CN107966415A - SiC氧化反应的非接触式在线检测方法及装置 - Google Patents

SiC氧化反应的非接触式在线检测方法及装置 Download PDF

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CN107966415A CN201711156383.1A CN201711156383A CN107966415A CN 107966415 A CN107966415 A CN 107966415A CN 201711156383 A CN201711156383 A CN 201711156383A CN 107966415 A CN107966415 A CN 107966415A
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孟松鹤
李哲文
曾庆轩
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Abstract

本发明涉及一种SiC氧化反应的非接触式在线检测方法，包括以下步骤：通过聚焦光路实时探测离解氧环境中的SiC试样近表面空间区域气体的光谱信号；通过分析所述光谱信号判断所述SiC试样近表面是否存在Si原子，是则确定SiC试样近表面发生主动氧化，否则发生被动氧化。本发明还涉及一种SiC氧化反应的非接触式在线检测装置，可实时在线检测SiC材料的氧化反应状态，相对于传统氧化后材料分析的测试方法，本发明大幅度减少SiC氧化和后期材料分析的实验量，节约了成本。

Description

SiC氧化反应的非接触式在线检测方法及装置
技术领域
本发明涉及材料检测技术领域，尤其涉及SiC氧化反应的非接触式在线检测方法及装置。
背景技术
当前以ZrB2-SiC、C/SiC为代表的高超声速飞行器关键热段部位候选防热材料，在1200-1500℃区间的抗氧化能力主要依赖硅基成分，研究硅基材料氧化机理是提升防热材料抗氧化能力的前提与关键。随着高超声速飞行器速度的提高，气流通过激波压缩或粘性阻滞减速，导致大量动能转变成热能，气体混合物温度升高并发生能量激发、离解、电离、电子激发等一系列物理化学反应，出现所谓的“高温气体效应”，此时用于飞行器端头、翼前缘等关键部位防热材料面临的是高温、低压、离解氧介质。
SiC材料在常压、分子氧环境下具有良好的抗氧化性能，这是由于在高温条件下SiC材料表面生成了一层非常薄的、致密的、结合牢固的SiO2膜，氧在SiO2膜中的扩散系数非常小，因此SiC材料的氧化非常缓慢，在这种条件下，SiC的缓慢氧化称为被动氧化，化学式为：SiC(s)+32O2(g)＝SiO2(s)+CO(g)。
但当周围的环境压力降低、氧化介质从分子氧变成离解氧，SiC材料氧化速率增加，并从被动氧化向主动氧化转变，化学式变为：SiC(s)+O2(g)＝SiO(g)+CO(g)。此时，氧化产物由SiO2抗氧化膜变成挥发性SiO，使得SiC材料丧失抗氧化作用。这一氧化反应的转变，直接决定SiC基的防热材料的使用范围和应用领域。因此，针对SiC材料的主/被动氧化反应的研究一直是防热材料的热点和重点。
目前，研究人员主要通过分析SiC氧化后材料表面物相和微观组织结构而判断在该实验状态下发生的是主动氧化反应，还是被动氧化反应。这样的方法仅能确定特定氧化环境(氧化介质、温度、压力)下SiC材料的反应状态，不能对SiC氧化反应进行在线检测，无法获得任意氧化环境下SiC材料的反应状态。
发明内容
本发明要解决的技术问题是解决现有技术不能对SiC氧化反应类型进行实时在线检测，获得SiC主被动氧化转变这一关键参量的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种SiC氧化反应的非接触式在线检测方法，本发明所述的检测方法为：首先根据SiC主/被动特点，选取能够反映反应特征的化学方程式，其中被动反应的化学方程式为：
