碳-碳复合材料高温抗氧化覆层的无损检测与分析

高温碳-碳材料正开发用于燃气涡轮发动机及其他装备。在高温下，这种材料具有高的比强度和刚度以及抗冲击能力，碳化硅基覆层常用于防护该材料的氧化。

该覆层具有高于基底的热膨胀系数，在从高的温度冷却的过程中，所产生的拉应力要引起开裂。因此，有规律的表面裂纹图像乃是这种经涂覆复合材料的标准特性。温度超过这应力释放点，由于热膨胀的不匹配，裂纹被闭合，覆层乃提供一适当的氧化防护。显然，对表面裂纹和覆层厚度进行无损表征是有意义的。工作是在由未防腐的编织碳-碳基底和带四乙基原硅酸盐外表面密封层的碳化硅改性覆层组成的试样上进行的，覆层厚度在100～600μm之间。图11.8-51所示的经涂覆的碳-碳试样横断面金相照片，显示有5～15μm宽的裂纹贯穿整个的覆层；在表面也发现有亚微米宽的裂纹，但很少贯穿覆层。另外，也注意到有层间裂纹，那是在冷却过程中产生的。

图11.8-51 经涂覆的碳-碳试样横断面的金相照片

1.表面裂纹的渗透剂吸收差别法检测

已有的着色渗透剂主要是由尺寸和形状不规则的悬浮颗粒组成的。使用这种市售材料，由于亚微米级尺寸的颗粒被截留在粗糙的表面，得到的是对比度甚底、本底强度高的图像。对此，研究采用了微囊法来控制颗粒的形状和尺寸。其工艺是将有荧光性的染料溶解或分散在聚苯乙烯有机溶剂中，所得的混合物经加工可提供完美的微囊，热解重量分析表明，这荧光性染料在加热到600℃以后，没有留下可测的残留物。因此，这温度被用来检测后清理试样。(www.xing528.com)

微囊的尺寸范围是0.5～3.0μm，可很好进入表面裂纹。将微囊悬浮在异丙基酒精中，密度为2g/L。在使用前，用超声波探头扰动15min，以免凝积成绒毛状沉淀。使用方法可以是喷淋也可以是浸渍，这对裂纹的可见度影响甚小。观察前的清洗是不进行的，因为这可从裂纹中提取出染料（如图11.8-52所示）。试样在标准的黑光灯下观测和照相。

图11.8-52 最后清洗对裂纹可见度的影响

2.覆层厚度测量

由于覆层厚度对抗氧化有重要的影响，对此，可采用X射线计算机层析法、涡流法和β反散射法进行测量，可参阅本手册的相关章节。