陶瓷基复合材料缺陷检测与智能分析

内容上设置，本书为利用智能检测方法系统研究陶瓷基复合材料缺陷分布规律统计及其对力学性能影响的国内外首部专著。旨在以通过各种方式引入陶瓷基复合材料中形成的缺陷为对象，研究各类缺陷所适合的无损检测方法以及缺陷类型和尺度对材料力学性能的影响，利用当前飞速发展的人工智能方法结合传统无损检测方法，实现陶瓷基复合材料复杂构件缺陷的智能检测，解决目前传统人工检测检测精度低、效率低和漏检率高的问题。
编排形式上，首先，总体概括了含缺陷CFCC-SiC复材的制备以及预制体缺陷类型；其次，介绍从一维预制体、二维预制体再到多维预制体复材缺陷的识别检测及性能测试，并对比了传统分析方法与智能分析方法的优缺点；然后，介绍了连接结构的无损检测及缺陷的智能分析。内容循序渐进，结构清晰，给予读者阅读的适应过程。

CMC复合材料具有耐高温、比强度高，比模量高、很好的耐磨性、抗热震性能、耐化学腐蚀性、低密度等优点，被广泛应用于航空航天领域。无损检测对CMC质量控制与服役安全具有重要意义。 然而CMC内部结构复杂性、外部形貌复杂性、制备工艺复杂性和服役环境复杂性都导致了传统人工检测方法对于CMC复杂构件的检测面临“失效”，为无损检测和评价提出新的挑战。本书研究了大量缺陷特征对材料力学性能之间的影响规律，结合飞速发展的人工智能方法来剥离材料本征孔隙与危害缺陷，实现对CMC构件缺陷的精确识别与智能评价。

梅辉，西北工业大学材料科学与工程学院，教授、博导。曾获得国家万人计划领军人才（2022）、科技部中青年领军人才（2021）、中组部“青年拔尖人才”（2015年）等人才计划支持，先后获得2019年教育部技术发明一等奖（排名1），2019年国家技术发明二等奖（排名6），2016年陕西省自然科学一等奖（排名3），2012年军队科技进步一等奖（排名5），2018年国防科技创新奖等。近年来主持或完成国家自然科学基金、国家高技术863和国家重大专项等10余项国家科研项目。曾任美国陶瓷协会会员，中国复合材料分支机构秘书长。参加本领域较有影响的会议23次，担任16次国际会议分会主席/组织者，5次大会秘书，15次特邀报告。

第1章 绪论 001
1.1 引言 002
1.2 CFCC-SiC复合材料 002
1.2.1 CFCC-SiC复合材料的定义 002
1.2.2 CFCC-SiC复合材料的应用 003
1.3 CFCC-SiC复合材料的典型缺陷 005
1.3.1 气孔 005
1.3.2 裂纹 006
1.3.3 密度缺陷 006
1.3.4 分层缺陷 007
1.3.5 氧化损伤 008
1.3.6 铆接缺陷 009
1.3.7 冲击损伤 010
1.4 CFCC-SiC材料的典型无损检测技术 011
1.4.1 X射线照相法 011
1.4.2 涡流检测法 012
1.4.3 声发射法 013
1.4.4 红外热成像法 013
1.4.5 磁粉检测法 015
1.4.6 CT检测法 015
1.5 缺陷智能检测 016
1.5.1 基于机器视觉的缺陷智能检测方法 016
1.5.2 基于深度学习的缺陷智能检测方法 018
1.6 陶瓷基复合材料缺陷智能检测研究进展 020
1.7 小结 020
参考文献 021

第2章 含缺陷CFCC-SiC复合材料的制备 027
2.1 引言 028
2.2 CFCC-SiC复合材料的制备方法 029
2.2.1 化学气相渗透工艺 029
2.2.2 聚合物先驱体转化工艺 030
2.2.3 反应熔体浸渗工艺 031
2.3 缺陷预制 032
2.3.1 孔洞缺陷 032
2.3.2 裂纹缺陷 032
2.3.3 密度缺陷 034
2.3.4 分层缺陷 034
2.3.5 冲击损伤 035
2.4 小结 036
参考文献 036

第3章 一维预制体SiC复合材料的无损检测及其性能 041
3.1 引言 042
3.2 一维纤维束 042
3.2.1 纤维种类对复合材料强韧性的影响 042
3.2.2 纤维束的拉伸性能与断裂行为 048
3.2.3 纤维束复合材料的拉伸性能与断裂行为 051
3.3 纤维束大小对复合材料强韧性的影响 056
3.3.1 纤维束及其复合材料的强度分布 056
3.3.2 纤维束的拉伸性能与断裂行为 057
3.3.3 纤维束复合材料的拉伸性能与断裂行为 058
3.4 小结 062
参考文献 062