SiC(s)+3/2O2(g)＝SiO2(s)+CO(g)
主动反应的化学方程式为：
SiC(s)+O2(g)＝SiO(g)+CO(g)
根据上述化学反应可以看出，主动反应时材料表面产生一种SiO气相产物，通过实时在线探测SiO气体的光谱信号即可判断SiC是否发生主动反应。SiO分子带谱覆盖范围较宽，宽谱段范围内信号较弱，加上材料表面高温辐射的影响，难以探测到有效的分子带谱。通过分析发现，气态SiO不稳定的特点，脱离试样表面后易分解为Si和SiO2，而Si原子的发射光谱在288nm处有较强的特征峰。本发明的特点是通过探测高温试样近表面空间区域是否存在Si原子，即测试该区域在288nm处是否出现原子特征谱线，进而判断原子氧环境下SiC主/动氧化的转变点。此外，还可以通过特征谱线强度判断出主动氧化的强弱。
本发明的检测方法包括以下步骤：
S1、通过聚焦光路实时探测离解氧环境中的SiC试样近表面空间区域气体的光谱信号；
S2、通过分析所述光谱信号判断所述SiC试样近表面是否存在Si原子，是则确定所述SiC试样发生主动氧化，否则发生被动氧化。
进一步地，所述方法还包括：
S3、改变SiC试样所处测试区域的反应条件，执行步骤S1和S2记录不同反应条件下SiC试样的氧化类型，确定主动氧化至被动氧化的转变点。
进一步地，所述步骤S3中：在检测SiC试样发生被动氧化时，逐渐降低所述测试区域内的压强，直至根据探测的光谱信号判断SiC试样近表面空间区域存在Si原子，确定此时为主动氧化至被动氧化的转变点。
进一步地，所述步骤S1中采用透镜组汇聚SiC试样近表面处的实像，通过光纤接收所述实像输入光谱仪中，并通过光电倍增管后输入计算机；其中所述透镜组包括在SiC试样所处测试区域的一侧依次设置的窄带滤光片、长焦凸透镜和短焦凸透镜，所述窄带滤光片、所述长焦凸透镜和所述短焦凸透镜的几何中心与所述SiC试样近表面处于同一水平线上，且水平间距设置使得所述SiC试样近表面的实像汇聚于所述光纤一端设置的光纤传感头处，所述光纤另一端通过光纤适配器与所述光谱仪的输入端连接。
进一步地，所述步骤S1中将所述SiC试样置于热防护材料高温低压离解氧环境试验装置中以提供离解氧环境。
本发明还提供了一种SiC氧化反应的非接触式在线检测装置，至少包括光谱采集装置和分析装置；
所述光谱采集装置用于实时探测处于离解氧环境中的SiC试样的近表面空间区域气体的光谱信号；
所述分析装置用于通过分析所述光谱信号判断所述SiC试样近表面是否存在Si原子，是则确定所述SiC试样发生主动氧化，否则发生被动氧化。
进一步地，所述非接触式在线检测装置还包括：
测试装置，包括环境舱和设置在所述环境舱内的样品台，所述样品台用于放置待测的SiC试样，所述环境舱用于产生不同的离解氧环境，并调节所述样品台所处的环境温度和/或压强，所述环境舱的侧面开有观察窗。
进一步地，所述分析装置包括峰值分析单元，用于通过分析所述光谱信号中的峰值信息，判断所述SiC试样发生氧化反应的类型，以及主动氧化反应的反应强度。
进一步地，所述分析装置包括转变点分析单元，用于通过记录不同反应条件下SiC试样的氧化类型，确定被动氧化至主动氧化的转变点。
进一步地，所述分析装置包括试验装置控制单元，用于发送指令控制环境舱改变SiC试样所处测试区域的反应条件。
进一步地，所述转变点分析单元在检测SiC试样近表面发生被动氧化时，通过试验装置控制单元逐渐降低所述测试区域内的压强，直至根据探测的光谱信号判断SiC试样近表面存在Si原子。
进一步地，所述光谱采集装置包括透镜组、光纤、光谱仪和光电倍增管；所述透镜组包括在SiC试样所处测试区域的一侧依次设置的窄带滤光片、长焦凸透镜和短焦凸透镜，所述窄带滤光片、所述长焦凸透镜和所述短焦凸透镜的几何中心与所述SiC试样近表面处于同一水平线上，且水平间距设置使得所述SiC试样近表面的实像汇聚于所述光纤一端设置的光纤传感头处；所述光纤另一端通过光纤适配器与所述光谱仪的输入端连接，光谱仪的输出端通过光电倍增管后连接至所述分析装置。
