多层结构蠕变和微裂纹扩展行为的无损检测和定量评价

本项目以国家科技发展战略和国家重大需求为牵引，研究解决以核电压力容器、航空发动机、微电子器件为典型代表的多层结构高温蠕变和内部微裂纹无损检测和定量评价问题。系统研究光学相干层析，提高系统的精度、鲁棒性和成像速度。该系统除了能对多层结构内部实现二维/三维扫描成像外，还可以实现对多层结构中各涂层和基体蠕变变形的在线监测新功能。利用该系统监测高温蠕变实验，可以同时研究多层结构蠕变和内部微裂纹的扩展行为；结合实验修正过的多相元耦合和断裂有限元模型，定量评价多层结构特性对蠕变和裂纹扩展的影响。利用现代信号处理方法，从实验和模拟结果中提取微弱的裂纹信息，对多层结构早期的微小裂纹（微米级或亚微米级）进行预测和评价，提出多层结构完整性的光学相干层析评价体系。本项目的研究，对于提高核电压力容器、航空发动机、微电子器件等结构的设计制造水平，科学评价和高效利用多层结构以及开发新型结构具有科学价值和指导作用。

本项目以国家科技发展战略和国家重大需求为牵引，研究了以核电压力容器、航空发动机等典型代表的多层结构高温蠕变和内部微裂纹无损检测和定量评价问题。 项目负责人按年度研究计划如期完成研究任务，取得了预期研究成果。已经发表(含录用)论文32篇 （其中SCI 7篇，EI 18篇次， ISTP 8篇），并申请发明专利10项（其中已有5项发明专利获得授权），申请并获得实用新型专利2项。本项目系统研究了时域和频域的可见/ 红外光学相干层析成像系统，已经完成系统的搭建、调试和优化,并且在国际上首次提出光学相干蠕变/振动成像，将光学相干层析系统成功应用于结构变形和材料内部结构检测。该系统既能实现对成像多层薄膜结构的内部结构的检测，又同时能实现对结构变形或者振动的监测，实现在高温环境下对结构蠕变/热变形进行非接触监测。系统了研究小波分析等先进信号处理方法在提取微弱裂纹信息的应用，对多层结构早期的微小裂纹进行预测和评价。自研制的系统为多层结构完整性评价提供了一个崭新的工具。为了提高光学相干层析系统的检测精度，频谱校正技术被采用。在光学相干层析频域方法中，将光谱信号作傅里叶变换后利用频谱校正的方法可以得到被测结构更精确的热变形/蠕变量。该自研制的光学相干层析系统显著的特点是具有高精度的深度方向分辨率，可以达到亚微米级的精度，比传统的超声检测方法的精度提高了两个数量级。这个亚微米级精度也是当前公开文献所报道最高的精度之一。考虑涂层系统上下表面与环境对流传热、涂层系统各层热传导以及各层材料热机属性随温度变化等非线性关系，研究了等离子喷涂热障涂层在升温-恒温-降温过程中涂层应力沿层深分布情况及相关力学性能的影响。结果表明，由于恒温过程中蠕变影响，应力大幅减小；应力增长主要集中在降温过程中，其中氧化层与粘结层界面波峰处应力最大。随着氧化层厚度的增加，氧化层/粘结层内部应力显著增加，膜基结合力大幅下降。随着氧化层增厚，膜/基结合力大幅下降，易引发裂纹萌生与扩展。本项目利用有限元模型定量评价了多层结构特性对蠕变和裂纹扩展的影响。在获本项目资助后，项目负责人先后获福建省杰出青年基金、省百人计划、教育部博士点基金（博导类）、国家卫计委研究基金等项目资助，初步建立了一支以福建省百人计划教授（项目负责人）为负责人、以福建省“闽江学者特聘教授”为核心成员的国际化科研创新团队，初步具备承接国家重大项目的实力和条件。

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