杜向阳　段涵呓

摘 要：陶瓷基复合材料是一种重要的超高温材料，具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化和抗烧蚀等优异性能，其中，性能最好的一种是连续纤维增韧陶瓷基复合材料。采用声速测算的方法对材料的质量进行评估，实现对材料不均匀性的质量评价。

关键词：复合材料；声速测算；红外热波；底波

中图分类号：TB332 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.02.008

C/SiC陶瓷基复合材料（CMCs）作为航空领域的重要新兴材料，国内外对这种材料的研发和应用投入越来越大。材料内部容易产生不连续性。这些不连续性会影响材料的使用性能，甚至会彻底损坏，进而给国家造成不可挽回的损失。目前，应用广泛、研究较为热门并且性能最好的一种是连续纤维增韧陶瓷基复合材料（CFCC）。国内外采用红外热波对其进行检测，能够获得一些材料特征，但红外热波的检测深度不足，大大制约了其检测能力。本文通过分析超声检测中的重要参数——声速与材料本征的关系来评估材料质量，并通过实际声速测算来与理论分析进行结论性判定。

1 材料介绍

陶瓷基复合材料是以陶瓷材料为基体，加入另外一种或几种具有不用性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。CFCC-SiC的制备方法主要有PIP、RMI、CVI和SIHP四种。制造CFCC最适合的方法之一是化学气相浸渗法（CVI）。根据流场和温度场的特征，CVI法共有五种，其中，ICVI法是最简单也是最常用的方法。但存在以下问题：①制备周期长，成本高；②易在纤维预制体表面形成封闭的外壳，形成较大的内外层密度差和内部闭孔；③材料的不均匀特性，导致对其进行质量控制非常困难。

2 检测原理

CFCC-SiC结构的复杂性，使其不可避免地产生宏观与微观缺陷。因此，必须建立起超声对材料性能影响的评价体系，最大程度地发挥CFCC-SiC的功能。声速测量的方法有很多种，用检测仪器测量声速是最简便的，可用单探头反射法，也可用双探头穿透法。可采用按时间刻度或带时标的检测仪，测量声速的方法如下：将探头对准大平底，调节仪器，使始波与底波一次分别对准不同的刻度，测出工件厚度。声速按下式计算，其中，反射法的计算公式为：

. （1）

穿透法的计算公式为：

. （2）

式（1）（2）中：C为声速；d为工件厚度；t为时间。

3 检测分析

在相同的条件下，对试块相同点采用直接脉冲反射法和透射式脉冲反射法进行测量，具体如图1所示。反射法是始波后面的第一个底波在试块中经过反射而被探头接收到的，相当于声波经历了2倍试块厚度的声程后返回发射探头，如图1左边所示。透射式脉冲反射法中始波后面的第一个底波，则是声波由发射探头发出穿过试块直接被对面的接收探头接收到的波，如图1右边所示。透射式脉冲反射法所获得的第一个波比反射法少了1倍的声程，减少了1倍声程的声波衰减，后面相应的波同样有1倍声程衰减的差异。CFCC-SiC材料内部的复杂性，使得1倍声程的差异很大，造成波形变化。

在实验过程中，底波衰减严重，在试块上的二次底波并不明显。那么用反射法就会导致无法对整块试块的声速进行完全的测量，且有较大的误差。而使用穿透法时，声波能量只穿透工件一次，便被探头接收，减少了衰减，使声速的测量更加准确，波形也更加清晰，便于测量。本文采用透射式脉冲反射法来进行实验。

图1 反射法与透射法示意图

本实验在试块上划分了16×9格子，采用了2个2.5 MHz的探头用穿透法对试块的声速和一次底波振幅进行了测量，并对测量所得数据进行了Matlab数据分析，具体结果如图2所示。

（a）试块声速图像分析 （b）试块振幅图像分析

图2 Matlab数据分析结果

4 结束语

针对陶瓷基复合材料这一新型材料，本研究采用声学方法进行材料内部结构的测试。由于复合材料的孔隙较多、较杂，所以测试图像分布不均。通过以上分析测量，可知图像的这一分布情况可以反映该材料的内部空隙。就测量的稳定性来看，声速表征法能容易且快速应用于材料性能声学表征研究中。

参考文献

[1]梅辉，成来飞，邓晓东，等.材料表面下缺陷的红外热波成像检测[G]//第十五届全国复合材料学术会议论文集.北京：国防工业出版社，2008.

〔编辑：王霞〕