1、毕业设计（论文）题 目： 碳化硅陶瓷材料的声学特性研究系 别： 测控技术与仪器专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二 O 一三年 六 月 学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学
2、校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。作者签名： 日期：导师签名： 日期：碳化硅陶瓷材料的声学特性研究 摘要：陶瓷材料在耐高温、强度高、熔点高、热稳 定性好、价格低廉等方面都表现出优异的性能，尤其在对材料耐磨性、耐腐 蚀性、耐高温性有更高要求的今天，陶瓷材料的发展空间更为广阔。现代人的生活离不开陶瓷，陶瓷的进步给人类带来的是生活方式的日新月异。随着无损检测技术的发展，无损检测在陶瓷材料的检验工作中变得越来越重要。首先从陶瓷材料的声
3、学特性入手，用底波法测量陶瓷材料的纵波声速，再用掠入射与波形转换两种方法测量横波声速，其次用表面波探头测量了表面波声速，然后测量了陶瓷材料的声衰减，最后在人工缺陷板上，用合适的探 头和方法检测出了所有缺陷。本课题研究得出了陶瓷材料的纵波，横波，表面波的声速以及其衰减特性，并在人工缺陷板上测出缺陷，从而得出陶瓷材料声学检测实践的启发和理论依据。关键词：碳化硅陶瓷材料，声学特性，超声检测指导老师签名：The acoustic characteristics of silicon carbide ceramic materialStudent name: Class:Supervisor: Abst
4、ract : Ceramic materials in high temperature, high strength, high melting point, good thermal stability, low cost and other aspects have shown excellent performance, especially people have higher expectations in the material wear resistance, corrosion resistance, heat resistance today, ceramics have
5、 broader space for development.It can be said that modern life is inseparable from the progress of ceramic, what ceramic has brought to mankind is the ever-changing lifestyle.With the development of non-destructive testing technology, non-destructive testing inspection of ceramic materials is becomi
6、ng increasingly important.First,beginning with the acoustic properties of ceramic materials,we use the end of wave to measure longitudinal wave velocity of ceramic material, and we use then glancing incidence and waveform into two kinds of methods to measure shear wave velocity, followed by measurem
7、ent of the surface wave velocity by wave probe, and then we measure the ceramic material the sound attenuation, and finally artificial defect board, with the appropriate probe and method for detection we find all defects.The research finally have results in the ceramic material longitudinal wave, sh
8、ear wave, surface wave velocity and its attenuation characteristics, and in the artificial defects detected defects board we get inspiration and theoretical basis in ceramics acoustic testing practice. Keyword: Silicon carbide ceramic material, Acoustic characteristics, Ultrasonic testingSignature o
9、f supervisor:目 录1.绪论 .11.1 碳化硅陶瓷材料检测的背景及意义 .11.2 国内外的研究状况 .11.3 本课程的主要内容及意义 .52.碳化硅陶瓷材料的检测方法和原理 .72.1 陶瓷材料的缺陷种类 .72.2 陶瓷材料的无损检测方法 .72.2.1 射线（RT）照相法的基础及原理 .72.2.2 红外热成像法 .82.2.3 超声波检测 .82.3 陶瓷材料的声学特性检测原理 .92.3.1 纵波声速的测量方法 .92.3.2 横波声速的测量方法 .92.3.3 表面波声速的测量方法 .102.3.4 声衰减的测量 .113.实验研究 .133.1 测声速 .133.
10、1.1 纵波声速的测量方法 .133.1.2 横波声速的测量法的验证 .133.1.3 陶瓷材料波形转换法测横波声速 .153.1.4 陶瓷材料横波探头测横波声速 .193.1.5 测表面波声速 .203.2 测声衰减 .213.3 缺陷的测定 .273.4 陶瓷材料表面贴其余材质的研究 .324结论及展望 .344.1 结论 .344.2 展望 .34参考文献 .35致谢 .36南昌航空大学 2013 届学士学位论文1碳化硅陶瓷材料的声学特性研究1.绪论1.1 碳化硅陶瓷材料检测的背景及意义我国是一个具有悠久历史的陶瓷古国，在世界长期享有盛誉。当今陶瓷可以说已然成为了对我们生活产生重大影响的