实施本发明的SiC氧化反应的非接触式在线检测方法及装置，具有如下优点：本发明利用聚焦光路实时探测离解氧环境中的SiC试样近表面空间区域气体的光谱信号，实现在不接触SiC试样的条件下，对SiC试样氧化反应状态进行实时探测；其次，本发明基于光谱诊断原理，并通过分析光谱信号判断SiC试样近表面是否存在Si原子来判
断氧化类型，可以实现SiC试样的主/被动氧化反应转变的在线检测，相对于传统氧化后材料分析的测试方法，大幅度减少SiC氧化和后期材料分析的实验量，节约成本。
附图说明
图1是本发明实施例一中SiC氧化反应的非接触式在线检测装置的模块示意图；
图2是本发明实施例一中SiC氧化反应的非接触式在线检测装置的结构示意图；
图3是本发明实施例二中SiC氧化反应的非接触式在线检测装置的模块示意图；
图4是本发明实施例二中SiC氧化反应的非接触式在线检测装置的结构示意图；
图5是本发明实施例二中测试装置的结构示意图；
图6是本发明实施例三中分析装置的模块示意图；
图7是本发明实施例四中分析装置的模块示意图；
图8是本发明实施例五中分析装置的模块示意图；
图9是本发明实施例六中SiC氧化反应的非接触式在线检测方法的步骤示意图；
图10是本发明实施例六中1375℃，不同压力的离解氧环境下光谱信号图；
图11是本发明实施例七中SiC氧化反应的非接触式在线检测方法的步骤示意图；
图12是本发明实施例七中1400℃，50Pa离解氧环境下主动反应光谱信号图；
图13是本发明实施例七中1500℃，100Pa离解氧环境下主动反应光谱信号图；
图14是本发明实施例七中典型条件下的主/被动反应转变点图。
图中：1：光谱采集装置；11：三维光路调整台；12：窄带滤光片；13：长焦凸透镜；14：短焦凸透镜；15：光纤传感头；16：光纤；17：光纤适配器；18：光谱仪；19：光电倍增管；
2：分析装置；21：峰值分析单元；22：转变点分析单元；23：试验装置控制单元；
3：测试装置；31：射频电源；32：进气法兰，33：高透石英窗口，34：平板线圈，35：匹配箱，36：双比色测温仪，37：观察窗；38：冷却水进水管，39：样品台，311：水冷支架，312：取样窗，313：冷却水回水管，314：制冷机，315：光学平台，316：第二路冷却循环水管，317：加热激光器，318：真空Z轴位移台，319：第三路冷却循环水管，320：激光传输光纤；321：环境舱，322：加热窗口，323：真空法兰，324：激光调整镜头，325：激光调整支架，326：真空电磁阀，327：真空泵。
4：SiC试样。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1和图2所示，本发明实施例一提供了一种SiC氧化反应的非接触式在线检测装置，至少包括光谱采集装置1和分析装置2。其中，光谱采集装置1用于实时探测处于离解氧环境中的SiC试样4的近表面空间区域气体的光谱信号，例如在高温低压的试验环境中，SiC试样4发生氧化。优选地，此处的近表面空间区域是指距离SiC试样4表面0-100mm范围内的空间区域。分析装置用于通过分析光谱信号判断SiC试样4近表面是否存在Si原子，是则确定SiC试样4发生主动氧化，否则发生被动氧化。本实施例中的分析装置2可以采用计算机实现。
优选地，如图2所示，光谱采集装置1包括：光谱采集装置1包括透镜组、光纤16、光谱仪18和光电倍增管19。进一步优选地，透镜组包括在待测的SiC试样4所处测试区域的一侧依次设置的窄带滤光片12、长焦凸透镜13和短焦凸透镜14。其中，窄带滤光片12、长焦凸透镜13和短焦凸透镜14放置在三维光路调整台11上，窄带滤光片12、长焦凸透镜13和短焦凸透镜14的几何中心与SiC试样4的近表面处于同一水平线上，且通过三维光路调整台11调整透镜组中各光学器件，基于成像原理将测试区域的实像汇聚于光纤16一端的光纤传感头15上，即光纤传感头15设置在实像汇聚处，光纤16的另一端通过光纤适配器17与光谱仪18的输入端连接，光谱仪18的输出端通过光电倍增管19后连接至分析装置2。
