷具有顯著不同的物理特征和尺度。

不同的無損表征技術對不同類型和尺度缺陷的敏感程度和檢出能力不同，需要根據(jù)制備工藝、服役環(huán)境和關注的缺陷/損傷類型，研究和采用針對性的檢測方法。

總體而言，射線、超聲、紅外和太赫茲檢測技術仍然是目前研究的熱點，同時，電阻抗、聲發(fā)射、人工智能及機器視覺等新技術也受到廣泛關注。

從無損檢測方法適用性、缺陷/損傷可檢性和工程可用性的角度看，缺陷/損傷判定準則不明確、相關檢測標準和專用檢測設備缺失是陶瓷基復合材料無損表征技術發(fā)展面臨的主要問題和挑戰(zhàn)。

采用單一的無損檢測技術難以實現(xiàn)陶瓷基復合材料全壽命周期內缺陷/損傷的可靠、高效表征和追蹤，探索和發(fā)展多種檢測技術相結合的一體化表征技術體系，實現(xiàn)多類型缺陷的同步跟蹤表征，是未來陶瓷基復合材料無損表征技術的重要發(fā)展方向。

 

來源：《航空工程進展》

作者：樊俊鈴，張偉，寧寧，詹紹正，楊鵬飛，賈文博

作者單位：中國飛機強度研究所 強度與結構完整性全國重點實驗室

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