摘要
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。
从航空推进技术的发展历程来看，新一代航空发动机发展的首要目标是持续提高推重
陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites，简称CMC）是一种兼具金属和陶瓷性能优点的新型结构功能一体化材料，通过各结构单元的优化设计产生协同效应，进而达到性能的合理匹配，在减轻结构质量和提高燃烧效率方面具有无可比拟的优势。采用颗粒、晶须或纤维等增强体对陶瓷材料进行补强增韧后，陶瓷基复合材料的性能得到了显著提升。这种复合材料不再像传统陶瓷那样脆性大、对裂纹敏感，而是展现出一种类似于金属的“假塑性”断裂行为，且兼具陶瓷质量轻、耐超高温、抗腐蚀等优异性
随着陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件应用进程的不断加快，保证其制造质量和服役安全已成为本领域关注的热点问题。一方面，复杂的制备工艺和多相复合的结构特点导致陶瓷基复合材料在制备阶段容易产生孔洞、夹杂、裂纹、分层和密度不均等各类初始缺陷；另一方面，陶瓷基复合材料在极端恶劣的工况中长时服役会形成新的损伤，且初始缺陷在高速气流冲击和高温交变载荷作用下会进一步演变扩
本文针对近年来国内外陶瓷基复合材料在先进航空发动机领域的应用情况进行综述，从制备成型工艺、机械加工和服役环境等角度系统分析陶瓷基复合材料在制备及加工服役等阶段的典型缺陷/损伤类型及特征，从检测技术和检测对象两个维度追踪陶瓷基复合材料无损表征方面的最新研究进展，总结现有无损表征技术面临的技术难点，并对未来的发展趋势进行展望。
国外陶瓷基复合材料相关研究最早可追溯到20世纪中期，经过多年来的发展，目前国外陶瓷基复合材料逐步由基础研究转入工程测试及应用阶段，其中美国、英国、法国和日本等国在陶瓷基复合材料的研究及应用方面处于领先地位，其在先进航空发动机的典型应用部位如
图1 陶瓷基复合材料在先进航空发动机中的典型应用部位
Fig.1 Application of ceramic matrix composites in advanced aeroengines
20世纪80年代，法国Snecma公司将陶瓷基复合材料喷管调节片/密封片应用在M53-2发动机上进行350 h的整机试验考核，并在幻影2000战斗机上进行实战测试飞
陶瓷基复合材料在国外航空发动机上的应用及验证情况如
| 型号 | 材料 | 应用部位 | 验证情况 |
|---|---|---|---|
| 美国F119 | SiC | 矢量喷管内壁板 | 有效减重，解决飞机重心后移问题 |
| 美国F414 | SiC | 燃烧室 | 冷却空气量减少，提供工作温度和寿命 |
| 欧洲EJ200 | SiC | 燃烧室、火焰筒稳定器、尾喷管调节片 | 通过军用发动机试验台、验证发动机的严格审定，在高温高压燃气下未受损伤 |
| 美英Trent800 | SiC | 扇形涡轮外环 | 大幅节省冷气量，提高工作温度和使用寿命，有效减重 |
| 美国F136 | SiCf/SiC | 燃烧室火焰筒、火焰稳定器 | 已进行了全寿命演示验证，进入工程应用阶段，耐温能力提高，减少冷却空气量 |
| 欧洲LEAP | SiCf/SiC | 涡轮外环 | 减少从压气机引出的冷气需求量，提高发动机推力，并降低燃油消耗量1.5%以上 |
| 美国GE9X | SiCf/SiC | 燃烧室火焰筒、导向叶片、涡轮外环 | 第一阶段，导向叶片和涡轮外环已通过测试；第二阶段，燃烧室火焰筒已经过百小时级试车考核 |
