BNNT-Si3N4陶瓷渦輪的裂紋擴展阻力研究.pdf

1、渦輪增壓器是提高發(fā)動機功率的一種裝置。渦輪轉子作為渦輪增壓器的關鍵部件，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的革命。氮化硅(Si3N4)陶瓷是常用的高溫高強結構陶瓷之一，但作為陶瓷材料，其本質脆性限制了Si3N4陶瓷的發(fā)展。BNNT(氮化硼納米管)具有良好的化學穩(wěn)定性、優(yōu)異的力學性能和導熱性能、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陶瓷材料復合時，可明顯

2、提高Si3N4陶瓷材料裂紋擴展阻力。
　　 本文在纖維增韌陶瓷材料的理論基礎上，構建了BNNT/Si3N4復合材料裂紋擴展阻力的數(shù)學模型，分析了BNNT對Si3N4陶瓷裂紋擴展阻力的影響，并利用三點彎曲強度及單邊切口梁(SENB)法測定了BNNT/Si3N4復合材料的彎曲強度和斷裂韌性。結果表明: BNNT對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Si3N4陶瓷的裂紋擴展有明顯的阻力作用。
　　 為進一步探討B(tài)NNT增強Si3N4陶瓷的裂紋擴展阻力機理，本論文利用ABAUQS有限元模擬了BNNT/Si3N4復合材料中裂紋偏轉，釘扎，分叉，橋聯(lián)尖端的應力分布情況。結果表明: BNNT可以吸收Si3N4陶瓷裂紋尖端的應變能，降低Si3N4陶瓷裂紋尖端應力，有效地阻止了應力集中。當裂紋擴展到BNNT附近時，裂紋尖端會形成強的應力屏蔽區(qū)，增加了裂紋

4、擴展的阻力。裂紋釘扎、橋聯(lián)對增加裂紋擴展阻力的作用高于裂紋偏轉和分叉。觀察BNNT/Si3N4復合材料的SEM圖片也可以看出BNNT對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下的受力分析模型，通過計算得到渦輪最大受力部位為渦輪葉片根部，這與實際破壞情況相符合。在研究BNNT增強Si3N4陶瓷的裂紋擴展阻力基礎上，利用Dugdale-Barenblatt理論對裂紋尖端受力進行計算與分析，建立了

5、Si3N4陶瓷渦輪和BNNT/Si3N4陶瓷渦輪的裂紋擴展阻力數(shù)學模型。計算結果表明:Si3N4陶瓷渦輪葉片在80000r/min就會發(fā)生斷裂失效，而BNNT/Si3N4陶瓷渦輪葉片在轉速為100000r/min時仍具有較高剩余強度，說明在抗裂紋擴展上，BNNT/Si3N4陶瓷渦輪要比Si3N4陶瓷渦輪有明顯優(yōu)勢。
　　 運用三維造型軟件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