BNNT-Si3N4陶瓷渦輪的裂紋擴(kuò)展阻力研究.pdf

1、渦輪增壓器是提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的一種裝置。渦輪轉(zhuǎn)子作為渦輪增壓器的關(guān)鍵部件，其材料性能直接影響渦輪在高溫高速下的使用壽命，發(fā)展陶瓷渦輪增壓器是目前增壓技術(shù)的革命。氮化硅(Si3N4)陶瓷是常用的高溫高強(qiáng)結(jié)構(gòu)陶瓷之一，但作為陶瓷材料，其本質(zhì)脆性限制了Si3N4陶瓷的發(fā)展。BNNT(氮化硼納米管)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)異的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能、較低的熱膨脹性能和優(yōu)良的抗氧化性能，尤其是BNNT特殊的管狀形貌，在與Si3N4陶瓷材料復(fù)合時(shí)，可明顯

2、提高Si3N4陶瓷材料裂紋擴(kuò)展阻力。
　　 本文在纖維增韌陶瓷材料的理論基礎(chǔ)上，構(gòu)建了BNNT/Si3N4復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展阻力的數(shù)學(xué)模型，分析了BNNT對(duì)Si3N4陶瓷裂紋擴(kuò)展阻力的影響，并利用三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度及單邊切口梁(SENB)法測(cè)定了BNNT/Si3N4復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性。結(jié)果表明: BNNT對(duì)Si3N4陶瓷有明顯的升值阻力曲線行為。添加5％BNNT的Si3N4陶瓷的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性值相比Si3N4陶瓷分別提高了

3、約10％和29％，說明BNNT對(duì)Si3N4陶瓷的裂紋擴(kuò)展有明顯的阻力作用。
　　 為進(jìn)一步探討B(tài)NNT增強(qiáng)Si3N4陶瓷的裂紋擴(kuò)展阻力機(jī)理，本論文利用ABAUQS有限元模擬了BNNT/Si3N4復(fù)合材料中裂紋偏轉(zhuǎn)，釘扎，分叉，橋聯(lián)尖端的應(yīng)力分布情況。結(jié)果表明: BNNT可以吸收Si3N4陶瓷裂紋尖端的應(yīng)變能，降低Si3N4陶瓷裂紋尖端應(yīng)力，有效地阻止了應(yīng)力集中。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到BNNT附近時(shí)，裂紋尖端會(huì)形成強(qiáng)的應(yīng)力屏蔽區(qū)，增加了裂紋

4、擴(kuò)展的阻力。裂紋釘扎、橋聯(lián)對(duì)增加裂紋擴(kuò)展阻力的作用高于裂紋偏轉(zhuǎn)和分叉。觀察BNNT/Si3N4復(fù)合材料的SEM圖片也可以看出BNNT對(duì)Si3N4陶瓷可以起到明顯的橋聯(lián)和釘扎作用。
　　 本論文建立了渦輪在高速旋轉(zhuǎn)下的受力分析模型，通過計(jì)算得到渦輪最大受力部位為渦輪葉片根部，這與實(shí)際破壞情況相符合。在研究BNNT增強(qiáng)Si3N4陶瓷的裂紋擴(kuò)展阻力基礎(chǔ)上，利用Dugdale-Barenblatt理論對(duì)裂紋尖端受力進(jìn)行計(jì)算與分析，建立了

5、Si3N4陶瓷渦輪和BNNT/Si3N4陶瓷渦輪的裂紋擴(kuò)展阻力數(shù)學(xué)模型。計(jì)算結(jié)果表明:Si3N4陶瓷渦輪葉片在80000r/min就會(huì)發(fā)生斷裂失效，而BNNT/Si3N4陶瓷渦輪葉片在轉(zhuǎn)速為100000r/min時(shí)仍具有較高剩余強(qiáng)度，說明在抗裂紋擴(kuò)展上，BNNT/Si3N4陶瓷渦輪要比Si3N4陶瓷渦輪有明顯優(yōu)勢(shì)。
　　 運(yùn)用三維造型軟件Solidworks建立渦輪的三維模型，利用有限元軟件ABAQUS分析了Si3N4陶瓷和BN