下一代陶瓷材料所面临的严峻考验

用于制造超音速喷气发动机和下一代燃气涡轮发动机所需的先进陶瓷复合材料要承受更高的工作温度,但是实时分析航空航天材料在超高温度下的力学性能依旧是一项难题。美国能源部下属劳伦斯伯克利国家实验室(以下简称伯克利实验室)的研究人员却开发出了这样的测试设备,它能够在可控载荷和超高温度环境下对陶瓷复合材料进行实时的CT扫描。

在1750度下施加拉伸载荷时的CT扫描图片,图片显示了陶瓷复合材料中裂纹的形成,图片是在伯克利实验室的先进光源中心自制力学试验台采集获得。

伯克利实验室的先进光源中心拥有高能X射线和紫外线光源,在这里工作的科学家制作了一台装备X射线的力学拉伸试验平台,这个平台可以实时显示在温度高达1750oC下施加拉伸载荷时显微裂纹的扩展。这使得工程师可以计算陶瓷复合材料在极端工作环境下结构或力学失效的风险,从而使材料的性能和安全性得以改善。

在伯克利实验室领导这项研究的材料科学家Robert Ritchie解释道:“我们的原位超高温拉伸试验台和ALS8.3.2线站的X射线相结合,使我们能够获得先进陶瓷复合材料在前所未有的高温条件下的力学性能数据,这些测量数据,结合了直观的3D图像和载荷下的定量损伤数据,可以为准确预测陶瓷复合材料的结构完整性和安全寿命提供重要的信息。”

Ritchie任职于伯克利实验室材料科学分部和加州大学伯克利分校材料科学与工程系。他已经在Nature Materials杂志上发表了关于这项研究工作的论文,他是该论文的通讯作者。这篇论文的题目是Real-time quantitative imaging of failure events in materials under load at temperatures above 1,600C。这篇文章的其他作者包括:Hrishikesh Bale,Abdel Haboub,Alastair MacDowell,James Nasiatka,Dilworth Parkinson,Brian Cox和David Marshall。

黏土制成的陶瓷被用作建筑材料已经有数千年的历史,因其耐水性,耐腐蚀性,抗氧化性和最重要的耐热性而著称。黏土所能承受的温度能熔化大多数的金属。然而,传统的陶瓷也存在严重的缺陷,即脆性。如今在极端结构中应用的先进陶瓷更加的强硬。他们已经用陶瓷纤维增强形成复合材料,并能沿着天然材料(比如骨骼和贝壳)的线形进行构造。陶瓷复合材料制成的喷气或涡轮燃气发动机的重量将大大的小于今天的发动机,并能在更高的温度下工作。这将转化为更高的燃油效率并减小污染。

尽管陶瓷复合材料和它的粘土祖先相比更难断裂,但是细小的裂纹可以在他们复杂的显微组织中萌生和生长,并造成潜在的灾难性问题。

Ritchie说:“像骨头和贝壳一样,陶瓷复合材料通过复杂性来增强,用有层次的,混合的显微组织阻止局部损伤的扩张,防止的致命大裂纹的形成,这是典型脆性材料的特征。但是,成分的复杂性使安全使用的问题变得复杂。对于陶瓷复合材料在超高温条件的应用,尤其是环境中有腐蚀性物质时必须远离材料,这种情况下相对小的裂纹,即使是微米数量级,都是不可以接受的。”

究竟怎么通过定制陶瓷复合材料的显微组织来预防微裂纹?无论对于追求成分和体系最优化的材料科学家,还是对于必须预测失效的设计工程师都是一个核心问题,Ritchie表示回答这个问题唯一可靠的方式就是通过在超高温下测量数据。

原位超高温拉伸试验台示意图

ALS8.3.2线站由一个6特斯拉的超导弯曲磁体供电,用来进行X射线显微层析,这是一种固态的3D无损成像技术,分辨率接近1微米。在独特的拉伸试验平台的帮助下,Ritchie和他的同事可以在惰性气体或者活泼气体氛围中保持原位超高温环境,并同时获得样品显微组织的实时三维图像。在他们发表的论文中,Ritchie和他的合作者描述了在足够的分辨率条件下获取碳化硅陶瓷复合材料样品显微组织的3D图像,并观察在不同载荷下微裂纹以及其他形式的内部损伤形成。

Ritchie说:“我们的测试结果提供了陶瓷复合材料内部潜在失效机制的重要信息,这些信可以用来优化复合陶瓷材料的性能。通过直接的、实时的、无损的实验观察验证理论数据模型,可以极大的促进我们的认识,并有助于促进陶瓷复合材料的技术创新。”

左 勇 About 左 勇

北京工业大学材料科学与工程专业博士研究生,微电子组装材料与技术方向。2011年获得北京工业大学工学学士学位。