需要说明的是，虽然该实施例中给出了光谱采集装置1的具体示例，但是本发明不仅限于此，而可以采用任何本领域基础技术人员熟知并能应用于探测光谱信号的光学器件来构建光路。
选取特征反应产物的光谱曲线，可探测材料近表面反应产物的时域与空域变化规律，判断温度、压力连续变化条件下SiC材料的反应状态，还可以得到SiC材料主/被动氧化反应发生转变的环境特征点(温度、压力)，获得主动反应随温度、压力的变化规律。
根据SiC氧化反应的特点，SiC被动反应的化学方程式为：
SiC(s)+3/2O2(g)＝SiO2(s)+CO(g)
SiC主动反应的化学方程式为：
SiC(s)+O2(g)＝SiO(g)+CO(g)
当SiC主动反应时，材料表面产生一种气相产物SiO，SiO分子带谱覆盖范围较宽，宽谱段范围内信号较弱，加上材料表面高温辐射的影响，难以探测到有效的分子带谱。当试样处于高温条件下，材料表面的高温红外辐射会使得光谱仪在500-1400nm的波长区域内探测到一片峰值，这个峰值会掩盖氧原子(844.6nm,770.5nm等)的原子峰信号和SiO分子峰信号，所以无法通过探测这一区域内的氧原子、SiO分子峰值来判断SiC材料是否发生主被动氧化反应。但气态SiO具有不稳定的特点，脱离材料表面后易分解为Si和SiO2，而Si原子的发射光谱在288nm处有较强的特征谱线，避开了高温辐射影响的500-1400nm的波长区域，也就是克服了红外辐射的影响。
本实施例所提供的SiC氧化反应的非接触式在线检测的装置基于光谱诊断原理，筛选合适探测谱线，克服了高温红外辐射的影响，通过探测试样近表面空间区域是否存在Si原子，即测试该区域在288nm处是否出现原子特征谱线，进而判断SiC试样4近表面氧化反应的类型，本实施例所提供的SiC氧化反应的非接触式在线检测的装置能够在高温的条件下，实时检测SiC材料主/被动氧化反应状态，且结构简单，操作方便，能够有效减少实验工作量并节约检测的成本。此外，还可以通过特征谱线强度判断出主动氧化的强弱。
实施例二
如图3和图4所示，本实施例二与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：本实施例二提供的SiC氧化反应的非接触式在线检测装置还包括：
测试装置3，包括环境舱321和设置在环境舱321内的样品台39，样品台39用于放置待测的SiC试样4，环境舱321用于产生不同的离解氧环境，并调节样品台39所处的环境温度和/或压强，环境舱321的侧面开有观察窗37。光谱采集装置2设置在观察窗37的一侧，能够通过观察窗37采集到SiC试样4近表面空间的光谱信息。
优选地，如图5所示，本实施例中的测试装置3采用了一种热防护材料高温低压离解氧环境试验装置，包括光学平台315、环境舱321、射频电源31、匹配箱35、制冷机314和加热激光器317。环境舱321置于光学平台315上，射频电源31输出至匹配箱35内的平板线圈34，经平板线圈34对由进气法兰32进入环境舱321的工作气体放电，形成离解氧环境，SiC试样4置于样品台39上，样品台39置于水冷支架311上，水冷支架311置于真空Z轴位移台318内，真空Z轴位移台318置于环境舱321内，环境舱321顶端开有高透石英窗口33，环境舱321底部开有加热窗口322，环境舱321侧下方开有取样窗312，环境舱321侧面开有观察窗37；光学平台315内装有激光调整镜头324和激光调整支架325，激光调整镜头324安装在激光调整支架325上，加热激光器317依次连接激光传输光纤320和激光调整镜头324，激光调整镜头324发射激光通过加热窗口322投射到SiC试样4的背壁，通过观察窗37观察SiC试样4加热情况，并利用悬挂于环境舱321轴线上方的双比色测温仪36透过高透石英窗口33监控SiC试样4表面的温度变化情况；环境舱321底部设有抽气孔，环境舱321内的气体通过抽真空装置排出，第一路冷却循环水管包括冷却水进水管38和冷却水回水管313，冷却水进水管38依次与匹配箱35、射频电源31和环境舱321连接，由冷却水回水管313进入制冷机314，样品台39和水冷支架311由第二路冷却循环水管316接入制冷机314，激光调整镜头324由第三路冷却循环水管319接入制冷机314，加热激光器317由制冷机314直接冷却。
