改善工业陶瓷的抗热冲击性

陶瓷材料用于核，化学和电力发电行业，因为它们能够承受极端环境。然而，在高温下，陶瓷易受由快速温度变化事件引起的热冲击断裂的影响，例如冷水滴与热表面接触。在一个新颖的跨学科方法中，新墨西哥大学的工程师在AIP Advances的 AIP出版社报道，使用廉价，简单的防水涂层来防止陶瓷中的热冲击。

“我们使用完全相同的材料，但控制传热，使材料看到更温和的温度梯度，减轻拉伸应力，从根本上改善热冲击行为，”新墨西哥大学的Youho Lee说道。该论文的作者。

热冲击是厨房中经常遇到的现象，新手厨师不知道玻璃对剧烈温度变化的敏感性。如果从烤箱加热的新鲜玻璃砂锅用冷水喷射，表面温度的突然降低会在材料上产生不均匀的温度梯度，从而产生拉伸应力并最终产生裂缝。这种相同的热冲击敏感性会影响工业陶瓷的寿命。

Lee解释说，在先前提高耐热冲击性的尝试中，材料科学家改变了材料本身的性质，但这是一个昂贵且困难的过程，具有固有的缺点。“如果你以某种方式改进材料，你会牺牲其他财产，”李说。

从他的跨学科学术背景，李有调查热传递的经验，因此他决定探讨传热对陶瓷热冲击的影响。

通过在加热的陶瓷表面上拍摄水滴撞击的高速视频来检查传热。“当传热很快时，碰撞时刻的特征是表面上有剧烈的气泡和喷射，”Lee说。并且，发现这些更快的传热模式对应于材料强度的降低，如在弯曲测试中所评估的。当陶瓷被加热到325摄氏度时，发现材料强度的更大降低，相应地更加显着的液滴动力学，表明更快的热传递。然而，在高于325℃的温度下，材料强度似乎受热冲击的影响较小，并且液滴动力学改变以形成可观的蒸汽膜。

为了减少陶瓷在温度高达325℃时所经历的热传递和热冲击，Lee使用了一些核工程技术 - 也就是说，通过排斥水中的水可以减少两相传热率。表面形成绝缘蒸汽膜。因此，他用陶瓷表面涂覆纳米颗粒，形成纳米结构的疏水表面。当在新涂覆的陶瓷材料上重复实验时，液滴动力学发生了显着变化，没有剧烈的气泡; 相反，观察到蒸汽膜形成。至关重要的是，涂层陶瓷在液滴撞击后表现出强度没有变化。

“我们所做的很简单，没有昂贵的，花哨的设备或材料，”李说。“这项研究的创新之处在于通过促进蒸汽膜的形成来防止剧烈的热传递，从而使材料免受热冲击。”

从他的核工程角度来看，李设想这些发现可以通过提高核部件的抗热冲击性来改善核电厂的安全性。但是这种绝缘涂层不限于核应用，并且可以应用于在高温下工作的工业中使用的任何陶瓷材料。

Lee还看到了传热模式与材料陶瓷强度变化之间相关性的额外好处，并认为这种陶瓷“存储器”可用于传热检测。“在许多工程应用中，很难安装高速摄像机来评估传热，”Lee说。“但是，您可以将陶瓷材料用于例如需要高压室的应用;之后其强度可用作传热的量度。”