航空发动机陶瓷基复合材料无损表征技术研究进展

随着陶瓷基复合材料在先进航空发动机热端部件中的推广应用,对其在工艺研发、制备加工、试验考核以及使用服役等阶段形成的缺陷/损伤进行高效准确的无损表征尤为重要。由于陶瓷基复合材料复杂的制备成型工艺及多相复合引起的高度非均质和各向异性,导致传统基于整体均质化假设的无损检测技术面临诸多挑战。本文结合陶瓷基复合材料在航空发动机领域的应用情况,分析了其在制备、加工及服役等阶段的典型缺陷/损伤类型及特征,重点回顾了近年来陶瓷基复合材料无损表征技术的研究进展及应用情况,总结了现有无损表征技术面临的主要挑战,并对未来的发展趋势进行了展望。

搅拌摩擦焊接头抗拉强度无损表征

材料的弹性模量、显微结构及相应的力学性能可用超声学来表征.对力学性能起决定性作用的显微结构与超声衰减有明显的相关性.采用接收到的斜入射透射波能量变化来表征超声波在搅拌摩擦焊接头(FSW)不同组织中的衰减,从超声C扫描图像中提取特征,计算了接头拉伸时的净工作面积.结果表明,检测图像特征与接头实测拉伸性能之间具有良好的相关性,证明了用超声波无损表征的方法预测FSW接头抗拉强度是可行的.

SiC晶体缺陷的阴极荧光无损表征研究

由于在研究SiC晶体缺陷对器件性能的影响的过程中,表征材料缺陷的常用的方法是破坏性的,因此寻找一种无损的测试方法对缺陷进行有效的表征显得尤为重要。基于阴极荧光(CL)的工作原理对4H-SiC同质外延材料的晶体缺陷进行了无损测试研究。结果发现利用阴极荧光可以观测到晶体内部的堆垛层错、刃位错和螺位错以及基面位错,其阴极荧光图中的形貌分别为直角三角形、点状和短棒状。因此该方法成为SiC晶体缺陷的无损表征时的一种有效的测试方法。如果利用该方法对材料的衬底和外延层缺陷分别进行观测就能建立起衬底和外延层缺陷之间的某种联系,另外对器件工作前后的缺陷进行表征,建立器件工作前后缺陷之间的联系,就可以进一步地研究材料缺陷对器件性能影响的问题。

高能离子注入硅的无损表征

将能量为3MeV,剂量为5×10^(15)cm^(-2)的硼离子注入(100)硅单晶,经1050℃,20s退火形成导电埋层。本文应用X-射线双晶衍射分析高能离子注入硅的损伤演变。通过分析高能离子注入体系和自由载流子等离子体效应的光学响应,应用计算机模拟红外反射谱,获得了载流子分布,迁移率和高能注入离子的电激活率。

以相对相速度无损表征30Mn2SiV棒材复杂组织的探讨

本文以某公司经控轧控冷工艺生产的非调质D级抽油杆用钢30Mn2SiV为对象,利用超声波水浸线聚焦检测技术,借助频谱分析方法,采用计算相位谱的偏离程度获得相速度值的方法,以相速度为无损表征参量,研究了具有不同珠光体含量和形态的粒状珠光体+片状珠光体+铁素体、片状珠光体+铁素体以及上贝氏体+片状珠光体+铁素体三类样品复杂组织状态与相对相速度之间的关系。结果表明,利用相对相速度能够对上述三类复杂组织进行无损识别。