进一步优选地，抽真空装置包括真空法兰323、真空阀门、真空电磁阀326以及真空泵327相连，通过控制真空阀门与真空电磁阀326以调节环境舱321内的真空度，采用电阻规、电离规实时监控。测试装置3可以通过计算机控制，也可以通过人工控制。
本实施例所采用的测试装置3能够模拟高温热防护材料在高超声速服役条件下的高温、低压、离解氧氧化环境，通过各参数的解耦和独立调节，研究热防护材料在离解氧氧化环境下的响应和演化过程。
本实施例二提供的SiC氧化反应的非接触式在线检测装置采用了能够调节测试环境的测试装置3，使用时，通过测试装置3可以实时改变SiC试样4的反应条件，检测温度和压力连续变化条件下SiC材料的主/被动氧化反应。本实施例二提供的非接触式在线检测装置可大幅度增加SiC材料的主/被动氧化反应的有效实验数据，为氧化机理的理论预报的验证提供完成的对比实验数据。
实施例三
如图6所示，本实施例三与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：本实施例三提供的SiC氧化反应的非接触式在线检测装置中，分析装置2包括峰值分析单元21，用于通过分析光谱信号中的峰值信息，判断SiC试样4发生氧化反应的类型，以及主动氧化反应的反应强度，若探测不到，则是被动氧化，若能探测到光谱信号，则是主动氧化，并且信号越强，反应越剧烈，信号越弱，反应越弱。
当然在其他实施例中，也可以在本实施例中的光谱采集装置1前加入本发明实施例二介绍的测试装置3。
本实施例提供的SiC氧化反应的非接触式在线检测装置能够根据探测到的主动氧化反应产物的光谱信号强度，反演主动氧化反应速率随氧化介质、温度和压力的定量变化规律，为进一步探究主动氧化过程参量提供数据支撑。
实施例四
如图7所示，本实施例四与实施例三基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：本实施例三提供的SiC氧化反应的非接触式在线检测装置中，分析装置2还包括转变点分析单元22，用于通过记录不同反应条件下SiC试样4的氧化类型，确定被动氧化至主动氧化的转变点。
当然在其他实施例中，也可以在本实施例中的光谱采集装置1前加入本发明实施例二介绍的测试装置3。
本实施例四提供的SiC氧化反应的非接触式在线检测装置能够分析并记录不同反应条件的SiC试样4的氧化类型，并且能够用于研究分析SiC主/被动氧化反应的转变点。
实施例五
如图8所示，本实施例五与实施例四基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：本实施例提供的SiC氧化反应的非接触式在线检测装置中，分析装置2还包括试验装置控制单元23，用于发送指令控制环境舱321改变SiC试样4所处测试区域的反应条件。
在本实施例中，试验装置控制单元23为实体，集成在计算机中，在其他的实施例中，也可以采用人工控制来实现，例如人工控制环境舱321改变SiC试样4所处测试区域的反应条件。
本实施例提供的SiC氧化反应的非接触式在线检测装置可实时检测SiC材料主/被动氧化反应状态，相对于传统氧化后材料分析的测试方法，大幅度减少SiC氧化和后期材料分析的实验量，节约成本；可调整SiC反应条件，并检测氧化介质、温度和压力连续变化条件下SiC材料的主/被动氧化反应，相对于传统选取特征点的测试方法，可大幅度增加有效实验数据，为氧化机理的理论预报的验证提供完成的对比实验数据；可根据探测到的主动氧化反应产物的光谱信号强度，反演主动氧化反应速率随氧化介质、温度和压力的定量变化规律，为进一步探究主动氧化过程参量提供数据支撑。
实施例六
