SiCf/SiC复合材料微观结构与损伤的纳米尺度同步辐射X射线相衬层析成像与原位表征分析

As an ideal high temperature structure and functional material, SiCf/SiC composite has become more and more popular in the fields of aerospace and nuclear fusion due to its excellent physical and chemical properties. Limited by existing research methods, the nondestructive 3D characterization of micro-morphology and damage of SiCf/SiC composites remains on micron-scale and the related research has been lagged behind. This proposal plans to explore the synchrotron radiation X-ray nano-scale computed tomography (CT) and the corresponding in-situ characterization techniques for SiCf/SiC composites. It will implement the nondestructive 3D characterization of micro-morphology and damage of SiCf/SiC composites on several tens of nanometer scale by developing the limited-angle local nano-scale phase contrast CT, the sample preparation and in-situ loading device, the calculation and characterization methods of morphological parameters, the imaging system and the experimental techniques. One side, this work will improve the 3D characterization accuracy of SiCf/SiC composites one order and prompt its innovation and application. Another side, this work will also strengthen the synchrotron radiation nano-scale computed tomography to serve the cutting-edge researches better.

SiCf/SiC复合材料因其优异的理化性能，已成为航空航天以及核聚变等领域理想的高温结构与功能材料。受现有研究手段制约，SiCf/SiC复合材料微观形貌与损伤的无损三维表征尚停留在微米尺度，相关研究较为滞后。为此，本项目拟开展此类材料微结构与损伤的纳米尺度同步辐射X射线相衬层析成像方法与原位表征分析技术研究，通过对有限角局部相衬纳米层析成像理论、形貌信息计算与表征方法以及原位加载成像装置和实验技术的探索，实现几十纳米量级微观结构与损伤特征的无损三维表征与形貌分析。本项目一方面将把现有SiCf/SiC复合材料微观结构三维层析表征能力提高一个数量级以上，助推其进一步的研究和应用；另一方面将提升同步辐射纳米层析成像能力，丰富其在交叉学科前沿研究中的应用，具有重要的科学意义和应用价值。

针对SiCf/SiC复合材料微观形貌与损伤无损三维表征尚停留在微米尺度，难以满足该种材料结构性能进一步发展与应用需求的突出问题，本项目依托北京同步辐射大科学装置，开展了此类材料微结构与损伤纳米尺度同步辐射X射线相衬层析成像方法与原位表征分析技术研究，探索建立了基于BPF图像重建方法、差分前向投影技术及多尺度特征提取深度学习框架的有限角局部相衬纳米层析成像理论，为SiCf/SiC复合材料纳米相衬成像提供了算法支持；研发形成了基于光线投射法的高精度体绘制方法，具备三维可视化渲染、三维实体交互操作和二维虚拟切片功能，为SiCf/SiC复合材料纳米相衬图像三维可视与分析提供了表征方法；设计搭建了有限角局部相衬纳米成像实验装置和由数据扫描采集、预处理、抖动校正等环节构成的实验技术体系；设计制备了基于FIB刻蚀技术和物理研磨方法的颗粒和薄片SiCf/SiC复合材料样品以及薄片样品原位加载装置，开展并完成了定性、定量裂纹扩展分析。本项目通过有限角局部相衬纳米层析成像理论、形貌信息计算与表征方法以及原位加载成像装置和实验技术的探索，实现了几十纳米量级微观结构与损伤特征的无损三维表征与形貌分析，将SiCf/SiC复合材料微观结构三维层析表征能力提高一个数量级以上，对其进一步研究和应用有重要意义。本项目达到了预期研究目标，获得学术论文、发明专利、特邀报告、人才培养、科技奖励等方面各类成果 32项。