颜料粉末的高光谱成像无损表征技术

通过高光谱无损表征技术在壁画颜料粉末鉴定中的应用效果评估,为高光谱颜料粉末数据库的建立打下基础。对壁画中常见的蓝铜矿和孔雀石颜料粉末进行XRD成分检测,并将颜料粉置于30 mm×20 mm×A mm的凹槽中,其中A分别为0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6 mm。用高光谱成像仪得到不同粉层厚度的蓝铜矿和孔雀石的光谱反射率。进一步将颜料筛分为0~50μm,50~74μm,74~100μm和100~150μm四种粒度范围,在相同测量条件下进行高光谱成像。在此基础上,建立小型的壁画颜料粉末高光谱数据库并开展壁画颜料的鉴定工作。结果表明:在0.2~1.6 mm厚度范围内,不同厚度的同种颜料,其光谱反射率变化幅度在2%以内,且光谱反射率的曲线形状与关键光谱信息几乎没有变化。随颜料粉末粒度减小,在400~600 nm和800~1 000 nm范围内的蓝铜矿,与在400~700 nm和900~1 000 nm范围内的孔雀石,其光谱反射率增大,但光谱反射率曲线的形状等没有显著变化。高光谱能够准确鉴定出壁画中所用颜料的成分。颜料层的厚度和粒度对颜料反射率光谱曲线的影响不大,粒度在一定波段内会造成颜料的光谱反射率增大,但不影响光谱曲线形状等关键信息,即在0~150μm范围内的颜料均可用于标准数据库的建立。

激光选区熔化制备钛合金点阵材料无损表征

通过激光选区熔化制备BCC和DOD结构的钛合金金属点阵,使用Micro–CT对两种结构的钛合金点阵材料进行扫描和三维重建。Micro–CT图像清晰地显示金属点阵内部结构,BCC和DOD单胞整齐地以周期性进行排列,且内部存在少量圆形、椭圆形缺陷。通过将实际样品三维数据与CATIA数模进行比对,发现钛合金点阵在制备过程中出现一定程度翘曲。此外使用共聚焦显微镜并基于Micro–CT图像对BCC和DOD两种金属点阵进行表面粗糙度测定。结果表明,Micro–CT在钛合金点阵材料内部结构、缺陷、制备误差、粗糙度测试等表征方面具有显著的应用价值。

基于超声技术的先进耐磨材料ZM4-13无损表征

矿用刮板输送机及转载机中板的磨损影响煤矿开采的效率和安全。以中煤张家口煤矿机械有限责任公司新研制的耐磨钢ZM4-13为试验材料,采用友联PXUT-280型数字超声波检测仪进行超声检测,用M-2000环块磨损试验机进行干滑动摩擦磨损试验,并通过倒置显微镜进行金相分析。研究结果表明,10Z6N探头对ZM4-13不同热处理状态的试样测试出的声速结果中,声速分散的有正火与低温回火,能够将退火处理单独的区分出来,而正火与低温回火能归为一类,淬火、中温回火和高温回火归为一类,因此声速法可以将不同处理后的材料进行粗略区分。

基于多模式超声成像的CFRP冲击损伤无损表征与冲击后压缩强度预测

为实现含冲击损伤复合材料层板损伤特性和剩余强度的定量无损表征,提出了一种基于多模式超声成像的CFRP层板冲击损伤表征与冲击后压缩强度预测方法。首先,基于相控阵超声多模式成像技术获得了不同冲击载荷下AC631/CCF800H双马来酰亚胺树脂基复合材料层板分层损伤的位置、尺寸和分布信息,随后,以层析C扫描图像为基础,引入等效开孔体积对其冲击后压缩强度进行了预测。结果表明:相控阵超声B扫描、声程C扫描和层析C扫描等多种成像模式相结合,能够有效描述层板内部分层损伤的形貌、尺寸及三维空间分布特征;与凹坑深度拟合和最大开孔体积拟合等传统方法相比,基于层析C扫描图像的等效开孔体积与CFRP层板的冲击后压缩强度相关性更大,预测结果也更为精确。相关研究成果可为复合材料冲击损伤过程精细化分析和材料力学性能定量无损表征提供一定的借鉴和参考。