第4章 二维预制体SiC复合材料的无损检测及其性能 065
4.1 引言 066
4.2 SiC纤维织物 067
4.2.1 单轴拉伸试验 067
4.2.2 偏轴拉伸试验 074
4.2.3 双轴拉伸试验 078
4.2.4 双轴剪切试验 086
4.3 2D C/SiC复合材料孔洞缺陷 093
4.3.1 无损检测 093
4.3.2 氧化失重率与热暴露面积比率的关系 093
4.3.3 热暴露面积比率对拉伸强度的影响 095
4.3.4 2D C/SiC复合材料孔洞缺陷断口显微分析 097
4.4 2D C/SiC复合材料盲孔缺陷 097
4.4.1 无损检测 098
4.4.2 机械盲孔及激光盲孔对拉伸性能的影响 099
4.4.3 机械盲孔及激光盲孔对弯曲性能的影响 102
4.4.4 机械盲孔对压缩性能的影响 105
4.4.5 激光盲孔对抗氧化性能的影响 107
4.5 2D SiC/SiC复合材料孔洞缺陷 109
4.5.1 试样缺陷智能检测 109
4.5.2 孔洞缺陷尺寸对拉伸性能的影响 110
4.6 2D C/SiC复合材料切口缺陷 111
4.6.1 无损检测 111
4.6.2 切口位置对抗氧化和弯曲性能的影响 113
4.6.3 切口数量对抗氧化和弯曲性能的影响 118
4.6.4 切口深度对抗氧化和弯曲性能的影响 122
4.7 不同裂纹缺陷尺寸2D SiC/SiC复合材料 124
4.7.1 试样缺陷智能检测 124
4.7.2 裂纹缺陷尺寸对拉伸性能的影响 125
4.7.3 裂纹缺陷尺寸对压缩性能的影响 128
4.8 不同裂纹缺陷深度2D C/SiC复合材料 131
4.8.1 试样缺陷无损检测 132
4.8.2 裂纹缺陷深度对拉伸性能的影响 132
4.8.3 裂纹缺陷深度对压缩性能的影响 135
4.9 不同密度分布的2D C/SiC复合材料 138
4.9.1 无损检测 138
4.9.2 缝合密度对拉伸性能的影响 140
4.9.3 缝合密度对压缩性能的影响 142
4.9.4 对比缝合密度对压缩和拉伸性能的影响 144
4.10 2D C/SiC复合材料密度缺陷 144
4.10.1 无损检测 144
4.10.2 密度缺陷对拉伸性能的影响 146
4.10.3 密度缺陷对压缩性能的影响 153
4.11 2D C/SiC复合材料分层缺陷 159
4.11.1 无损检测 159
4.11.2 分层缺陷对拉伸性能的影响 160
4.11.3 分层缺陷对压缩性能的影响 166
4.12 不同分层缺陷尺寸2D SiC/SiC复合材料 171
4.12.1 试样缺陷智能检测 171
4.12.2 分层缺陷尺寸对拉伸性能的影响 173
4.12.3 分层缺陷尺寸对压缩性能的影响 174
4.13 不同分层缺陷深度2D SiC/SiC复合材料 176
4.13.1 试样缺陷智能检测 176
4.13.2 分层缺陷深度对拉伸性能的影响 179
4.13.3 分层缺陷深度对弯曲性能的影响 182
4.14 2D C/SiC复合材料氧化损伤 185
4.14.1 无损检测 185
4.14.2 氧化时间对弯曲强度的影响 188
4.14.3 2D C/SiC复合材料氧化损伤的显微分析 190
4.15 2D C/SiC复合材料低速冲击损伤 191
4.15.1 2D C/SiC低速冲击损伤特征及无损检测 191
4.15.2 低速冲击后残余性能 194
4.15.3 铺层角度对2D C/SiC低速冲击损伤的影响 200
4.15.4 厚度对2D C/SiC低速冲击损伤的影响 203
4.15.5 低速冲击损伤机理和损伤模式分析 206
4.16 2D C/SiC复合材料静压痕损伤 207
4.16.1 无损检测 207
4.16.2 2D C/SiC的静态损伤阻抗性能 207
4.16.3 2D C/SiC的静态损伤容限分析 211
4.17 小结 213
参考文献 213

