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復合陶瓷試樣及渦輪轉子，對其力學性能及熱力耦合性能進行分析研究。
　　(1)以陶瓷材料的抗熱震理論為基礎，建立了BNNTs/Si3N4復合陶瓷的抗熱震理論模型，得到了其力學性能及抗熱震性能隨氣孔率及溫度的變化關系。氣孔率越大、溫度越高，復合陶瓷的彈性模量、抗彎強度及抗熱震性能均逐漸降低;
　　(2)以模板法為基礎，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構，長度較長，壁厚較薄且分布均勻，包覆效果良好。對其制備機理的分析表明，BNNTs良好的繼承了CNTs的管狀結構。該方法工藝過程簡單、合成溫度低，是一種高效的、高產率的BNNTs的制備方法，能夠滿足材料制備的需要。
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3、3)利用真空熱壓燒結法制備了BNNTs/Si3N4復合陶瓷試樣及渦輪轉子。對其力學性能的測試分析表明，BNNTs/Si3N4復合陶瓷具有較高的相對密度及抗彎強度，BNNTs的添加能細化基體晶粒，使其斷裂方式由純Si3N4陶瓷的沿晶斷裂與穿晶斷裂共存轉變?yōu)橐源┚嗔褳橹鳎瑥亩@著提高了Si3N4陶瓷的力學性能。當BNNTs的添加量少于2wt.％時，1.5％ BNNTs/Si3N4復合陶瓷試樣具有最優(yōu)的綜合力學性能，其斷裂韌性較純Si3N4

4、陶瓷提高了46％之多。
　　(4)對BNNTs/Si3N4復合陶瓷試樣及渦輪轉子進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BNNTs的添加量為1.5％時，BNNTs/Si3N4復合陶瓷試樣臨界熱震溫差達到700℃。
　　(5)通過對BNNTs/Si3N4復合陶瓷力學及抗熱震性能的分析，研究了BNNTs的增韌機理。研究結果表明，在材料內部

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