無(wú)機(jī)材料熱穩(wěn)定性

1、 材料承受溫度的急劇變化（熱沖擊）而不致破壞的能力，又稱為抗熱震性（Thermal shock resistance）?？篃釠_擊損傷性-在熱沖擊循環(huán)作用下，材料的表面開(kāi)裂、剝落，并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)。 熱沖擊損壞的兩大類型：抗熱沖擊斷裂性-材料發(fā)生瞬時(shí)斷裂；熱穩(wěn)定性（Thermal stability）：2一、熱穩(wěn)定性的表示方法一、熱穩(wěn)定性的表示方法1. 日用瓷：一定規(guī)格的試樣，加熱到一定溫度，然后立即置于室溫的流動(dòng)水中急冷，并逐次提高溫度和重復(fù)急冷，直至觀察到試樣發(fā)生龜裂，則以產(chǎn)生龜裂的前一次加熱溫度表征其熱穩(wěn)定性。2. 普通耐火材料：試樣的一端加熱到1123 K，并保溫40 min，

2、然后置于283293 K的流動(dòng)水中3 min或在空氣中510 min，重復(fù)這樣的操作，直至試樣失重20%為止，以這樣操作的次數(shù)n來(lái)表征其熱穩(wěn)定性。3. 某些高溫陶瓷材料：試樣加熱到一定溫度后，在水中急冷，然后測(cè)其抗折強(qiáng)度的損失率，作為熱穩(wěn)定性的指標(biāo)。二、熱應(yīng)力二、熱應(yīng)力1. 熱應(yīng)力的來(lái)源由于材料熱膨脹或收縮引起的內(nèi)應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。 設(shè)有一長(zhǎng)為l的各向同性的均質(zhì)桿件,加熱過(guò)程,剛性約束熱膨脹,形成壓應(yīng)力. 冷卻過(guò)程的熱應(yīng)力為張應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)材料將斷裂。 (1) 構(gòu)件因熱脹或冷縮受到限制時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力；)(0TTEl（E-彈性模量；l-線膨脹系數(shù)）5(2) 材料中因存在溫度梯度而產(chǎn)

3、生熱應(yīng)力；例，一塊玻璃平板從例，一塊玻璃平板從373K373K的沸水中掉入的沸水中掉入273K273K的冰水浴中，假設(shè)的冰水浴中，假設(shè)表面層在瞬間降到表面層在瞬間降到273K273K，則表面層趨于收縮，而此時(shí)內(nèi)層還保，則表面層趨于收縮，而此時(shí)內(nèi)層還保留在留在373K373K，并無(wú)收縮，這樣，在表面層就產(chǎn)生了一個(gè)張應(yīng)力。，并無(wú)收縮，這樣，在表面層就產(chǎn)生了一個(gè)張應(yīng)力。而內(nèi)層有一相應(yīng)的壓應(yīng)力，其后由于內(nèi)層溫度不斷下降，材料而內(nèi)層有一相應(yīng)的壓應(yīng)力，其后由于內(nèi)層溫度不斷下降，材料中熱應(yīng)力逐漸減小。中熱應(yīng)力逐漸減小。6(3) 多相復(fù)合材料因各相膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。1 212坯受較強(qiáng)的拉力作用釉被拉離

4、坯面 釉受較大拉力的作用發(fā)生龜裂或坯向內(nèi)側(cè)彎曲 例1：由坯釉熱膨脹系數(shù)不同引起。上釉陶瓷: 釉的熱膨脹系數(shù)：1 ；坯體的熱膨脹系數(shù)：2無(wú)機(jī)材料物理性能7一根一根1m1m長(zhǎng)的長(zhǎng)的AlAl2 2O O3 3 爐管從室溫爐管從室溫 (25(25o oC)C)加熱到加熱到10001000o oC C時(shí)，假時(shí)，假使在此過(guò)程中，材料的熱膨脹系數(shù)為使在此過(guò)程中，材料的熱膨脹系數(shù)為8.88.8 1010-6-6 mm/(mm mm/(mmo oC) C) ，材料的彈性模量是材料的彈性模量是E=370E=370 10103 3MPaMPa，計(jì)算管在膨脹過(guò)程中的計(jì)算管在膨脹過(guò)程中的熱應(yīng)力是多少？熱應(yīng)力是多少？無(wú)機(jī)

