陶瓷基復(fù)合材料（CMC）是一種重要的超高溫材料，具有耐高溫、低密度、高比強(qiáng)、高比模、抗氧化和抗燒蝕等優(yōu)異性能，可以用作發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片和機(jī)匣、高壓與低壓渦輪盤及葉片、燃燒室、加力燃燒室、火焰穩(wěn)定器及排氣噴管等發(fā)動機(jī)熱端材料。然而，在諸多優(yōu)點顯現(xiàn)的同時，其最致命的弱點——脆性阻礙了這一材料的應(yīng)用。為克服這一缺點，已發(fā)展了多種強(qiáng)韌化途徑來制備陶瓷基復(fù)合材料，目前應(yīng)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(fù)合材料（CFCC）。它是以陶瓷材料為基體，以連續(xù)纖維作為增強(qiáng)體，通過界面層來調(diào)節(jié)二者的匹配關(guān)系，從而達(dá)到兼顧材料的強(qiáng)度和韌性的目的。

對于連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料，目前國內(nèi)外研究人員主要注重于對其制備、性能表征、應(yīng)用及發(fā)展等方面的研究，而開展的無損檢測研究相對較少。隨著陶瓷基復(fù)合材料在航空航天等重要領(lǐng)域的不斷推廣應(yīng)用，缺陷表征與無損檢測已成為無損檢測研究人員十分關(guān)注的焦點技術(shù)問題。由于陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、制造工藝、缺陷類型等的特殊性，其無損檢測又不能簡單沿用傳統(tǒng)金屬材料的檢測方法與技術(shù)，因此陶瓷基復(fù)合材料的設(shè)計與制造中存在的問題，為無損檢測和評價提出新的挑戰(zhàn)。

以陶瓷材料為基體，加入另外一種或幾種具有不同性質(zhì)的材料，通過有新性能的材料，稱為陶瓷基復(fù)合材料(CFCCs)。基本結(jié)構(gòu)主要包括基體、增強(qiáng)體和界面層。

增強(qiáng)體為連續(xù)纖維的陶瓷基復(fù)合材料（CFCC）被認(rèn)為是目前最有發(fā)展前景的高溫結(jié)構(gòu)材料之一，由于采用高強(qiáng)度、高彈性的連續(xù)纖維與陶瓷基體復(fù)合，可以從根本上克服陶瓷脆性, 是陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展的主流方向。這種材料越來越受到航空航天等高科技領(lǐng)域的重視，CFCC的發(fā)展程度標(biāo)志著一個國家的軍事影響力。

連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（CFCC- SIC）具有高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、抗燒蝕、抗氧化和低密度等特點，其密度為2~2.5g/cm2，僅是高溫合金和鈮合金的1/3~1/ 4，鎢合金的1/ 9~1/10。CFCC- SIC 主要包括碳纖維增韌碳化硅( C/SIC) 和碳化硅纖維增韌碳化硅( SIC/ SIC)兩種，由于C/SIC 抗氧化性能較SIC/SIC 差，國內(nèi)外普遍認(rèn)為，航空發(fā)動機(jī)熱端部件最終獲得應(yīng)用的應(yīng)該是SIC/ SIC。

陶瓷基復(fù)合材料的制備方法有固相法、氣相法及液相法，其中化學(xué)氣相滲透（Chemical VaporInfiltration,CVI）方法是在化學(xué)氣相沉積( CVD) 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種制備新技術(shù)，可以制造大型、薄壁、復(fù)雜的連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(CFCC- SIC) 構(gòu)件，也是目前唯一商業(yè)化的制造方法。這項技術(shù)由法國Bordeaux 大學(xué)的Naslain教授在20 世紀(jì)70 年代初期發(fā)明的并獲得專利，現(xiàn)已發(fā)展成為工程化技術(shù), 此項專利后來被美國購買。

國內(nèi)從20 世紀(jì)90 年代中期開始研究CFCC。以西北工業(yè)大學(xué)張立同院士領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊為代表，經(jīng)過10 多年的努力，研制成功擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的CVI 法制備CFCC-SIC的工藝及其設(shè)備體系，CVI-CFCCSIC的整體研究水平已躋身國際先進(jìn)行列，使我國成為國際上第3 個掌握CVI 法批量制備構(gòu)件技術(shù)的國家，這主要體現(xiàn)為:

（1）建立了CVICFCC-SIC 制造技術(shù)平臺。建立了具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的CVI- CFCCSIC制造技術(shù)和專用設(shè)備的核心技術(shù)體系，并形成批量制備復(fù)雜構(gòu)件的能力。