进入21世纪以来，随着我国军、民用飞机航空发动机型号研制的不断深入，国内高校和航空发动机主机厂所对CMC在航空发动机上的构型设计、考核验证和工程化应用等方面开展了大量研究工作，形成了初具规模的陶瓷基复合材料制备、试验和考核验证技术体系。目前，国内CMC的研制单位主要有国防科技大学、西北工业大学、北京航空材料研究院、中国航发商用航空发动机有限责任公司、北京航空航天大学、厦门大学等机构。国防科技大学在20世纪80年代初开始了SiC先驱体及陶瓷纤维的研制工作，1988年又开展了陶瓷先驱体转化法制备陶瓷基复合材料的研究，已经从试验阶段转向实际应用阶段。目前，国防科技大学已经先后研制并开发出聚碳硅烷、聚硅氮烷、聚硅氧烷等陶瓷先驱体，生产出的陶瓷基复合材料构件性能明显改
经过几十年的发展，国外CMC已经在高温涡轮叶片、高温燃烧室、调节/密封片等部件上进行了相关典型件测试，航空发动机喷管调节片/密封片等中温中等载荷静止件已完成全寿命验证并进入实际应用和批量生产阶段，燃烧室火焰筒和内外衬等高温中等载荷静止件正进行全寿命验证，有望进入实际应用阶
陶瓷基复合材料优异的抗氧化和耐高温性能，使其成为先进航空发动机耐高温关键部件的理想材料。但陶瓷基复合材料复杂的制备工艺及极端恶劣的工况会导致其出现各类缺陷/损伤，缺陷/损伤的出现、累积和扩展会显著降低陶瓷基复合材料的综合性能。因此，明确陶瓷基复合材料典型缺陷/损伤的特征是陶瓷基复合材料高效无损检测与评估的基础和前提。
目前，陶瓷基复合材料的主流制备工艺主要包括化学气相渗透（Chemical Vapor Infiltration，简称CVI）、聚合物先驱体浸渍裂解（Precursor Impregnation and Pyrolysis，简称PIP）、反应熔体渗透（Reactive Melt Infiltration，简称RMI）及CVI-PIP联用工艺等，一般而言，不同工艺制备的陶瓷基复合材料在微观组织、密度、孔隙率、缺陷类型及特征等方面也存在一定的差异。综合而言，法国在CVI技术方面处于领先地位，日本拥有聚碳硅烷和连续SiC纤维制备技术（主要开展PIP法的研究），德国的MI技术世界领先，美国在PIP、CVI和MI工艺上均有较高的研究水
不同制备工艺的区别主要在于陶瓷基体引入的方式不同，制造缺陷的类型和特征也有所差
综上所述，尽管每种制备成型工艺的特点各异，可能产生的缺陷类型及其特征也不尽相同。但从近年来的研究内容来看，陶瓷基复合材料中的典型制造缺陷主要包括孔隙、孔洞、夹杂、裂纹和分层五
图2 陶瓷基复合材料典型制造缺
Fig.2 Typical manufacturing defects of ceramic matrix composit
缺陷是指材料在连续性、纯洁度和均匀性方面存在的先天不足，而损伤一般表示外部载荷或环境引起的材料几何结构改变或性能退
（a） 冲击损伤宏观图
（b） 冲击损伤区超声C扫描图
图3 陶瓷基复合材料典型制造损伤
Fig.3 Typical manufacturing damage of ceramic matrix composites
服役损伤是指陶瓷基复合材料部件使用过程中，在结构受力、承载及高温热环境等作用下，产生的各种损伤，如微裂纹扩展、分层和断裂等，尺寸一般在毫米量级以上。一般来说，服役损伤的形成是一个由点及面、由小到大、逐渐累积的过程。SiC/SiC复合材料在模拟工况下典型损伤及其演变过程如
（a） 损伤
（b） 演变过程
图4 SiC/SiC陶瓷基复合材料典型服役损
Fig.4 Typical service damage of SiC/SiC ceramic matri
对于航空发动机而言，涡轮外环与导向叶片等热端部件的服役载荷环境极端严酷，如涡轮外环服役温度约1 350~1 450 ℃、导向叶片温度约 1 200~1 500 ℃，对陶瓷基复合材料及构件的质量控制、缺陷/损伤与安全性评估要求严
图5 陶瓷基复合材料缺陷/损伤特点及其表征意义
Fig.5 Defect/damage characteristics of ceramic matrix composites and the important role of nondestructive characterization
