论文部分内容阅读
本文以氮化硼纳米管(BNNTs)为添加相制备BNNTs/Si3N4复合陶瓷试样及涡轮转子,对其力学性能及热力耦合性能进行分析研究。(1)以陶瓷材料的抗热震理论为基础,建立了BNNTs/Si3N4复合陶瓷的抗热震理论模型,得到了其力学性能及抗热震性能随气孔率及温度的变化关系。气孔率越大、温度越高,复合陶瓷的弹性模量、抗弯强度及抗热震性能均逐渐降低;(2)以模板法为基础,以Na BH4为硼源,以NH4Cl为氮源,利用单壁碳纳米管(CNTs)为模板在自制的不锈钢高压反应釜中制备合成了BNNTs。对其表征分析表明,BNNTs具有较高的纯度及良好的结晶性能,纳米管的直径约25 nm,长度约0.5-2um,表面光滑,有明显的中空管状结构,长度较长,壁厚较薄且分布均匀,包覆效果良好。对其制备机理的分析表明,BNNTs良好的继承了CNTs的管状结构。该方法工艺过程简单、合成温度低,是一种高效的、高产率的BNNTs的制备方法,能够满足材料制备的需要。(3)利用真空热压烧结法制备了BNNTs/Si3N4复合陶瓷试样及涡轮转子。对其力学性能的测试分析表明,BNNTs/Si3N4复合陶瓷具有较高的相对密度及抗弯强度,BNNTs的添加能细化基体晶粒,使其断裂方式由纯Si3N4陶瓷的沿晶断裂与穿晶断裂共存转变为以穿晶断裂为主,从而显著提高了Si3N4陶瓷的力学性能。当BNNTs的添加量少于2wt.%时,1.5%BNNTs/Si3N4复合陶瓷试样具有最优的综合力学性能,其断裂韧性较纯Si3N4陶瓷提高了46%之多。(4)对BNNTs/Si3N4复合陶瓷试样及涡轮转子进行了抗热震性能测试。分析表明,纯Si3N4陶瓷的临界热震温差为600℃,而BNNTs的添加能显著提高Si3N4陶瓷的抗热震性能,当BNNTs的添加量为1.5%时,BNNTs/Si3N4复合陶瓷试样临界热震温差达到700℃。(5)通过对BNNTs/Si3N4复合陶瓷力学及抗热震性能的分析,研究了BNNTs的增韧机理。研究结果表明,在材料内部裂纹的扩展过程中,BNNTs对裂纹产生的桥联、偏转、分叉与钉扎等协同机制为其增韧方式,从而增加了裂纹扩展的阻力,提高了断裂能,最终提高了复合陶瓷的性能。(6)对BNNTs/Si3N4复合陶瓷涡轮转子进行了热力耦合仿真分析,根据仿真结果,对涡轮在不同环境温度下产生的最大应力与最大应变随转速的变化关系拟合了经验公式,并对涡轮在不同转速下产生的最大应力与最大应变随环境温度的变化关系拟合了经验公式。分析结果显示,无论是纯力场还是热力耦合场,涡轮上最大应力的发生区均为叶片的根部,而最大应变则产生于叶片的边缘处。涡轮的温度分别为500℃、600℃、700℃及800℃时,导致其失效的临界转速分别为130000r/min、115000r/min、100000r/min及90000r/min。而保证其性能的临界综合条件为100000 r/min的涡轮转速与700℃的温度。对于普通轿车及小负荷货车,BNNTs/Si3N4复合陶瓷涡轮转子完全可以满足使用的要求。