（2）CVI-CFCC-SIC 的全面性能居國際領(lǐng)先水平。

（3）形成了構(gòu)件的應(yīng)用考核技術(shù)平臺。多種構(gòu)件通過了規(guī)定條件的考核，大大縮短了我國與發(fā)達(dá)國家的技術(shù)差距，為CVI- CFCC- SIC 在航空、航天、兵器和民用等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了依據(jù)。

CFCC 的耐高溫和低密度特性，使其成為發(fā)展先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)、火箭發(fā)動機(jī)和空天飛行器防熱結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵材料。表1 列出了國內(nèi)外CFCC的應(yīng)用，并把國內(nèi)研究與發(fā)展的情況與先進(jìn)國家的情況進(jìn)行了對比。

由于碳化硅陶瓷基復(fù)合材料先進(jìn)性與其質(zhì)量的離散性并存，即使經(jīng)過研究和試驗制定了合理的工藝，但在制造過程中還是不可避免地產(chǎn)生缺陷。這種材料具有復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，加之其制備成型涉及多種工藝過程，構(gòu)件可能存在各種缺陷，主要是孔洞、分層、夾雜、孔隙以及密度不均等，嚴(yán)重影響材料的性能。無損檢測對CFCC 的難度在于缺陷極其微小，一般比金屬或其他種類的復(fù)合材料小1~2 個數(shù)量級，如典型的結(jié)構(gòu)陶瓷，為防止材料快速破壞需檢出60~600μm 的缺陷；對于緩慢裂紋生長需預(yù)測壽命的要檢出20~200μm的缺陷；為提高韌性而控制材料組織必須檢出10~50μm 的缺陷；為對精密部件控制制造工藝, 則需檢出1~30μm 的缺陷，因此，對無損檢測提出了極高的檢測靈敏度要求。

依據(jù)CFCC-SIC 的結(jié)構(gòu)特點，可以采用多種無損檢測方法。可用的無損檢測方法有：密度測量、電導(dǎo)率測量、敲擊法、目視法、顯微分析、振動法、滲透探傷、X 射線、中子射線、超聲波、紅外熱成像、激光超聲、微波及核磁共振等。因為它們在對不同缺陷類型的探測能力、探測深度、速度、成本、在線檢測能力等方面的差異，以及被檢測材料的種類、尺寸與形狀、制備階段和服役環(huán)境的不同，這些檢測方法存在不同程度的實際問題。

目前，超聲檢測、紅外熱成像檢測以及X 射線CT 檢測對碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的無損檢測被證明是可行的。X 射線CT 可提供試件材料的結(jié)構(gòu)、類型、裂紋、孔隙、夾雜及密度分布等信息，還可以輔助進(jìn)行材料構(gòu)件的失效分析。然而，X 射線CT檢測方法只能對構(gòu)件進(jìn)行局部截面分析，檢測速度慢，成本很高。顯微CT 技術(shù)主要針對材料的孔隙進(jìn)行了研究。但目前針對化學(xué)氣相滲透法制備的復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)的顯微CT 研究較少。紅外熱成像方法可以快速、非接觸地檢測面積較大構(gòu)件，檢測效率高，但只能檢測分布較淺、直徑較大缺陷的薄壁試件。

超聲方法用來檢測材料中各種缺陷，并被用于評價材料的性能因子如：復(fù)合材料界面、晶粒尺寸、結(jié)構(gòu)、孔隙率、應(yīng)變、彈性常數(shù)、硬度、強(qiáng)度和韌性，可對機(jī)械性能的演變進(jìn)行測量和評估。但CFCC 表面粗糙度大和內(nèi)部多孔性使超聲波產(chǎn)生較強(qiáng)吸收衰減，材料不得接觸油、水耦合介質(zhì)等原因，探測深度有限，缺陷的精確定位與探測精度有待提高。聲發(fā)射方法可檢測微裂紋、裂紋位置，適用于復(fù)雜形狀的構(gòu)件，由分析原波形可得到微斷裂面積、開裂時間的定量資料。雖然其本身并不對材料造成任何損害，但常常需要同拉伸、彎曲等破壞性方法結(jié)合使用，或者用來監(jiān)測復(fù)合材料的制造和服役過程。近年來AE在材料選擇、構(gòu)件壽命、剩余壽命預(yù)測方面的應(yīng)用取得了很大進(jìn)展。

