Page 42 - 无损检测2024年第四期
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宋岷蔚,等:
   基于脉冲回波法的反应烧结碳化硅弹性模量预测

   的热学、 力学性能, 故在航空航天领域得到了广泛应
   用 [ 3 ] 。其力学性能主要包括材料刚度、 弹性模量等,
   其中弹性模量能够表征 SiC 的抗重力变形能力, 是反
   射镜研制中非常关键的性能指标。因此, 弹性模量的
   表征对于调控 SiC 的制备工艺至关重要。目前测量
   SiC 弹性模量的方法有静态弯曲法和动态法, 其在实
   际生产中取得了广泛的应用。但是, 静态弯曲法具有
   破坏性, 且样品需加工成规则尺寸并贴应变片测应
   变, 测试成本高, 测试过程繁琐           [ 4 ] 。动态法是一种无
                                                                    图 1 RBSC 试件实物
   损检测方法, 主要包括共振法和超声脉冲回波法, 共
                                                     头既可以穿透样品又有较高的分辨率) 的纵波聚焦
   振法发展比较成熟, 但存在难以获得共振频率、 易受
   操作人员主观判断影响、 测试耗时长等缺点                   [ 5-7 ] 。超  探头对不同密度的 RBSC 材料进行 C 扫描成像, 观
                                                     察其孔隙分布       [ 13-16 ] , 由于超声探头以二维方式对样
   声波是一种机械弹性波, 其传播特性与材料的弹性机
                                                     品内部作机械扫描, 得到的孔隙率为二维的面孔隙
   械性能有关, 因此可基于超声声速与固体材料弹性特
   性之间的关系, 借助脉冲回波法测量材料的超声纵波                          率( 指材料中孔隙面积与扫描总面积的比值); 使用

   声速与横波声速, 进而测量出材料的弹性模量, 该方                         Phenom XL 型 扫 描 电 子 显 微 镜 观 察 不 同 密 度


   法具有无损、 便捷、 准确等优点          [ 4 , 8-12 ] 。          RBSC 材料的微观形貌; 使用 Ri g akuUltimaIV 型
       笔者采用超声脉冲回波法测量不同密度反应烧                          XRD 分析仪检测并对比腐蚀前后材料的物相。
   结碳化硅( RBSC ) 材料的弹性模量, 得到密度与弹性                     2  测试原理与方法
   模量的关系模型。只要 RBSC 材料的密度已知, 便可
   根据该关系模型直接求出弹性模量。为了验证该模                               超声脉冲回波法检测原理如图 2 所示, 图中, d
   型的可靠性, 将模型预测值与实测值及传统经验模型                          为被测试件厚度, t 1      为样品表面反射波与一次底面
   所得值作对比, 并进一步研究了不同密度 RBSC 材料                       回波之间的时间间隔, t 2         为样品表面反射波与二次
   的面孔隙率和游离硅含量随密度的变化规律。                              底面回波之间的时间间隔。基于该原理测量得到材
                                                     料中的声速为
  1  试件制备与测试方法
                                                                    v l = 2d /( t 2 - t 1 )     ( 1 )
   1.1  试件制备

                               ·
      选用密度为 2.71~3.01g cm           -3  的 RBSC 材

   料制作试件, 试件尺寸为 12.6mm×2mm ( 直径 ×

   厚度), 平行度 ≤0.01 mm , 表面粗糙度 ≤1.6 μ m 。
   共制备 8 组密度不同的试件, 每种密度试件各 3 片,
   共 24 片, RBSC 试件实物如图 1 所示。采用阿基米
   德排水法测得 8 组试件的平均密度分别为 2.7113 ,


   2.7281 , 2.8632 , 2.9177 , 2.9608 , 2.9670 , 3.0002 ,
           ·

   3.0145g cm  -3 。
   1.2  测试设备
      测厚超声探头的波长需小于样品厚度的 1 / 2 ,
                                                              图 2  超声脉冲回波法检测原理示意

   才能准确区分材料上下表面的回波, 对于厚度为 2

   mm 的 RBSC , 探头纵波率应大于 11 MHz , 横波频                    根据超声波在无限大各向同性固体介质中的传
   率应大于 7 MHz , 故使 用 SONIX ECHO-LS 型超                播规律, 可以推导出材料的弹性模量与纵波声速、 横



   声波扫描显微镜, 并利用中心频率为 20 MHz的横                        波声速、 密度之间的关系为           [ 17 ]
                                                                         2   2     2
   波探头和中心频率为 50MHz的纵波水浸聚焦探头                                            ρ v s 3v l -4v s

                                                                   E =                          ( 2 )
                                                                            2
                                                                                 2
   测得试件在室温下的横、 纵波声速。利用中心频率                                                v l -v s
   为 110MHz , 焦距为 8mm , 孔径为 20mm ( 保证探               式中: 为 材 料 密 度; v l    为 纵 波 声 速; v s  为 横 波 声



                                                          ρ
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          2024 年 第 46 卷 第 4 期


          无损检测
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