航空陶瓷基複合材料的疲勞測試和蠕變測試

背景摘要通過陶瓷基複合材料（CMCs）的疲勞測試和蠕變測試，確定CMCs是否為高效的航空材料。航空材料製造商正試圖通過減輕產品的質重量、提高生產效率、延長使用壽命等各種方法降低企業材料成本，立足於市場。而要想要達到該這一目的，製造商們還可通過引用進先進材料、複合材料、優化設計（例如：改善機翼形狀，將動力系統升溫加壓）等途徑來加以實現。CMCs是什麼CMCs是一種生長在陶瓷基(ceramic matrix)上的陶瓷纖維（ceramic fibers）。該這種材料將應用於航天器發動機系統。CMCs的優勢普通陶瓷呈脆性、塑性低、斷裂韌性低。CMCs具有普通陶瓷的優點：熔點高、楊氏模量大、硬度高。不僅如此，CMCs還具備較強的抗裂性、耐熱震性、以及抵抗拉應力失效。這是因為，陶瓷纖維具有獨特的結構，提供高效壓力傳輸路徑（即使基體產生裂紋）。隨著CMCs斷裂韌性和塑性的提高，CMCs可應用於發動機中的高壓、高溫環境，例如：燃燒室襯套、風扇導流葉片、渦輪葉片。在確認將新材料應用於發動機關鍵部位之前，研究者們須進行大量材料測試，評估CMCs材料的疲勞和蠕變特性，這將是重大挑戰。

圖：疲勞測試和蠕變測試的典型儀器 來源：Exova疲勞斷裂和疲勞極限測試發動機在疲勞載荷（交變拉、壓應力）作用下，在遠低於屈服應力時發生的低應力脆性斷裂，稱為疲勞斷裂。疲勞極限測試是指：，測定試樣在不同的交變應力下發生斷裂的疲勞次數。其中，施加並撤去交變應力的次數稱為疲勞次數（cycle），施加負載形狀稱為波形（waveform），單位時間內施加交變應力次數稱為頻率（frequency）。疲勞測試的頻率需限制在0.001Hz至30 Hz，以免內部摩擦力過大，使試樣升溫，無法測得準確的疲勞極限值。而實際測試頻率更小，這是出於探頭在粗糙CMCs表面穩定性的考慮。CMCs測試使用應力監測器控制試樣交變載荷大小。監測器邊緣與試樣相連，探頭伸縮的長度反應試樣應力狀態。探頭的靈敏度要求很高，這是因為施加於CMCs材料的交變載荷比施加於金屬的交變載荷小一個數量級。在金屬應變控制試驗中，應變極限為 0.4% ，而CMCs的應變極限為0.04%左右。通常而言，探頭的應變範圍設置為1%。為了保證探頭的靈敏性，須嚴格控制實驗室環境參數，包括：溫度、氣流等。此外，探頭需要連接水冷裝置以防溫度過高造成儀器誤差。水流不可過快，不可暴露於強氣流。

圖：CMCs試樣上的伸縮探頭 來源：Exova
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