11、一门重要学科。近半个多世纪以来，随着先进陶瓷材料的研究和开发，在与人类生活息息相关的各个领域，如电子、通讯、能源、交通、宇宙探索和国家安全等，都能找到陶瓷的身影。其高效的使用性、适应性使其越来越受到人们的关注。因此，为了提高陶瓷材料的使用性能，保障其在使用过程中的安全性，陶瓷材料的声学特性研究质量评定的方法是一个需要迫切加以重视的课题。超声检测作为一种重要的无损检测方法，在各种材料的检测中占有重要的地位，但却在我国的陶瓷材料的无损检测研究中没有被研究。其原因是一般无损检测研究人员无法接触到这种新型的高温结构材料，无法开展相关研究工作。1.2 国内外的研究状况陶瓷基复合材料（Ceramic Ma
12、trix Composites，CMCs）缺陷极其微小，一般比金属或复合材料小 12 个数量级，为防止材料快速破坏，需检测60600m 的缺陷；为达到预测寿命的目的，需检测出 20200m 的缺陷；若想控制材料组织，需检测出 1050m 的缺陷；为控制精密部件制造工艺，需检测 130m 的缺陷 1。CMCs 非导电性和非导磁性，因此采用电磁检测方法较为困难; 透光性差和材料内部多孔导致光线散射及人眼视觉分辨力低等原因，光照目测方法的检测可靠性也较低；以上种种原因，使 CMCs 的无损检测研究进行得较为艰难。目前，除超声检测、红外热成像检测以及 X 射线 CT 检测三南昌航空大学 2013 届学
13、士学位论文2种主流检测方法外，各国学者还将其它方法应用于 CMCs 的检测当中，如密度测量、电导率测量、敲击法、显微分析、振动法、渗透探伤、中子射线、激光全息、涡流检测、微波、核磁共振、贝塔背散射等等 2。但超声检测以其便携、准确、廉价，可靠性高等特点，一直占据着研究的主流地位，并将继续引领发展。国外开展陶瓷基复合材料的检测已经有十余年的历史。对于结构陶瓷材料的无损检测的研究工作,在美国是与这类材料本身的研究工作同步进行的,在 70 年代初就得到高度重视,研究工作比较全面深入 3 4 5 6。日本则在 81 年开始的“下世代研究开发体制”中侧重于新材料制造方法的研究开发。尽管目前日本在制造高温
14、高强度结构陶瓷方面已经达到世界最高水平,但他们仍将提高无损检测技术的水平列为今后的开发任务。其它的一些国家,如德、英、法等国,在结构陶瓷材料的无损检测方面的研究工作,多数在侧重于建立、完善测试设备系统方面。德国近年来已开展起改进检测方法和质量的深入一步的研究 7。我国对陶瓷基复合材料的无损检测方法研究开展的比较晚，采用的无损检测方法少，人员也比较少。目前也只有西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室和北京航空材料研究院开展了少量的射线、红外、声发射及超声 C 扫描成像方法的研究。徐翔星 8开展了 C/SIC 陶瓷基复合材料的 X 射线无损检测研究，选择 X 射线照相、X 射线实时成像和
15、 X 射线 CT 等三种方法对 C 纤维预制体及 C/SIC 复合材料进行了检测和研究，并对 C/SIC 复合材料 X 射线检测的计算机模拟做了初步的探索。冯炎建等 9 10利用显微 CT 表征了采用化学气相渗透法（CVI）制备的 3D C/SiC 复合材料的三维结构，评价了显微 CT 的微结构表征能力。结果表明：显微 CT 能够有效地分辨 C/SiC 复合材料的织构形貌、材料内部缺陷（孔隙和 SiC 基体密度差异） 。他还利用显微 CT 针对自愈合 2DC/SiC 复合材料高温蠕变试验前后的内部孔隙率进行了分析。南昌航空大学 2013 届学士学位论文3图 1-1 冯炎建等对 C/SiC 试样
16、的三维重构形貌邓晓东等 11进行了 C/SiC 复合材料的定量红外热波无损检测研究，得出了红外热波检测适合 C/SIC 复合材料内部缺陷的检测、可同时定量检测 C/SIC 复合材料中缺陷的大小和深度、并能弥补 X 射线照相及 CT 检测的不足的结论，研究表明：缺陷直径测量误差随着缺陷孔径的增大而减小，随着缺陷深度的增加而增大；缺陷深度测量误差随着缺陷孔径的增大而减小，但在一定范围内随着缺陷深度的增加而减小；红外热波检测 C/ SIC 复合材料孔洞缺陷存在定量测量的下限。梅辉等 12进行了三维针刺 C/SIC 密度梯度板的无损检测与评价研究，采用红外热成像设备检测三维针刺密度梯度纤维预制体化学气
17、相渗透法（CVI）沉积碳化硅（SIC）前后内部的密度变化，追踪材料内部缺陷的遗传性，并用 X 射线和工业电子计算机 X 射线断层扫描技术（CT）验证上述实验的可靠性。结果表明:原预制体内部的孔洞缺陷因渗入 SIC 基体而被填充，缺陷消失；原预制体内部无缺陷处，经过 CVI 致密化工艺后产生新的孔洞缺陷，说明利用红外热成像技术可以追踪材料内部孔洞缺陷的遗传性；三维针刺密度梯度纤维预制体 CVI 沉积 SIC 前后，密度梯度发生逆转变化。南昌航空大学 2013 届学士学位论文4图 1-2 邓晓东对 C/SiC 缺陷试样在 2.002s 时刻的红外图像为研究陶瓷及陶瓷基复合材料微缺陷的超声检测能力,
18、 梁菁和史亦韦 13针对一些人工缺陷试样进行了超声检测试验。试验主要采用了纵波垂直入射法和泄漏瑞利波法。通过试验结果, 比较了两种方法的检测能力。(a)南昌航空大学 2013 届学士学位论文5(b)图 1-3 梁菁、史亦韦对缺陷试样采用(a)纵波垂直入射法和(b)泄漏瑞利波法的检测结果综上可以看出，超声检测作为一种重要的无损检测方法，在各种材料的检测中占有重要的地位，但却在我国的陶瓷基复合材料的无损检测研究中没有被研究。其原因是一般无损检测研究人员无法接触到这种新型的高温结构材料，无法开展相关研究工作。1.3 本课程的主要内容及意义陶瓷材料作为一种性能优良的材料，其应用在日渐广泛的情况下，我们应该对其声学特性以及缺陷的检测有较完整的方法理论。超声波的产生较为容易，价格较低，在可以接受的衰减范围内能够在 CMC中传播较长的距离，输出信号含有丰富的有关材料内部特征的信息。虽然超声检测作为一种重要的无损检测方法，在各种材料的检测中占有重要的地位，但却在我国的陶瓷材料的无损检测研究中没有被研究。其原因在于我国在陶瓷材料的无损检测研究中存在的方法少、检测能力受限、无损检测人员参与少，针对此问题，开展对陶瓷材料的超声检测方法研究是非常必要的。深入了解超声在陶瓷材料中的传播规律，如声速问题、声衰减问题等，对全面解决陶瓷材料的超声检测问题具有重要意义，特别是对陶瓷材料的制造与应用具有战略意义。
