对于先进陶瓷材料而言,其卓越性能的发挥高度依赖于内部结构的完整性。尺寸通常小于100μm的微观缺陷,如孔洞、夹杂和裂纹,是决定其最终可靠性的关键。因此,对这些微小瑕疵进行精确的无损检测(NDT)成为材料研发与品控流程中不可或缺的一环。在众多检测技术中,X射线检测,特别是利用微焦点X射线源的接触法与投影放大法,因其高分辨率和穿透能力,成为探测陶瓷内部秘密的核心手段。
X射线检测的基本原理依赖于材料对射线的衰减效应。不同物质具有不同的X射线线衰减系数 (μ),当射线穿过含有缺陷(如密度极低的孔洞或密度迥异的夹杂物)的陶瓷基体时,会产生可被探测器捕捉到的强度差异,从而在影像上形成衬度。
表1:不同能量下陶瓷材料及相关元素的X射线线衰减系数 (μ)
能量/keV | 碳化硅(SiC) | 氮化硅(Si3N4) | 铁(Fe) | 硅(Si) | 碳© | 空气 (代表孔洞) |
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10 | 76.98 | 70.66 | 1410.0 | 81.10 | 5.060 | 0.0058 |
20 | 10.23 | 9.41 | 207.0 | 10.60 | 0.952 | 0.0011 |
30 | 3.36 | 3.13 | 65.1 | 3.38 | 0.559 | 0.0050 |
40 | 1.69 | 1.62 | 28.6 | 1.62 | 0.445 | 0.0030 |
50 | 1.10 | 1.06 | 15.2 | 1.00 | 0.413 | 0.0010 |
60 | 0.846 | 0.83 | 9.52 | 0.74 | 0.389 | 0.0002 |
80 | 0.629 | 0.63 | 4.71 | 0.520 | 0.360 | 0.0002 |
100 | 0.536 | 0.54 | 2.93 | 0.428 | 0.340 | 0.0002 |
150 | 0.391 | 0.40 | 1.54 | 0.298 | 0.273 | 0.0002 |
从表中可见,铁(Fe)等重元素的衰减系数远高于SiC、Si3N4等陶瓷基体,而空气(孔洞)的衰减系数则几乎可以忽略不计。这种巨大的差异是X射线能够有效识别高密度夹杂物和孔隙类缺陷的物理基础。
对于低密度的未烧结陶瓷(生坯),为了获得最佳的图像对比度,通常选用微焦点低能或软X射线。例如,采用钼阳极微焦点X射线源,在30-60kV工作电压范围内产生17-20keV能级的特征光子,对4mm厚的未烧结SiC和Si3N4试样进行检测。实验数据显示,在90%的检出概率下,两种材料的检测灵敏度几乎一致,约为2.5%(缺陷尺寸与试样厚度的比值)。