摘要
梯度材料是一类组成、结构及性能呈规律性渐变的功能材料，具有很强的可设计性和极端环境下的服役优势，广泛应用于工程中。梯度材料的性能受其结构参数的影响，发展一种高效率、高精度的结构参数无损检测技术，已成为梯度材料研发、生产和应用过程中一个亟待解决的问题。超声无损检测技术具有其他无损检测方法难以媲美的优势，包括成本低、对人体及周边环境无害等，因此使用超声波传播理论对梯度材料进行超声无损检测尤为重要。然而，梯度材料中间层内存在非均匀分布的散射体，其对超声波的散射行为复杂；层间界面结构变化多样，不同层间界面处超声波的反射、透射存在差异，这都增加了超声波特征量的提取难度。本论文基于实验与有限元模拟结果，建立了超声波在复合材料中的传播速度及衰减与复合材料显微结构之间的关系；构建了不同形式的梯度层间界面模型，分析超声波在层间清晰界面、层间模糊界面处的反射、透射，进而探讨梯度材料中超声波的传播行为。以此为基础，推导出适用于梯度材料超声反射系数谱的计算公式，并开展梯度材料中间层厚度超声测量的实验研究。 采用放电等离子体烧结制备Cu-W/SiC复合材料及其梯度材料，研究了烧结温度、烧结压力和保温时间对Cu-W/SiC复合材料致密度和显微结构的影响，结果表明适宜烧结工艺为950℃-40MPa-15min。不同W、SiC含量下Cu-W/SiC复合材料的最低致密度可达98.7%，其内部无明显的孔洞，W/SiC颗粒在Cu基体中分散均匀。由于Cu与W、SiC的界面结合较弱，Cu-W/SiC复合材料断裂方式为W、SiC颗粒与Cu基体的脱落及Cu基体的韧性断裂。Cu-W/SiC梯度材料无明显的层间界面，中间层的厚度控制精确，误差仅为1%-2.3%。由于Cu-W/SiC梯度材料各中间层热膨胀系数的差异小，梯度材料的弯曲变形小，线轮廓上的高度差约为10μm。 基于实验和有限元模拟研究了Cu-W/SiC复合材料中超声波的传播行为。结果表明Cu-W、Cu-SiC和Cu-W/SiC复合材料的声衰减系数与超声波频率均满足α=Afn幂函数的变化形式（n）。当超声波频率较低时，Cu-W、Cu-SiC复合材料的声衰减系数均随着W、SiC含量增大而增大；当超声波频率较高时，其均随着W、SiC含量增大而先增后减，分别在W含量为30vol%、SiC含量为20vol%取得最大值。根据颗粒散射理论定量分析了复合材料中颗粒独立散射和颗粒间相互作用对超声波的衰减，结果发现Cu-W复合材料的颗粒间相互作用衰减为正值，而Cu-SiC、Cu-W/SiC复合材料则恰恰相反。这是因为W、SiC颗粒对超声波的散射主要与入射超声波传播方向反方向、同方向，前者散射波较易耗散在Cu-W复合材料内部，而后者散射波之间相互叠加，形成新的“入射超声波”，难以耗散在Cu-SiC、Cu-W/SiC复合材料内部。由于Cu-W/SiC复合材料中的W颗粒会改变SiC颗粒的散射波传播方向，散射波易耗散在复合材料内部，因此Cu-W/SiC复合材料的声衰减系数远大于Cu-W、Cu-SiC复合材料的声衰减系数。W含量和颗粒粒径对Cu-W复合材料的声速影响很小，而Cu-SiC、Cu-W/SiC复合材料的声速主要是由SiC含量决定的，与SiC的含量呈二次函数变化形式。 通过有限元模拟研究了Cu-W/SiC梯度材料中超声波的传播行为。结果表明超声波在层间清晰界面处发生反射、透射，与W/Cu、Cu/SiC层间清晰界面不同，80W-20Cu/80Cu-20W、80Cu-20SiC/80SiC-20Cu层间清晰界面的反射波会受到中间层内散射波的影响，前者层间界面的反射波能保持相对较好的波形，而后者层间界面的反射波会被散射波直接掩盖掉；超声波在90Cu-10W/70Cu-30W、90Cu-10SiC/70Cu-30SiC层间模糊界面处没有反射发生，层间模糊界面对超声波的传播没有影响。超声波在Cu-W、Cu-SiC梯度材料中的传播受中间层内颗粒对其散射和层间清晰界面处反射、透射的共同影响。 基于超声波在梯度材料中的传播行为，推导出梯度材料超声反射系数谱的计算表达式，建立起超声反射系数谱与中间层厚度之间的函数关系，并开展超声反射系数谱对中间层厚度的灵敏性分析，结果表明超声反射系数谱对中间层厚度较为灵敏，其逆问题的解是稳定的。引入粒子群优化算法来拟合超声反射系数谱，以反演中间层的厚度。使用15MHz超声探头对三层Cu-W/SiC梯度材料中间层厚度进行的超声测量，实测中间层厚度的相对误差分别为+4.74%、-5.44%、+2.27%；还对中间层厚度的收敛性进行分析，结果发现在选定的参数范围内，目标函数只有一个极小值，收敛性较好，验证了梯度材料中间层厚度超声测量技术的可行性和有效性。
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