如图9所示，本发明实施例六提供一种SiC氧化反应的非接触式在线检测方法，包括以下步骤：
S1、通过聚焦光路实时探测离解氧环境中的SiC试样4近表面空间区域气体的光谱信号；
S2、通过分析所述光谱信号判断所述SiC试样4近表面是否存在Si原子，是则确定所述SiC试样4发生主动氧化，否则发生被动氧化。
选取特征反应产物的光谱曲线，可探测材料近表面反应产物的时域与空域变化规律，判断温度、压力连续变化条件下SiC材料的反应状态，还可以得到SiC材料主/被动氧化反应发生转变的环境特征点(氧化介质浓度、温度、压力)，获得主动反应随温度、压力的变化规律。
根据SiC氧化反应的特点，SiC被动反应的化学方程式为：
SiC(s)+3/2O2(g)＝SiO2(s)+CO(g)
SiC主动反应的化学方程式为：
SiC(s)+O2(g)＝SiO(g)+CO(g)
当SiC主动反应时，材料表面产生一种气相产物SiO，SiO分子带谱覆盖范围较宽，宽谱段范围内信号较弱，加上材料表面高温辐射的影响，难以探测到有效的分子带谱，但气态SiO具有不稳定的特点，脱离材料表面后易分解为Si和SiO2，而Si原子的发射光谱在288nm处有较强的特征谱线。
本发明所采用的SiC氧化反应的非接触式在线检测方法的原理是通过探测试样近表面空间区域是否存在Si原子，即测试该区域在288nm处是否出现原子特征谱线，进而判断SiC试样4近表面氧化反应的类型。
当SiC主动反应时，材料表面产生一种气相产物SiO，气态SiO具有不稳定的特点，脱离材料表面后易分解为Si和SiO2，而Si原子的发射光谱在288nm处有较强的特征谱线。
优选地，步骤S1中将所述SiC试样4置于热防护材料高温低压离解氧环境试验装置中以提供离解氧环境；采用透镜组汇聚SiC试样4近表面处的实像，通过光纤16接收所述实像输入光谱仪18中，并通过光电倍增管19后输入计算机进行分析处理。
具体到本实施例中，透镜组包括在SiC试样4所处测试区域的一侧依次设置的窄带滤光片12、长焦凸透镜13和短焦凸透镜14，所述窄带滤光片12、所述长焦凸透镜13和所述短焦凸透镜14的几何中心与所述SiC试样4近表面处于同一水平线上，且水平间距设置使得所述SiC试样4近表面的实像汇聚于光纤16一端设置的光纤传感头15处，光纤16的另一端通过光纤适配器17与光谱仪18的输入端连接。
使用时，SiC试样4近表面区域气相产物的实像经透镜组聚焦后，通过光纤16进入光谱仪18，经光栅分光，通过调节光谱仪18的光栅角度获取探测谱线的波长范围，分光后的光谱信号汇聚至光电倍增管19的传感头上，响应信号传输至计算机。若在288nm处可以看到明显的原子峰，说明SiC材料发生的是主动氧化反应，若不能，说明发生的是被动氧化反应。
具体地，对于反应条件为1375℃，10Pa和1375℃，100Pa的SiC试样4分别进行比较，得到的光谱信号如图10所示，可以看到反应条件为1375℃，10Pa的SiC试样4的光谱信号中288nm处可以看到明显的原子特征谱线，说明在1375℃，10Pa的条件下，SiC材料发生的是主动氧化反应；而反应条件为1375℃，100Pa的SiC试样4的光谱信号中288nm处没有原子特征谱线，说明在1375℃，100Pa的条件下，SiC材料发生的是被动氧化反应。
本实施例提供了一种SiC氧化反应的非接触式在线检测方法，可实时检测SiC材料的氧化反应状态，相对于将氧化后材料取出进行分析测试的方法，能够大幅度减少SiC氧化和后期材料分析的实验量，节约成本。
实施例七
如图11所示，本发明实施例七与实施例六基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于还包括：
S3、改变SiC试样4所处测试区域的反应条件，执行步骤S1和S2记录不同反应条件下SiC试样4的氧化类型，确定主动氧化至被动氧化的转变点。
