背景摘要
通过陶瓷基复合材料（CMCs）的疲劳测试和蠕变测试，确定CMCs是否为高效的航空材料。
航空材料制造商正试图通过减轻产品的质重量、提高生产效率、延长使用寿命等各种方法降低企业材料成本，立足于市场。而要想要达到该这一目的，制造商们还可通过引用进先进材料、复合材料、优化设计（例如：改善机翼形状，将动力系统升温加压）等途径来加以实现。
CMCs是什么
CMCs是一种生长在陶瓷基(ceramic matrix)上的陶瓷纤维（ceramic fibers）。该这种材料将应用于航天器发动机系统。
CMCs的优势
普通陶瓷呈脆性、塑性低、断裂韧性低。CMCs具有普通陶瓷的优点：熔点高、杨氏模量大、硬度高。不仅如此，CMCs还具备较强的抗裂性、耐热震性、以及抵抗拉应力失效。这是因为，陶瓷纤维具有独特的结构，提供高效压力传输路径（即使基体产生裂纹）。随着CMCs断裂韧性和塑性的提高，CMCs可应用于发动机中的高压、高温环境，例如：燃烧室衬套、风扇导流叶片、涡轮叶片。
在确认将新材料应用于发动机关键部位之前，研究者们须进行大量材料测试，评估CMCs材料的疲劳和蠕变特性，这将是重大挑战。
图：疲劳测试和蠕变测试的典型仪器 来源：Exova
疲劳断裂和疲劳极限测试
发动机在疲劳载荷（交变拉、压应力）作用下，在远低于屈服应力时发生的低应力脆性断裂，称为疲劳断裂。
疲劳极限测试是指：，测定试样在不同的交变应力下发生断裂的疲劳次数。其中，施加并撤去交变应力的次数称为疲劳次数（cycle），施加负载形状称为波形（waveform），单位时间内施加交变应力次数称为频率（frequency）。
疲劳测试的频率需限制在0.001Hz至30 Hz，以免内部摩擦力过大，使试样升温，无法测得准确的疲劳极限值。而实际测试频率更小，这是出于探头在粗糙CMCs表面稳定性的考虑。
CMCs测试使用应力监测器控制试样交变载荷大小。监测器边缘与试样相连，探头伸缩的长度反应试样应力状态。
探头的灵敏度要求很高，这是因为施加于CMCs材料的交变载荷比施加于金属的交变载荷小一个数量级。在金属应变控制试验中，应变极限为 0.4% ，而CMCs的应变极限为0.04%左右。通常而言，探头的应变范围设置为1%。
为了保证探头的灵敏性，须严格控制实验室环境参数，包括：温度、气流等。此外，探头需要连接水冷装置以防温度过高造成仪器误差。水流不可过快，不可暴露于强气流。
图：CMCs试样上的伸缩探头 来源：Exova
蠕变是什么？
材料在长时间的恒温、恒应力作用下发生的缓慢塑性形变的现象称为蠕变。蠕变测试是指：对试样施加低于屈服应力的静载荷，测试发生断裂时对应的静载荷大小。
从机理上来说，蠕变测试的过程是：试样的显微结构受到破坏，形成细小裂纹，进而剩余部分无法承受外加负载，导致试样断裂。通常而言，施加于试样的应力范围在是100 -至200 MPa 范围(15-至30 ksi)，视具体情况而异。
另外，CMCs的轴向力校准也是一重要的测试内容，其目的是将试样内部弯曲应力降至最小。已有结果显示，弯曲应力的存在将对CMCs将造成不利影响。对于金属试样而言，最大弯曲应力的标准是：不超过疲劳应力极限的5%、不超过蠕变极限10% 。然而CMCs的延展性不如金属，一旦轴向力未对准，其对材料的危有害影响将是显著的。因此，CMCs的最大弯曲应力的标准定为：不超过疲劳应力极限和蠕变极限的3% 。
此外需要注意的是，由于发动机在高温环境下运行， CMCs的测量试温度也须相应在600°C至1,300°C。而通常的生产设备及配件材料为金属质地，其测量试温度为1000°C，这就为测试设备的参数设置带来一定复杂性。因此，实际测试中，研究人员使用低剖面炉（low profile furnaces）加热CMCs试样，且仅测试试样关键部位。
过去十几年来，陶瓷基复合材料凭借其持久的高温强度受到青睐。但目前，研究人员者们仍需要对CMCs进行一系列高温测试评估，并深入了解其力学特性，以便确包定该材料可应真正用于飞行器制造。
图：陶瓷、低碳钢、铝等材料的主要性质
译自：qualitymag
来源：材料与测试
译者：Kate0609
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