5、材料物理性能8361058. 8)251000()/(108 . 8(CCmmmmToo2. 熱應(yīng)力的計(jì)算平面陶瓷薄板的熱應(yīng)力圖(1) 平面陶瓷薄板：TElzx1 在t = 0的瞬間，x=z=max，如果正好達(dá)到材料的極限抗拉強(qiáng)度f(wàn) ，則前后兩表面開(kāi)裂破壞，從而得材料所能承受的最大溫差為：ETlf)1 (max(2) 對(duì)于其他非平面薄板狀材料：ESTlf)1 (max（S-形狀因子）三、抗熱沖擊斷裂性能三、抗熱沖擊斷裂性能考慮問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)： 從彈性力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，以強(qiáng)度-應(yīng)力為判據(jù)，即材料中的熱應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，材料就產(chǎn)生開(kāi)裂，一旦有裂紋成核就會(huì)導(dǎo)致材料的完全破壞。適用于一般的玻璃、陶瓷和電

6、子陶瓷材料1. 第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子RETlf)1 (max由可知：Tmax值越大，說(shuō)明材料能承受的溫度變化越大，即熱穩(wěn)定性越好。定義：第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子或第一熱應(yīng)力因子為：ERlf)1 ( （K）則材料所能承受的最大溫差為：ERTlf)1 (max 實(shí)際上材料是否出現(xiàn)熱應(yīng)力斷裂（或能承受的最大溫差Tmax），除了與最大熱應(yīng)力相關(guān)外，還與材料中應(yīng)力的分布、產(chǎn)生的速率和持續(xù)時(shí)間，材料的特性（塑性、均勻性、弛豫性），裂紋、缺陷、散熱有關(guān)。2. 第二熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R 材料的熱導(dǎo)率：熱導(dǎo)率越大，傳熱越快，熱應(yīng)力持續(xù)一定時(shí)間后很快緩解，對(duì)熱穩(wěn)定性有利； 傳熱的途徑：薄的材料或制品傳熱途徑短，易

7、使溫度均勻； 材料表面散熱速率：表面向外散熱快（如吹風(fēng)），材料內(nèi)外溫差大，熱應(yīng)力大。（如窯內(nèi)進(jìn)風(fēng)會(huì)使降溫的制品炸裂）材料的散熱與下列因素有關(guān) 影響散熱的三方面因素，綜合為畢奧模數(shù)=hrm/，無(wú)單位。越大對(duì)熱穩(wěn)定性不利。h-表面熱傳遞系數(shù)。材料表面溫度比周圍環(huán)境溫度高1 K，在單位表面積上，單位時(shí)間帶走的熱量（J/m2sK）。rm，材料的半厚 在無(wú)機(jī)材料的實(shí)際應(yīng)用中，不會(huì)像理想驟冷那樣，瞬時(shí)產(chǎn)生最大應(yīng)力max，而是由于散熱等因素，使max滯后發(fā)生，且數(shù)值也折減。無(wú)因次表面應(yīng)力無(wú)因次表面應(yīng)力由于散熱等因素，使引起的最大熱應(yīng)力滯后，且數(shù)值折減。由于散熱等因素，使引起的最大熱應(yīng)力滯后，且數(shù)值折減。 =

8、 / max -無(wú)因次表面應(yīng)力無(wú)因次表面應(yīng)力=20105 321.51.00.50.1時(shí)間無(wú)因次應(yīng)力*具有不同的無(wú)限平板的無(wú)因次應(yīng)力*隨時(shí)間的變化 *越大，實(shí)測(cè)的最大應(yīng)力越大，越大，實(shí)測(cè)的最大應(yīng)力越大，折減越小。折減越小。 越大，越大， *越大，折減越小。越大，折減越小。達(dá)到達(dá)到 最大都需經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，最大都需經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，即滯后。即滯后。 越小，滯后越大，即達(dá)到實(shí)際越小，滯后越大，即達(dá)到實(shí)際最大應(yīng)力所需的時(shí)間越長(zhǎng)。最大應(yīng)力所需的時(shí)間越長(zhǎng)。驟冷時(shí)的最大溫差只使用于20的情況。水淬玻璃: =0.017J/(cmsK), h=1.67J/(cm2sK), 20 由 =hrm/得： rm0.2cm，