优选地，在步骤S1前，将SiC试样4的表面抛光，放入测试区域中，并对SiC试样4进行加热，加热至氧化温度；在步骤S3中，在检测SiC试样4近表面发生被动氧化时，逐渐降低所述测试区域内的压强，使SiC试样4近表面的被动氧化向着主动氧化转变，直至根据探测的光谱信号判断SiC试样4近表面存在Si原子，SiC发生的氧化反应即为主动氧化。此时的反应条件即为SiC主被动氧化的转变点，记录产生光谱信号时的试验参数即可得到SiC主被动氧化的转变条件。
具体地，本实施例中采用Φ12mm×3mm的SiC试样4，置于热防护材料高温低压离解氧环境试验装置中，对SiC试样4进行加热，加热至氧化温度(1400～1800℃)，并调整样品台确保SiC试样4置于反应腔的中轴线上。随后调节三维光路调整台11使SiC试样4近表面测试区域与窄带滤光片12、长焦凸透镜13和短焦凸透镜14的几何中心处于出一水平线上，在三维光路调整台11上水平移动各镜片，确保SiC试样4近表面测试区域的像汇聚于光纤16一端的光纤传感头15上；光路调整好后，开启热防护材料高温低压离解氧环境试验装置至目标温度和目标压力，此时SiC试样4开始发生氧化反应，材料表面氧化产物的光谱信号汇聚于光纤16一端的光纤传感头15上，光纤16另一端与光谱仪18的光纤适配器17入口相连，气相产物的光谱信号随光纤16进入光谱仪18后经光栅分光，通过调节光谱仪18光栅角度获取探测谱线的波长范围，分光后的光谱信号汇聚至光电倍增管19探测器传感头上，响应信号传输至计算机，得到光谱响应信号。如果无信号响应，说明此时SiC发生的被动氧化。
本实施例中，A～F六个试样的具体的目标反应条件如下表所示：
依照上述表格设置热防护材料高温低压离解氧环境试验装置的目标温度与目标压强，逐个将编号为A～F的六个Φ12mm×3mm的SiC试样4进行试验并记录相应的光谱信号。
对于反应条件为1400℃，50Pa的C试样，得到光谱信号如图12所示，此时在288nm处可以看到明显的原子特征谱线，说明在1400℃，50Pa的离解氧环境下，SiC材料发生的是主动氧化反应。对于反应条件为1500℃，100Pa的E试样，得到的光谱信号如图13所示，同样可在288nm处可以看到明显的原子特征谱线，说明在1500℃，100Pa的离解氧环境下，SiC材料发生的是主动氧化反应，且E试样的原子特征谱线的强度大于图3中C试样，说明E试样主动氧化的程度明显高于C试样。
将A～F试样对应的试验结果分析处理，判断试样对应的光谱信号在288nm处是否有明显的原子特征谱线，可以看出1375℃，20Pa(A试样)、1400℃，50Pa(C试样)、1500℃，100Pa(E试样)为主动氧化，1375℃，50Pa(B试样)、1400℃，100Pa(D试样)、1500℃，150Pa(F试样)为被动氧化。根据其反应条件，绘制SiC试样4的主被动氧化转变的曲线，如图14所示。
图14中转变曲线为对主/被动氧化转变点的拟合结果，若需进行进一步验证，可以改变反应条件进行试验。选择接近氧化转变曲线的被动氧化反应条件进行试验，当响应信号传输至计算机，进而获取气相产物光谱信号，如果无信号响应，说明此时SiC发生的被动氧化，逐渐降低试验装置中的压力，使被动氧化向着主动氧化转变，直至捕获到光谱信号，SiC发生的氧化反应即为主动氧化反应，此时的压力和温度即为SiC主被动氧化的转变点。
本实施例提供了一种SiC氧化反应的非接触式在线检测方法，可实时检测温度和压力连续变化条件下，SiC材料的主/被动氧化反应，相对于选取特征点进行测试的方法，本实施例所提供的方法能够大幅度增加有效实验数据，检测SiC材料主/被动氧化反应转变点，为氧化机理的理论预报的验证提供完成的对比实验数据。并且，本实施例通过探测到的主动氧化反应产物的光谱信号强度，能够反演主动氧化反应速率随氧化介质、温度和压力的定量变化规律，为进一步探究主动氧化过程参量提供数据支撑。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种SiC氧化反应的非接触式在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过聚焦光路实时探测离解氧环境中的SiC试样近表面空间区域气体的光谱信号；