第5章 多维预制体SiC复合材料的无损检测及其性能 217
5.1 引言 218
5.2 编织形式对SiC/SiC本征孔隙特征的影响 219
5.2.1 无损检测 219
5.2.2 孔隙提取 219
5.2.3 孔隙特征 221
5.3 孔洞缺陷对不同编织SiC/SiC复合材料性能的影响 224
5.3.1 试样智能检测 224
5.3.2 孔洞尺寸对不同编织SiC/SiC弯曲性能的影响 226
5.4 贯穿缺陷对不同编织SiC/SiC复合材料性能的影响 230
5.4.1 试样智能检测 230
5.4.2 贯穿缺陷对不同编织SiC/SiC层间剪切性能的影响 231
5.5 三维针刺C/SiC复合材料密度缺陷 236
5.5.1 无损检测 236
5.5.2 密度缺陷对拉伸性能的影响 238
5.5.3 密度缺陷对压缩性能的影响 245
5.6 三维针刺C/SiC复合材料低速冲击损伤 250
5.6.1 厚度对三维针刺C/SiC复合材料低速冲击损伤的影响 250
5.6.2 不同结构对C/SiC低速冲击损伤的影响 251
5.7 小结 252
参考文献 253

第6章 SiC复合材料连接结构的无损检测及其性能 255
6.1 引言 256
6.2 2D C/SiC复合材料螺纹牙性能与传载机制 256
6.2.1 显微结构与物相分析 256
6.2.2 螺纹牙的拉脱性能 258
6.2.3 螺纹牙的传载机制 261
6.3 三维针刺C/SiC复合材料螺纹牙性能与传载机制 261
6.3.1 显微结构与物相分析 261
6.3.2 螺纹牙的拉脱性能 264
6.3.3 螺纹牙的传载机制 266
6.4 2D C/SiC单钉铆接单元的拉伸行为与铆钉剪断失效机制 267
6.4.1 2D C/SiC复合材料的剪切行为与失效机制 267
6.4.2 2D C/SiC单钉铆接单元的拉伸行为与铆钉剪断失效机制 276
6.4.3 2D C/SiC单钉铆接单元的拉伸行为和铆钉剪断失效的有限元模拟 282
6.5 2D C/SiC铆接单元的氧化损伤及其拉伸行为 285
6.5.1 2D C/SiC复合材料的氧化损伤 285
6.5.2 氧化损伤对2D C/SiC复合材料剪切行为与失效机制的影响 287
6.5.3 氧化损伤对2D C/SiC单钉铆接单元拉伸行为的影响 295
6.5.4 氧化损伤对2D C/SiC单钉铆接单元铆钉剪断失效机制的影响 296
6.5.5 氧化剩余强度与氧化失重率的关系 298
6.5.6 氧化损伤对2D C/SiC多钉铆接单元拉伸行为的影响 300
6.6 2D C/SiC多钉铆接单元的钉载分配 305
6.6.1 氧化前的钉载分配 305
6.6.2 700℃氧化后的钉载分配 315
6.6.3 1000℃氧化后的钉载分配 320
6.6.4 1300℃氧化后的钉载分配 323
6.7 铆接单元的优化设计 325
6.7.1 2D C/SiC单钉铆接单元的失效模式 325
6.7.2 2D C/SiC单钉铆接单元的优化设计 328
6.7.3 2D C/SiC多钉铆接剪切强度的可靠性概率 336
6.8 C/SiC铆钉连接件的智能检测及力学性能 337
6.8.1 C/SiC铆钉连接件的智能检测 337
6.8.2 C/SiC铆钉连接件拉伸性能 340
6.9 SiC/SiC螺栓连接件智能检测 342
6.10 小结 344
参考文献 345

第7章 SiC复合材料构件缺陷智能分析 349
7.1 引言 350
7.2 传统方法与智能检测方法比较 350
7.2.1 传统方法统计缺陷规律 350
7.2.2 智能方法统计缺陷规律 353
7.3 导向叶片智能分析 359
7.4 涡轮外环一智能分析 361
7.4.1 壁厚分析 361
7.4.2 孔隙分析 363
7.5 涡轮外环二智能分析 365
7.5.1 壁厚分析 366
7.5.2 孔隙分析 366
7.6 铆接类构件制备过程缺陷演变规律 368
7.7 构件环境损伤缺陷演变规律 372
7.7.1 复杂变角度构件高低温循环缺陷演变规律 372
7.7.2 薄壁大尺寸构件雷击环境损伤缺陷演变规律 373
7.8 火焰筒试验件智能分析 378
7.8.1 壁厚分析 378
7.8.2 孔隙分析 378
7.9 3D C/SiC 喷管密度分布 381
7.9.1 CVI次数对密度标样的影响 381
7.9.2 三维编织喷管的检测 382
7.9.3 三维针刺喷管的检测 384
7.10 小直径薄壁管件缺陷智能检测及其对力学性能的影响 385
7.10.1 小直径薄壁管件缺陷智能检测 385
7.10.2 径向压缩性能 388
7.10.3 轴向压缩性能 391
7.11 火焰筒单扇区试验件缺陷检测及其对力学性能的影响 392
7.11.1 试验件的制备及装配缺陷检测 392
7.11.2 试验件燃烧试验后的缺陷检测 394
7.11.3 力学性能测试 395
7.12 小结 399
参考文献 399