陶瓷基复合材料研发和应用几乎同步，国内外关于陶瓷基复合材料无损表征的研究工作可以追溯到20世纪末，最初主要聚焦于检测方法的可行性分析、理论计算及实验室试验验证等探索性工作。近年来，随着陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件制造和应用领域的逐步推广，面向工程应用的缺陷/损伤无损表征技术已成为业内的研究热点，针对制备成型、机械加工、考核试验和外场服役的全寿命周期，研究和发展更为高效、可靠的无损表征方法，进一步提高检测方法的工程可检性、可靠性和适用性，目前这方面的研究工作仍在持续深入中。总体而言，射线、超声、红外、电阻抗、太赫兹及声发射等技术均有所应用，表征对象涉及纤维束、预制体、坯料、机加件和装机件等不同制备加工阶段和服役周期的材料和结构。
当射线穿透材料或构件后，如果材料或构件局部区域存在缺陷/损伤，将改变物体对射线的衰减，引起透射射线强度的变化，采用一定的成像和处理方法可以判断是否存在缺陷/损伤，并确定形貌、分布和尺寸等信
传统的胶片成像技术由于胶片处理复杂、曝光场地限制，存在废液和排污处理等问题，已经逐渐被DR技术所取代。DR技术采用数字探测器代替感光胶片，具有可实时成像、检测效率高、成本低等优势，是目前陶瓷基复合材料检测最为常用的方法之一，但受限于入射角度的限制，DR技术对垂直于射线入射方向的裂纹和分层等面积型缺陷不敏感，检测效果较差。CT是一种基于射线穿透效应的三维成像技术，射线穿透样品后在探测器上形成二维投影，将样品按一定的步进角旋转，再通过重建算法对不同角度的投影进行三维成像。其中，工业CT已广泛用于航空航天、轨道交通、生物医学等领域，常规工业CT的检测分辨率一般为毫米量级。而采用微焦点射线源的显微CT技术，可直接获得检测对象在微米量级上的空间位置、形状及尺寸信息，且图像便于存储、传输、分析和处理，典型的二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料显微CT检测图像如
图6 二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料显微CT成
Fig.6 Micro CT imaging of two-dimensional braided SiC/SiC ceramic matrix composite
超声检测技术具有灵敏度高、检测速度快、成本低和对人体无害等优点，已成为航空工业中应用最为广泛的无损检测技术之一。超声波在非均匀介质中传播时，超声波场与异质界面、增强相和孔隙等散射体相互作用会引起声波的反射、折射和散射，回波信号中携带了大量反映材料密度、组分含量、微观结构等特征信息。利用时域、频域及时频域等信号处理技术提取声速、声衰减、频谱质心偏移、背散射系数等超声特征参量，通过分析这些参量的变化即可实现材料特性的无损表
国内外报道了超声检测技术在陶瓷基复合材料检测方面的最新进展，研究工作涉及常规超声、相控阵超声、声—超声和激光超声等。孙广开
图7 C/SiC陶瓷基复合材料人工缺
Fig.7 Artificial defect of C/SiC ceramic matrix composit
（a） 人工缺陷 （b） 激光超声C扫描图像
红外热成像技术主要利用不同材料热辐射特性的差异，通过热成像系统观测温度场异常分布来识别物体的内部缺陷。该技术主要用于大型构件的全场实时检测，检测速度是常规超声C扫描的30倍以上，具有操作简单、检测结果直观和便于原位检测等特点。
国内外开展了大量红外检测技术的可检性试验研究，结果表明，红外检测技术对较薄的复合材料试样中的近表面冲击损伤、平底孔类的模拟缺陷有一定的检出能
图8 C/SiC陶瓷基复合材料人工缺
Fig.8 Artificial defects of C/SiC ceramic matrix composit
（a） 人工缺陷 （b） 红外检测图像
