只是高温合金外面的涂敷材料,热屏蔽层有多重要?当年哥伦比亚航天飞机失事的原因,正是由于热屏蔽受损,热空气从热屏蔽层缺口进入机翼内部,导致航天飞机最终融化解体,酿成了人类历史上最惨重的航天灾难。在和我们的生活更相关的汽车中,涡轮增压发动机在极端高负荷运转下,内部已经红热甚至是白热化,温度甚至可能超过1000 ℃,尽管最新一代的高温合金也可以经受如此高的温度,但问题是在这么高的温度下极易出现氧化和腐蚀等现象,时间长了难免出现裂纹等缺陷。并且,随着对燃烧效率等指标的更高要求,燃烧室内的温度需要达到>1500 ℃,这时候如果没有涂敷热屏蔽层,高温合金自身都融化了。所以说,热屏蔽层至关重要。
通常,热屏蔽层会采用一种叫做的陶瓷基复合CMC (Ceramic Matrix Composites)材料。什么是CMC?就是以碳化硅、氮化硅、氧化铝等陶瓷为主要基底,发挥其耐高温耐腐蚀的优势,再加入适当的纤维等结构增加其韧性,从而制作出耐高温耐腐蚀并且具有相当强度和韧性的材料。随着技术的进步,CMC最高可承受 >1500 ℃ 的高温,比高温合金要高约500 ℃。使用CMC作为热障涂层后,不仅可以使高温合金等基底材料保持较低的温度防止氧化和腐蚀,而且还使得发动机燃烧室等部件的工作温度进一步提高,从而进一步提升发动机的燃烧效率和动力。不仅如此,由于密度比较低,CMC的大量使用还可以降低发动机和其他部件的重量,使得整个汽车或者飞机的总重量也有明显的下降,也从另一个角度提升了动力性,降低了油耗,减少了燃料消耗。
在上面提到的这些CMC作为高温合金的热障涂层常见应用中,需要在高温合金表面涂敷100 微米至几毫米不等的但厚度精确的CMC涂层,因此需要仔细控制涂敷工艺。然而,在实际生产中,CMC的制造和质量控制仍然具有极大的挑战性。这是因为,CMC材料的高孔隙率和低热传导率是其自然的属性也是其应用的基础,但于此同时,也导致传统的无损检测方法如空气耦合超声检测、X射线断层扫描、热成像等无法对其进行表征。
太赫兹波对CMC有较强的穿透性,因此太赫兹时域光谱仪(THz-TDS) 结合成像技术提供了一种解决方案,不仅能够高精度测量涂层的厚度,并且能够定量检测出材料内的缺陷。THz-TDS可用于对样品进行透射或反射检测,在对吸收变化不敏感的透射测量中,反射模式为基底材料提供了更多的选择。与光谱学相似的是,THz-TDS对待测材料的折射率很敏感,界面的反射率决定了反射太赫兹信号的振幅和相位,这使得它成为一种适用于层状结构的无损检测 (NDT) 技术。利用脉冲太赫兹波进行飞行时间 (Time Of Flight, TOF) 测量,可以在透射和反射模式下高精度地获得各层厚度。与现有的其它技术相比,不仅可以通过太赫兹测试技术来确定涂层的总厚度,而且可以区分不同层之间的厚度差,最高可以达到微米量级的分辨率
太赫兹时域光谱仪 (THz-TDS) 在光谱学、材料表征、安检、通信等众多领域应用前景广阔。全光纤耦合、工作在1560 nm 波段的激光器能够相对来说高效地产生宽带的太赫兹信号。为了把紧凑的超快飞秒光纤激光器可靠地集成到复杂系统中,它必须满足在恶劣工作环境中仍能保持优良的稳定性、复现性以及鲁棒性。基于非线性光纤环形镜的9 字型腔锁模专利技术是目前最先进的飞秒光纤激光器锁模技术之一 [2] ,它不仅具有超低的环境敏感度,同时具有优良的功率和频率稳定性、超低的时间抖动、紧凑的尺寸以及经济的制造成本,从而促成了紧凑性商品化太赫兹时域光谱仪系统的诞生。比如,德国Menlo Systems 公司的一体式THz-TDS (型号: TeraSmart) 包括了基于9 字型腔的全光纤超快激光模块、光学延迟线以及控制电脑,这些模块被封装进尺寸仅为19寸3 U的机箱中,只有光纤耦合的太赫兹天线和透镜等太赫兹光路置于机箱外,方便用户灵活地设计和改造自己的太赫兹光路。此系统不仅适用于实验室环境,经过适当改造亦可以被用于工厂生产线等实地测试环境甚至可与工业化产品线高度集成。
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