S2、通过分析所述光谱信号判断所述SiC试样近表面是否存在Si原子，是则确定所述SiC试样发生主动氧化，否则发生被动氧化。
2.根据权利要求1所述的SiC氧化反应的非接触式在线检测方法，其特征在于，所述方法还包括：
S3、改变SiC试样所处测试区域的反应条件，执行步骤S1和S2记录不同反应条件下SiC试样的氧化类型，确定主动氧化至被动氧化的转变点。
3.根据权利要求2所述的SiC氧化反应的非接触式在线检测方法，其特征在于，所述步骤S3中：在检测SiC试样发生被动氧化时，逐渐降低所述测试区域内的压强，直至根据探测的光谱信号判断SiC试样近表面空间区域存在Si原子，确定此时为主动氧化至被动氧化的转变点。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的SiC氧化反应的非接触式在线检测方法，其特征在于，所述步骤S1中采用透镜组汇聚SiC试样近表面处的实像，通过光纤接收所述实像输入光谱仪中，并通过光电倍增管后输入计算机；其中所述透镜组包括在SiC试样所处测试区域的一侧依次设置的窄带滤光片、长焦凸透镜和短焦凸透镜，所述窄带滤光片、所述长焦凸透镜和所述短焦凸透镜的几何中心与所述SiC试样近表面处于同一水平线上，且水平间距设置使得所述SiC试样近表面的实像汇聚于所述光纤一端设置的光纤传感头处，所述光纤另一端通过光纤适配器与所述光谱仪的输入端连接。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的SiC氧化反应的非接触式在线检测方法，其特征在于，所述步骤S1中将所述SiC试样置于热防护材料高温低压离解氧环境试验装置中以提供离解氧环境。
6.一种SiC氧化反应的非接触式在线检测装置，其特征在于：至少包括光谱采集装置和分析装置；
所述光谱采集装置用于实时探测处于离解氧环境中的SiC试样的近表面空间区域气体的光谱信号；
所述分析装置用于通过分析所述光谱信号判断所述SiC试样近表面是否存在Si原子，是则确定所述SiC试样发生主动氧化，否则发生被动氧化。
7.根据权利要求6所述的SiC氧化反应的非接触式在线检测装置，其特征在于：所述非接触式在线检测装置还包括：
测试装置，包括环境舱和设置在所述环境舱内的样品台，所述样品台用于放置待测的SiC试样，所述环境舱用于产生不同的离解氧环境，并调节所述样品台所处的环境温度和/或压强，所述环境舱的侧面开有观察窗；
所述分析装置包括峰值分析单元，用于通过分析所述光谱信号中的峰值信息，判断所述SiC试样发生氧化反应的类型，以及主动氧化反应的反应强度。
8.根据权利要求7所述的SiC氧化反应的非接触式在线检测装置，其特征在于：所述分析装置包括转变点分析单元，用于通过记录不同反应条件下SiC试样的氧化类型，确定被动氧化至主动氧化的转变点。
9.根据权利要求8所述的SiC氧化反应的非接触式在线检测装置，其特征在于：所述分析装置包括试验装置控制单元，用于发送指令控制环境舱改变SiC试样所处测试区域的反应条件；
所述转变点分析单元在检测SiC试样近表面发生被动氧化时，通过试验装置控制单元逐渐降低所述测试区域内的压强，直至根据探测的光谱信号判断SiC试样近表面存在Si原子。
10.根据权利要求6～9中任一项所述的SiC氧化反应的非接触式在线检测装置，其特征在于：所述光谱采集装置包括透镜组、光纤、光谱仪和光电倍增管；所述透镜组包括在SiC试样所处测试区域的一侧依次设置的窄带滤光片、长焦凸透镜和短焦凸透镜，所述窄带滤光片、所述长焦凸透镜和所述短焦凸透镜的几何中心与所述SiC试样近表面处于同一水平线上，且水平间距设置使得所述SiC试样近表面的实像汇聚于所述光纤一端设置的光纤传感头处；所述光纤另一端通过光纤适配器与所述光谱仪的输入端连接，光谱仪的输出端通过光电倍增管后连接至所述分析装置。
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