太赫兹波是一种频率范围覆盖0.1~10 THz的电磁波，该频段介于红外与微波之间。太赫兹辐射可以穿透塑料、陶瓷、纤维和泡沫等非极性分子材料，非常适合陶瓷基复合材料的无损表征，已逐渐发展为CT、超声与红外热成像等传统无损检测技术的重要补充。
太赫兹检测技术在陶瓷基复合材料及其他非极性复合材料的无损检测中得到了广泛应
（a） 试验件光学图像
（b） 0.29 THz成像
（c） 0.37 THz成像
（d） 0.46 THz成像
图9 氧化锆陶瓷基复合材料太赫兹检
Fig.9 Terahertz detection of zirconia ceramic matrix composit
陶瓷基复合材料多相和非均质的固有特性导致人工无损检测过程中存在检测判据不明、缺陷评判误差大、效率低等问题，随着计算机技术的快速发展，基于计算机和深度学习算法的计算机辅助智能检测技术为陶瓷基复合材料检测技术研究提供了新的思路。
在计算机辅助智能无损检测技术方面，Evsevleev
图10 不同级载荷下深度学习识别出的裂纹三维视
Fig.10 3D view of identified crack by deep learning under different loading level
（a） 1 003 N （b） 2 204 N （c） 2 802 N
除以上检测技术外，近年来各种无损表征新技术也逐渐应用于陶瓷基复合材料缺陷/损伤表征，如利用电阻或电阻率变化表征陶瓷基复合材料损伤演变情况的电阻检测技
在电阻抗检测方面，Smith
目前，上述研究还处于原理探索和实验室试验研究层面，距离解决工程应用中的陶瓷基复合材料检测表征要求和技术成熟度差距还很大，但这些研究为探索新的陶瓷基复合材料表征与评估方法打下了坚实的基础。
综上所述，近年来关于陶瓷基复合材料缺陷/损伤的无损表征研究已取得了丰硕的研究成果，射线、超声、红外、太赫兹及声发射等无损检测技术均有所应用，但在方法适用性、缺陷/损伤可检性和工程可用性等方面依然存在诸多技术问题和挑战亟需解决。
1） 方法适用性：制备工艺复杂和多相复合的特点，导致陶瓷基复合材料缺陷/损伤表现出较强的随机和多样性，而对于不同的无损表征方法，用于缺陷/损伤判别和定量的信号处理方法和表征效果也有很大差异。例如，超声检测技术对面积型缺陷/损伤较为敏感，适用于裂纹、分层和脱粘等缺陷/损伤的表征；射线检测技术对孔洞、夹杂等体积型缺陷具有较好的检测效果；红外热成像检测技术对厚度较薄的陶瓷基复合材料中表面和近表面缺陷/损伤具有一定的适用性；太赫兹检测技术则主要适用于SiC/SiC等非极性陶瓷基复合材料。此外，同一表征方法检测参数和工艺的适用性也亟待细化，需要进一步提高方法的精度和鲁棒性。因此，后续工作需要综合考虑制备工艺、缺陷类型等因素，针对性地选择合适的表征方法和检测工艺，开展充分的方法适用性研究和试验验证。
2） 缺陷/损伤可检性：陶瓷基复合材料中多种缺陷/损伤并存，且在外界环境和载荷作用下会进一步转化、演变和扩展，因此，实现缺陷/损伤在全寿命周期时间历程内的跟踪记录对陶瓷基复合材料基础研究具有重要意义。通过上述分析可知，单一的无损表征技术难以实现多类型缺陷/损伤的全覆盖检测，应着力发展多种检测技术相结合的一体化表征系统，实现多类型缺陷的同步跟踪表征。此外，陶瓷基复合材料的缺陷/损伤具有明显的多尺度特征，孔隙和微裂纹的尺寸一般在几十微米量级，而孔洞和分层的尺寸通常可达几毫米至几十毫米。因此，在检测过程中不应偏执于追求检测精度和灵敏度，而是根据实际需求和检测要求有所侧重。
3） 工程可用性：目前，现有陶瓷基复合材料无损表征研究主要以实验室环境下的方法探索和试验验证为主，在工程化应用方面的研究还面临较大的挑战。在产品制造阶段，应着力解决产品缺陷/损伤的质量符合性问题，通常需要结合不同热端部件对陶瓷基复合材料的质量要求和缺陷检出要求，开展针对性的试验规划与工程验证，制定相关的缺陷/损伤检测标准和工艺流程。在外场服役和运营阶段，应充分考虑环境、检测窗口、经济性等多重因素，根据损伤容限设计准则和前期积累的试验数据确定合理的检测间隔和检测手段，在保证结构安全的前提下进一步缩短检测时间，降低制造和运营成本。
