陶瓷基复合材料热氧化损伤的超声无损评价

陶瓷基复合材料（CMC），特别是碳化硅纤维增强的品类，因其在极端高温环境下的卓越性能，被视为先进热力发动机关键推进部件的理想选择。这些材料的设计目标是在高达1600°C的氧化气氛中保持结构完整性。然而，材料的宏观性能很大程度上取决于纤维与基体之间的微观相间层。一旦氧气渗透，这道关键的“防线”就会被削弱。

对于反应粘接氮化硅（Reaction Bonded Silicon Nitride, RBSN）作为基体的SiC_f/RBSN复合材料而言，其固有的20%至40%的连通孔隙，为氧气向内扩散提供了天然通道。氧气可以直接接触并氧化纤维束的末端，或通过多孔基体深入材料内部，与相间层发生反应，导致材料的热力学性能无法稳定维持。同时，高温下材料表面形成的氧化物阻挡层，也使得这种氧化损伤过程与作用时间和温度这两个变量紧密耦合。因此，如何精确、无损地评价其内部的氧化损伤程度，成为确保这些尖端材料安全服役的核心技术问题。

超声波法：探测量化氧化损伤的窗口

为了系统研究时间与温度对氧化损伤的影响，研究人员采用超声波评价技术，对一系列SiC_f/RBSN复合材料试样进行了深入分析。

实验所用的试样，其纤维为Textron Co.生产的CSC S-6，体积分数介于24%至30%之间，采用单向铺层结构[0]₂₈。基体孔隙率控制在30%至35%。研究团队将这些试样分别置于600°C、900°C、1200°C和1400°C的流动氧气环境中，并设定了0.1小时、1小时、10小时及100小时四个不同的氧化时间梯度，以全面捕捉损伤的演化过程。

实验结果与数据解读

通过超声检测，可以获得材料在不同状态下的声学特性，进而反演出其弹性性能的变化。

图1与图2直观地展示了试样在600°C和1400°C条件下，经历100小时氧化前后的相速度与入射角度关系。图中离散的数据点代表了实际测量值，而实线则是基于重建的弹性模量计算出的理论曲线。可以清晰地看到，经过长时间高温氧化后，材料内部的超声波相速度显著下降，尤其是在1400°C的严苛条件下，这种下降趋势更为剧烈。这直接反映了材料整体刚度的退化。