杜向陽　段涵囈

摘 要：陶瓷基復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、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)纖維增韌陶瓷基復合材料。采用聲速測算的方法對材料的質量進行評估，實現(xiàn)對材料不均勻性的質量評價。

關鍵詞：復合材料；聲速測算；紅外熱波；底波

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.02.008

C/SiC陶瓷基復合材料（CMCs）作為航空領域的重要新興材料，國內外對這種材料的研發(fā)和應用投入越來越大。材料內部容易產生不連續(xù)性。這些不連續(xù)性會影響材料的使用性能，甚至會徹底損壞，進而給國家造成不可挽回的損失。目前，應用廣泛、研究較為熱門并且性能最好的一種是連續(xù)纖維增韌陶瓷基復合材料（CFCC）。國內外采用紅外熱波對其進行檢測，能夠獲得一些材料特征，但紅外熱波的檢測深度不足，大大制約了其檢測能力。本文通過分析超聲檢測中的重要參數(shù)——聲速與材料本征的關系來評估材料質量，并通過實際聲速測算來與理論分析進行結論性判定。

1 材料介紹

陶瓷基復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的材料，通過物理或化學的方法，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氣相浸滲法（CVI）。根據(jù)流場和溫度場的特征，CVI法共有五種，其中，ICVI法是最簡單也是最常用的方法。但存在以下問題：①制備周期長，成本高；②易在纖維預制體表面形成封閉的外殼，形成較大的內外層密度差和內部閉孔；③材料的不均勻特性，導致對其進行質量控制非常困難。

2 檢測原理

CFCC-SiC結構的復雜性，使其不可避免地產生宏觀與微觀缺陷。因此，必須建立起超聲對材料性能影響的評價體系，最大程度地發(fā)揮CFCC-SiC的功能。聲速測量的方法有很多種，用檢測儀器測量聲速是最簡便的，可用單探頭反射法，也可用雙探頭穿透法?？刹捎冒磿r間刻度或帶時標的檢測儀，測量聲速的方法如下：將探頭對準大平底，調節(jié)儀器，使始波與底波一次分別對準不同的刻度，測出工件厚度。聲速按下式計算，其中，反射法的計算公式為：

. （1）

穿透法的計算公式為：

. （2）

式（1）（2）中：C為聲速；d為工件厚度；t為時間。

3 檢測分析

在相同的條件下，對試塊相同點采用直接脈沖反射法和透射式脈沖反射法進行測量，具體如圖1所示。反射法是始波后面的第一個底波在試塊中經(jīng)過反射而被探頭接收到的，相當于聲波經(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底波，則是聲波由發(fā)射探頭發(fā)出穿過試塊直接被對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，后面相應的波同樣有1倍聲程衰減的差異。CFCC-SiC材料內部的復雜性，使得1倍聲程的差異很大，造成波形變化。

在實驗過程中，底波衰減嚴重，在試塊上的二次底波并不明顯。那么用反射法就會導致無法對整塊試塊的聲速進行完全的測量，且有較大的誤差。而使用穿透法時，聲波能量只穿透工件一次，便被探頭接收，減少了衰減，使聲速的測量更加準確，波形也更加清晰，便于測量。本文采用透射式脈沖反射法來進行實驗。

圖1 反射法與透射法示意圖

本實驗在試塊上劃分了16×9格子，采用了2個2.5 MHz的探頭用穿透法對試塊的聲速和一次底波振幅進行了測量，并對測量所得數(shù)據(jù)進行了Matlab數(shù)據(jù)分析，具體結果如圖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)分析結果

4 結束語

針對陶瓷基復合材料這一新型材料，本研究采用聲學方法進行材料內部結構的測試。由于復合材料的孔隙較多、較雜，所以測試圖像分布不均。通過以上分析測量，可知圖像的這一分布情況可以反映該材料的內部空隙。就測量的穩(wěn)定性來看，聲速表征法能容易且快速應用于材料性能聲學表征研究中。

參考文獻

[1]梅輝，成來飛，鄧曉東，等.材料表面下缺陷的紅外熱波成像檢測[G]//第十五屆全國復合材料學術會議論文集.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

〔編輯：王霞〕