尽管国内科研院所开展了陶瓷基复合材料及构件制造工艺和典型缺陷研究，但是更注重成型材料及构件的无损检测和质量检验，对陶瓷基复合材料及构件在制造工艺过程中的缺陷类型特征、跨尺度、多样性和遗传性、形成演变机理并不清楚。因此，如何深入研究缺陷对材料力学性能的影响规律，建立陶瓷基复合材料工艺—缺陷—性能的映射关系，形成陶瓷基复合材料及构件缺陷/损伤图谱，是未来陶瓷基复合材料无损表征技术的优先发展方向。
在CVI、PIP、RMI等不同制造工艺下，具有不同的沉积和致密化时间，陶瓷基复合材料及构件的预制体、界面相、纤维束和基体内部会呈现孔洞、夹杂、裂纹、分层、密度不均等不同缺陷类型和特征，影响材料及构件制造质量和服役性能。由于缺少缺陷识别判据、无损检测工艺标准和合格判据，当前无损检测主要针对陶瓷基复合材料与成品件开展微焦点或工业CT无损检测，存在数据量大、成本高，而且细微缺陷的影响尚无法评估等问题。此外，由于缺陷/损伤图谱与统计数据不足，缺陷智能识别与评价技术尚未建立，未能有效解决人工识别缺陷效率低、可靠性差的问题。因此，如何明确缺陷/损伤检测阈值，建立适用于陶瓷基复合材料制备质量控制和服役损伤的特征谱系，建立基于人工智能的缺陷/损伤无损检测判据和规范的无损检测工艺流程与评判标准，是陶瓷基复合材料无损表征技术未来重要的发展方向。
航空发动机热端部件承受着严酷的载荷环境，同时要求长寿命、高可靠、安全服役，开展陶瓷基复合材料及构件模拟服役环境试验，并借助于在线检测和表征技术明确缺陷/损伤演化规律，揭示不同条件下的失效机理，能够确保热端构件的综合性能和安全性。但是，由于国内航空发动机陶瓷基复合材料研究起步晚，考核评价方法与应用程度落后，对陶瓷基复合材料及构件的模拟服役环境试验考核与缺陷/损伤状态在线表征技术的研究相对较少，难以充分捕获模拟服役环境下陶瓷基复合缺陷/损伤演化规律、揭示失效机理，成为陶瓷基复合材料及构件多尺度性能评估精度和适用性的瓶颈。因此，积极发展陶瓷基复合材料及构件的模拟服役环境试验与缺陷/损伤状态在线无损表征技术能力，揭示陶瓷基复合材料及构件缺陷/损伤演化规律与失效机理，是陶瓷基复合材料无损表征技术的重要补充。
从缺陷/损伤成因、种类的角度来看，陶瓷基复合材料的典型缺陷主要包括制造缺陷、加工损伤和服役损伤，具体而言，主要包括孔隙、孔洞、夹杂、裂纹和分层五类，且不同的缺陷/损伤具有不同的物理特征和尺度。不同的无损表征技术对不同类型和尺度缺陷的敏感程度和检出能力不同，需要根据制备工艺、服役环境和关注的缺陷/损伤类型，研究和采用针对性的检测方法。总体而言，射线、超声、红外和太赫兹检测技术仍然是目前研究的热点，同时，电阻抗、声发射、人工智能及机器视觉等新技术也受到广泛关注。
从无损检测方法适用性、缺陷/损伤可检性和工程可用性的角度看，缺陷/损伤判定准则不明确、相关检测标准和专用检测设备缺失是陶瓷基复合材料无损表征技术发展面临的主要问题和挑战。采用单一的无损检测技术难以实现陶瓷基复合材料全寿命周期内缺陷/损伤的可靠、高效表征和追踪，探索和发展多种检测技术相结合的一体化表征技术体系，实现多类型缺陷的同步跟踪表征，是未来陶瓷基复合材料无损表征技术的重要发展方向。
随着陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件应用进程的不断加快，保证其制造质量和服役安全已成为国内外关注的热点问题。本文基于陶瓷基复合材料典型缺陷/损伤的成因和特征，综述了目前国内外陶瓷基复合材料无损检测技术的研究现状和发展趋势，并对存在的问题和挑战进行了分析。指出射线、超声、红外、太赫兹及声发射等无损检测技术在方法适用性、缺陷/损伤可检性和工程可用性等方面依然存在诸多技术问题亟需解决。
参 考 文 献
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