CFCC 因其特有的材料、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制造與使用環(huán)境向無損檢測提出了多方面的挑戰(zhàn)。開展CFCC 復(fù)合材料的無損檢測研究，將會進(jìn)一步提高對材料缺陷的認(rèn)識，使其質(zhì)量和可靠性得到更高的保證；研究與發(fā)展先進(jìn)材料的表征手段，可以充分發(fā)揮材料的潛力。但是在它真正成為一種實用的方法以前，仍有許多理論和實驗問題需要解決。因此，CFCC 無損檢測技術(shù)的研究與應(yīng)用，已成為各先進(jìn)國家的重大課題。美國在其先進(jìn)陶瓷的短期、中期和長期計劃中，都把CFCC 的無損評價放在了相當(dāng)重要的位置。

針對CFCC 材料，無損檢測所面臨的問題是新材料、微結(jié)構(gòu)、各向異性和不均勻特性、微缺陷檢測、加工與連接中出現(xiàn)新問題、檢測標(biāo)準(zhǔn)化問題、新的檢測及表征技術(shù)等，最突出的問題是微缺陷的顯微檢測技術(shù)問題。目前國際上還沒有CFCC 的無損檢測標(biāo)準(zhǔn)，我國對此材料的無損檢測方法研究開展也比較晚，采用的無損檢測方法少，研究人員也比較少，目前只有西北工業(yè)大學(xué)超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料國防科技重點實驗室開展了射線方法和紅外方法的研究。

超聲檢測作為一種重要的無損檢測方法，是復(fù)合材料無損檢測最為廣泛和有效的首選檢測方法和檢測技術(shù)，但是我國的CFCC-SIC 的無損檢測研究幾乎空白。究其原因：

（1）一般無損檢測研究人員無法接觸到這種新型、高性能的高溫結(jié)構(gòu)材料，無法開展相關(guān)研究工作；

（2）CFCC復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有各向異性、不均勻性，聲波傳播復(fù)雜；

（3）微結(jié)構(gòu)和微缺陷特點，又存在孔隙等本征缺陷，僅采用線性聲波特征（如聲速、衰減）已不能完成評價目標(biāo)，需要尋找新的特征進(jìn)行表征，如選擇非線性特征表征微結(jié)構(gòu)和微缺陷對聲波波形和頻率的影響等。研究表明：超聲技術(shù)不僅可以用聲波的線性特性檢測宏觀缺陷，用聲速和聲衰減參量評價孔隙率，還可以用非線性等特性更有效的評價孔隙等微缺陷，而且非線性聲學(xué)參量對孔隙率、微裂紋更為敏感，其靈敏度遠(yuǎn)大于線性聲學(xué)的參量，因此有可能通過非線性聲學(xué)參量對陶瓷基復(fù)合材料的孔隙等微缺陷進(jìn)行定量的評價。

超聲方法檢測CFCC 需要解決的問題包括：

（1）基本理論問題，即超聲在CFCC 中的傳播規(guī)律和缺陷的表征問題，如聲速的各向異性問題、聲散射問題、聲衰減問題、微缺陷和微結(jié)構(gòu)的非線性及敏感參數(shù)等問題；

（2）檢測工藝、設(shè)備研制及成本問題，如檢測微缺陷的高頻顯微掃描檢測方法，當(dāng)頻率為100MHz時，碳化硅陶瓷中的縱波波長約為120μm，這仍比所要求達(dá)到的檢測靈敏度高很多，必須使用更高的工作頻率。因此，高頻超聲檢測在提供高靈敏度的同時，也帶來了設(shè)備復(fù)雜、成本高、探測深度和應(yīng)用受限等問題。解決問題的思路是整合多種單一的檢測技術(shù)，揚(yáng)長避短、各取所長，提高檢測工作的針對性和有效性，研究和開發(fā)出高效便捷、準(zhǔn)確可靠和智能化的檢測技術(shù)。

為了提高超聲檢測CFCC 的能力和可靠性，以下2 個方面應(yīng)引起重視：

（1）超聲檢測新方法的研究，如尋找和選用對微缺陷最敏感的參數(shù)作檢測判據(jù)的特征掃描成像方法；

（2）掃描顯微成像技術(shù)的完善與高性能工業(yè)化設(shè)備研制。

概括起來，新材料和新結(jié)構(gòu)的連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的無損檢測，對無損檢測研究人員帶來了機(jī)遇，也提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。同樣，準(zhǔn)確可靠的無損檢測技術(shù)也對連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計、制備過程控制、成品及服役期質(zhì)量、材料性能演變與表征等具有重要意義。

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