BNNTs-Si3N4陶瓷渦輪制備及熱力耦合分析研究.pdf

1、本文以氮化硼納米管(BNNTs)為添加相制備BNNTs/Si3N4復(fù)合陶瓷試樣及渦輪轉(zhuǎn)子，對其力學(xué)性能及熱力耦合性能進(jìn)行分析研究。
　　(1)以陶瓷材料的抗熱震理論為基礎(chǔ)，建立了BNNTs/Si3N4復(fù)合陶瓷的抗熱震理論模型，得到了其力學(xué)性能及抗熱震性能隨氣孔率及溫度的變化關(guān)系。氣孔率越大、溫度越高，復(fù)合陶瓷的彈性模量、抗彎強度及抗熱震性能均逐漸降低;
　　(2)以模板法為基礎(chǔ)，以NaBH4為硼源，以NH4Cl為氮源，利用單

2、壁碳納米管(CNTs)為模板在自制的不銹鋼高壓反應(yīng)釜中制備合成了BNNTs。對其表征分析表明，BNNTs具有較高的純度及良好的結(jié)晶性能，納米管的直徑約25 nm，長度約0.5-2um，表面光滑，有明顯的中空管狀結(jié)構(gòu)，長度較長，壁厚較薄且分布均勻，包覆效果良好。對其制備機(jī)理的分析表明，BNNTs良好的繼承了CNTs的管狀結(jié)構(gòu)。該方法工藝過程簡單、合成溫度低，是一種高效的、高產(chǎn)率的BNNTs的制備方法，能夠滿足材料制備的需要。
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3、3)利用真空熱壓燒結(jié)法制備了BNNTs/Si3N4復(fù)合陶瓷試樣及渦輪轉(zhuǎn)子。對其力學(xué)性能的測試分析表明，BNNTs/Si3N4復(fù)合陶瓷具有較高的相對密度及抗彎強度，BNNTs的添加能細(xì)化基體晶粒，使其斷裂方式由純Si3N4陶瓷的沿晶斷裂與穿晶斷裂共存轉(zhuǎn)變?yōu)橐源┚嗔褳橹?，從而顯著提高了Si3N4陶瓷的力學(xué)性能。當(dāng)BNNTs的添加量少于2wt.％時，1.5％ BNNTs/Si3N4復(fù)合陶瓷試樣具有最優(yōu)的綜合力學(xué)性能，其斷裂韌性較純Si3N4

4、陶瓷提高了46％之多。
　　(4)對BNNTs/Si3N4復(fù)合陶瓷試樣及渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行了抗熱震性能測試。分析表明，純Si3N4陶瓷的臨界熱震溫差為600℃，而BNNTs的添加能顯著提高Si3N4陶瓷的抗熱震性能，當(dāng)BNNTs的添加量為1.5％時，BNNTs/Si3N4復(fù)合陶瓷試樣臨界熱震溫差達(dá)到700℃。
　　(5)通過對BNNTs/Si3N4復(fù)合陶瓷力學(xué)及抗熱震性能的分析，研究了BNNTs的增韌機(jī)理。研究結(jié)果表明，在材料內(nèi)部

5、裂紋的擴(kuò)展過程中，BNNTs對裂紋產(chǎn)生的橋聯(lián)、偏轉(zhuǎn)、分叉與釘扎等協(xié)同機(jī)制為其增韌方式，從而增加了裂紋擴(kuò)展的阻力，提高了斷裂能，最終提高了復(fù)合陶瓷的性能。
　　(6)對BNNTs/Si3N4復(fù)合陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行了熱力耦合仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果，對渦輪在不同環(huán)境溫度下產(chǎn)生的最大應(yīng)力與最大應(yīng)變隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系擬合了經(jīng)驗公式，并對渦輪在不同轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的最大應(yīng)力與最大應(yīng)變隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系擬合了經(jīng)驗公式。分析結(jié)果顯示，無論是純力場還是熱力