新墨西哥大学利用廉价简单的防水涂层防止陶瓷的热冲击性能

摘要:陶瓷材料由于具有承受极端环境的能力,被广泛应用于核电、化工、电力等行业。然而,在高温下,陶瓷易受快速温度变化情况引起的热震断裂现象,如冷水滴与热表面的接触时就会产生上述现象。在一种新的跨学科方法中,工程师们提出使用一种廉价、简单、防水涂层来防止陶瓷中的热冲击性能。

在高温下,陶瓷易受快速温度变化情况(如与热表面接触的冷水滴)引起的热震断裂现象。新墨西哥大学(University of New Mexico)的工程师们在《AIP Advances》上发表了一篇新的跨学科研究报告,提出使用廉价、简单、防水的涂层来防止陶瓷的热冲击。上图为在300℃下3ms的热表面和冷滴相互作用的快照(a)在原样的氧化铝陶瓷上和(b)在工程疏水表面上。图片来源:Divya J. Prakash和Youho Lee

陶瓷材料由于具有承受极端环境的能力而被应用于核电、化工和电力发电行业。然而,在高温下,陶瓷易受快速温度变化情况引起的热震断裂现象,如冷水滴与热表面的接触时就会产生上述现象。新墨西哥大学(University of New Mexico)的工程师们采用了一种全新的跨学科方法,在AIP出版社(AIP Publishing)出版的《AIP Advances》杂志上发表了一篇论文。

新墨西哥大学的Youho Lee,也是该论文的作者之一说:“我们使用完全相同的材料,但控制传热,使材料得到一个更温和的温度梯度,并减轻拉伸应力,从而从根本上改善热冲击行为。”

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,在以往提高耐热震性的尝试中,材料科学家改变了材料本身的性能,以提高抗热震性,但这是一个昂贵且困难的过程,具有固有缺点。Lee认为:“如果你以一种方式改进了材料,你就牺牲了其他性能。”

从他跨学科的学术背景来看,Lee 有研究传热的经验,所以他决定探索传热对陶瓷热冲击的影响。

通过拍摄水滴冲击加热陶瓷表面的高速视频来研究传热。Lee说:“当传热速度快时,碰撞瞬间的特征是表面有剧烈气泡和表面喷流。”而且,根据弯曲试验的评估,这些更快的传热模式与材料强度的下降相对应。当陶瓷被加热到325℃时,材料强度会有更大的降低,相应地液滴动力学会更剧烈,这表明传热更快。然而,当温度高于325℃时,材料的强度受热冲击的影响较小,液滴的动力学发生了变化,形成了明显的汽膜。

以减少热传递,从而减少陶瓷在325℃温度范围内所经历的热冲击,Lee使用了一些核工程技术,即两相传热速率可以通过从表面排斥水形成绝缘汽膜来降低。因此,他在陶瓷表面涂上了纳米颗粒,创建了一个纳米结构的疏水表面。当在新涂层陶瓷材料上重复实验时,液滴动力学发生了很大的变化,没有剧烈的气泡喷流;相反,观察到蒸汽膜的形成。关键是,涂层陶瓷在液滴撞击后强度没有变化。

Lee说:“我们所做的非常简单,没有昂贵花哨的设备或材料。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。

从核能工程的角度来看,Lee设想这些发现可以通过增加核部件的抗热震能力来提高核电站的安全性。但这种绝缘涂层不仅适用于核材料,而且适用于高温工业中使用的任何陶瓷材料。

Lee还从传热方式与材料陶瓷强度变化之间的相关性中看到了额外的好处,并认为这种陶瓷的“记忆能力”可用于传热检测。Lee说:“在许多工程应用中,很难安装一个高速摄像机来评估热传递,但是你可以使用陶瓷材料,例如你需要一个高压室就可以使用陶瓷材料;而且之后它的强度可以用来衡量传热。”

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