Poprawiona odporność na szok termiczny w ceramice przemysłowej

Anonim

Materiały ceramiczne są wykorzystywane w przemyśle jądrowym, chemicznym i elektrycznym, ze względu na ich odporność na ekstremalne warunki. Jednak w wysokich temperaturach ceramika jest podatna na szok termiczny, spowodowany szybkimi zmianami temperatury, takimi jak kontakt kropel zimnej wody z gorącymi powierzchniami. W nowatorskim interdyscyplinarnym podejściu inżynierowie z Uniwersytetu w Nowym Meksyku informują o postępach w AIP, stosowaniu taniej, prostej, wodoodpornej powłoki zapobiegającej szokowi termicznemu w ceramice.

"Używamy dokładnie tego samego materiału, ale kontrolujemy przenikanie ciepła, pozwalając materiałowi zobaczyć bardziej łagodny gradient temperatury, łagodząc naprężenia rozciągające i radykalnie poprawiając zachowanie szoku termicznego", powiedział Youho Lee, z University of New Mexico i jeden z autorzy artykułu.

Szok termiczny jest zjawiskiem często doświadczanym w kuchni przez początkujących kucharzy nieświadomych wrażliwości szkła na dramatyczne zmiany temperatury. Jeśli szklana miska żaroodporna świeża z ciepła piekarnika jest piaskowana zimną wodą, nagły spadek temperatury powierzchni powoduje nierównomierny gradient temperatury w materiale, powodując naprężenia rozciągające i ostatecznie pęknięcia. Ta sama podatność na wstrząsy cieplne wpływa na żywotność ceramiki przemysłowej.

Lee wyjaśnił, że we wcześniejszych próbach poprawy odporności na wstrząsy termiczne naukowcy zajmujący się materiałami zmienili właściwości samego materiału, ale jest to kosztowny i trudny proces z nieodłącznymi wadami. "Jeśli ulepszysz materiał w jeden sposób, poświęcisz inne właściwości" - powiedział Lee.

Z jego interdyscyplinarnego doświadczenia naukowego Lee miał doświadczenie w badaniu transferu ciepła, więc postanowił zbadać wpływ wymiany ciepła na ceramiczny szok termiczny.

Transfer ciepła badano, wykonując szybkie filmy wideo uderzenia kropli wody na ogrzaną powierzchnię ceramiczną. "Kiedy wymiana ciepła przebiega szybko, momenty zderzenia charakteryzują się gwałtownymi pęcherzykami i dyszami na powierzchni" - powiedział Lee. Stwierdzono, że te szybsze tryby przenoszenia ciepła odpowiadają zmniejszeniu wytrzymałości materiału, co oceniono w testach zginania. Większą redukcję wytrzymałości materiału stwierdzono, gdy ceramika została podgrzana do temperatury 325 stopni Celsjusza, z odpowiednio większą dynamiką kropelkową, co wskazuje na szybszy transfer ciepła. Jednak w temperaturach wyższych niż 325 ° C wytrzymałość materiału wydawała się być mniej dotknięta przez szok termiczny, a dynamika kropel zmieniła się, tworząc wyraźną warstewkę pary.

Aby zredukować przenikanie ciepła, a co za tym idzie szok termiczny doświadczany przez ceramikę w temperaturach sięgających 325 C, Lee wykorzystał pewne know-how z zakresu inżynierii jądrowej - to znaczy, że dwufazowy transfer ciepła może zostać zredukowany przez odpychanie wody z powierzchni tworząc izolacyjną folię parową. Dlatego pokrył powierzchnię ceramiczną nanocząsteczkami, tworząc nanostrukturalną, hydrofobową powierzchnię. Gdy powtórzono eksperymenty na nowo powleczonym materiale ceramicznym, dynamika kropel została radykalnie zmieniona bez gwałtownych strumieni pęcherzyków; zamiast tego zaobserwowano tworzenie się pary wodnej. Co najważniejsze, powlekana ceramika nie wykazywała żadnej zmiany wytrzymałości po uderzeniu kropli.

"To, co zrobiliśmy, było bardzo proste, bez kosztownych, fantazyjnych urządzeń i materiałów" - powiedział Lee. "Innowacją tego badania było zapobieganie dramatycznemu przenoszeniu ciepła przez promowanie tworzenia się warstw pary, co izolowało materiał od szoku termicznego."

Z punktu widzenia inżynierii jądrowej, Lee zakłada, że ​​odkrycia te można wykorzystać do poprawy bezpieczeństwa elektrowni jądrowych poprzez zwiększenie tolerancji termicznej wstrząsów komponentów jądrowych. Ta powłoka izolacyjna nie jest jednak ograniczona do zastosowań jądrowych i może być stosowana do dowolnego materiału ceramicznego stosowanego w branżach działających w wysokich temperaturach.

Lee widzi także dodatkową korzyść wynikającą z korelacji pomiędzy trybem wymiany ciepła a zmianą wytrzymałości materiału ceramicznego i uważa, że ​​ta ceramiczna "pamięć" może być wykorzystana w wykrywaniu przenikania ciepła. "W wielu aplikacjach inżynierskich trudno jest zainstalować szybką kamerę wideo do oceny przenoszenia ciepła" - powiedział Lee. "Można jednak użyć materiału ceramicznego do aplikacji, która na przykład wymaga komory wysokociśnieniowej, a jej wytrzymałość można wykorzystać jako miarę wymiany ciepła".

menu
menu