无损检测的内涵演变及其在质量控制中的作用

就无损检测的内涵如何从探伤演变到评价及无损检测在质量控制中的应有作用作了叙述,希望对相关人员开拓思路、提高工作质量有所裨益。

基于电噪声的太阳电池质量评价技术

以太阳电池噪声无损表征与评价技术为研究对象,通过应力老化与噪声测试实验,对太阳电池中的1/f噪声、g-r(产生-复合)噪声和微等离子体噪声特性进行研究。研究结果表明:噪声与太阳电池中的缺陷存在关联,根据噪声产生机理与光伏器件失效物理,可实现噪声对不同部位、不同类型缺陷的表征,进而完成对太阳电池的质量评价与可靠性预计。

传统手工纸老化进程中微观结构的光谱检测与分析

作为传承人类文明和见证历史发展的重要载体,传统手工纸老化机制的研究及老化状态的评价至关重要。手工纸张老化后各项宏观性能的降低归根究底来源于微观尺度上物理和化学性能的衰减,因此传统手工纸微观尺度结构的表征分析是深入理解纸张老化机制和准确评估老化状态的关键,也是发挥手工纸使用价值的基础。光谱分析因其出色的时空分辨率,快速响应,高信噪比和良好的灵敏度备受关注,而其无损或微损的特点使珍贵纸质样品的测试不再受到限制,实现从微纳米尺度获得纸张的老化状态信息。基于手工纸的化学元素、化学结构、组分以及微观形态等方面,系统阐述近年来发展的红外光谱(IR)、紫外可见光谱(UV/Vis)、拉曼光谱(Raman)、核磁共振(NMR)、太赫兹时域光谱(T Hz)、X射线光谱(X-ray)、荧光光谱(LIFS)、光谱与显微镜联用等无损/微损表征技术,旨在从微纳米尺度获得纸张内部及表面多层次结构特性,并希望将其作为宏观性质的切入点,深挖手工纸在老化进程中宏观与微观之间的联系,从而促进手工纸在复杂环境中多尺度评价体系的建立以及老化机理的揭示,为手工纸保存状态的评估及修复工作的实施提供重要依据。

中国先进研究堆中子残余应力表征平台及其应用

残余应力是材料及其构件在制备和机械加工过程中产生的平衡于材料和构件内部的一种不稳定的应力状态,显著影响构件尺寸精度、应力状态的精确控制和服役性能,成为高端装备发展的主要障碍之一.在诸多残余应力测试方法中,中子衍射技术能够精确无损表征工程构件的深部三维残余应力分布,利用中子的深穿透优势可有效解决内部应力的探测问题.中国原子能科学研究院利用研制的中子残余应力谱仪,为我国重大领域材料和构件提供了深部三维残余应力分布的关键数据支持.

特种设备表面电刷镀层厚度的超声波评价研究

基于信号分析方法,对采用瑞利波无损表征电刷镀层厚度的方法进行了试验研究。采用中心频率为5MHz,声程固定不变的一发一收模式的双瑞利波探头对不同厚度的电刷镀层试样进行检测,并在互相关函数的基础上计算了由镀层厚度改变而引起的信号间时间差。结果表明,随着镀层厚度的增加,瑞利波在其中的传播速度逐渐变小;随着互相关函数步长n值的增加,互相关函数值的精度逐渐变高,当n值为1时,参考函数长度最佳;镀层厚度-时间差结果符合幂函数变化规律,验证结果表明,采用该方法可实现电刷镀层厚度的无损表征,但镀层的平整度是影响表征结果精度的重要因素。

先进CMOS制造工艺的技术演进及自主发展思考

信息社会的迅猛发展极大推动了对高性能计算的需求。而先进互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺是制造高性能计算芯片的保障,因此成为世界顶尖设计公司和芯片制造企业竞争的技术高地。文章概述了鳍式场效应晶体管(FinFET)之后技术演进到环栅场效应晶体管(GAAFET)的必然性,以及在工艺模块、系统集成和工艺无损表征上带来的挑战。在先进CMOS制造工艺技术的创新上,需要有从器件开发到系统设计的思维转变;设计工艺协同优化(DTCO)将会发挥越来越重要的作用。面向未来国产先进的CMOS制造工艺的发展,在技术开发和人才培养方面提出了发展建议和举措。