9、才可以用 Tmax= f (1 )/ E 即玻璃的厚度小于4時(shí)，最大熱應(yīng)力隨玻璃的厚度減小而減小。對(duì)流和輻射傳熱時(shí)的*max *max=0.31rmh/承受的最大溫差: Tmax= max (1 )/ E *max= / max得： Tmax= f (1 )/ E 1/ 0.31rmh定義：第二熱應(yīng)力斷裂抵抗因子為：則材料所能承受的最大溫差為：hrRTm31. 01maxERlf)1 ( 非無(wú)限平板，再乘形狀因子S（J/(ms)） 在一些實(shí)際場(chǎng)合中，往往關(guān)心材料所允許的最大冷卻或加熱速率dT/dt。對(duì)于厚度為2rm的無(wú)限平板，在降溫過(guò)程中，內(nèi)外溫度的變化允許的最大冷卻速率為：3. 第三熱應(yīng)力斷

10、裂抵抗因子R 2max3)1 ()(mlfprEcdtdT定義：第三熱應(yīng)力斷裂抵抗因子為：pplfcRcER )1 (（m2 K/s）則材料所能承受的最大降溫速率為：2max3)(mrRdtdT 四、抗熱沖擊損傷性能四、抗熱沖擊損傷性能考慮問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)： 從斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，以應(yīng)變能-斷裂能為判據(jù)，即材料的破壞不僅是裂紋的產(chǎn)生（包括原材料中的裂紋），而且還包括裂紋的擴(kuò)展和傳播，盡管有裂紋，但當(dāng)把它抑制在一個(gè)很小的范圍，也可能不致使材料的完全破壞。 對(duì)于一些含有微孔的材料和非均質(zhì)金屬陶瓷，裂紋在瞬時(shí)擴(kuò)張過(guò)程中，可能被微孔和晶界等所阻止，而不致引起材料的完全斷裂。 在熱沖擊情況下，材料中裂紋產(chǎn)生

11、、擴(kuò)展以及蔓延的程度與材料積存的彈性應(yīng)變能和裂紋擴(kuò)展的斷裂表面能有關(guān)。抗熱應(yīng)力損傷性正比于斷裂表面能，反比于應(yīng)變能的釋放率定義：抗熱應(yīng)力損傷因子為：)1 (2 ER)1 (22 effrER式中：E為材料的彈性模量，為材料的斷裂強(qiáng)度，為材料的泊松比，2reff為材料的斷裂表面能（J/m2）。材料彈性應(yīng)變能釋放率的倒數(shù)，用于比較具有相同斷裂表面能的材料。用于比較具有不同斷裂表面能的材料。20五、提高抗熱震性的措施五、提高抗熱震性的措施v 提高材料的強(qiáng)度f(wàn)，減小彈性模量E；v 提高材料的熱導(dǎo)率 ；v 減小材料的熱膨脹系數(shù) ；v 減小表面熱傳遞系數(shù)h；v 減小產(chǎn)品的有效厚度rm。 1. 對(duì)于密實(shí)性陶

12、瓷、玻璃等脆性材料，目的是提高抗熱沖擊斷裂性能，措施有：21v 降低材料的強(qiáng)度f(wàn)，提高彈性模量E，使材料在脹縮時(shí)所儲(chǔ)存的用以開(kāi)裂的彈性應(yīng)變能小；v 選擇斷裂表面能2reff大的材料，一旦開(kāi)裂就會(huì)吸收較多的能量使裂紋很快止裂。 2. 對(duì)于多孔、粗粒、干壓和部分燒結(jié)的制品，目的是提高抗熱沖擊損傷性能，措施有：)1 (22 effrER無(wú)機(jī)材料物理性能22晶體的熔點(diǎn)與結(jié)合能晶體的熔點(diǎn)與結(jié)合能熔點(diǎn)定義，見(jiàn)教材。晶體有準(zhǔn)確的熔點(diǎn)熔點(diǎn)定義，見(jiàn)教材。晶體有準(zhǔn)確的熔點(diǎn)本質(zhì)是質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)本質(zhì)是質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熔化和材料化學(xué)鍵的強(qiáng)度密切相關(guān)產(chǎn)生熔化和材料化學(xué)鍵的強(qiáng)度密切相關(guān) 無(wú)機(jī)材料物理性能23什么是間隙相什么是間隙相主要是氮化物，碳化物和硼化物主要是氮化物，碳化物和硼化物一般有較高的熔點(diǎn)和硬度，是高溫材料或者超硬材料一般有較高的熔點(diǎn)和硬度，是高溫材料或者超硬材料性能特殊，是現(xiàn)在材料科學(xué)與工程中重要的組成部性