Керамические материалы используются в ядерной, химической и электроэнергетической отраслях из-за их способности выдерживать экстремальные условия окружающей среды. Однако при высоких температурах керамика подвержена разрушениям от термического удара, вызванным быстрыми изменениями температуры, например, когда капли холодной воды контактируют с горячими поверхностями. В новом междисциплинарном подходе, разработанном инженерами из Университета Нью-Мексико, исследователи сообщают о возможности использования простого, дешёвого водоотталкивающего покрытия для предотвращения термического удара в керамике.
«Мы используем точно такой же материал, но контролируем передачу тепла, обеспечивая материал более мягким, доброкачественным температурным градиентом, снимая растягивающие напряжения и тем самым радикально улучшая поведение теплового удара», – сказал Юхо Ли, один из авторов исследовательского проекта.
Термический удар – явление, часто встречающееся на кухне у начинающих поваров, не подозревающих о восприимчивости стекла к резким изменениям температуры. Если стеклянную форму для запекания, ещё нагретую теплом печи, опустить под холодную воду, внезапное снижение температуры поверхности создаст неравномерный температурный градиент на материале, вызывая растягивающее напряжение и, в конечном итоге, трещины. Такая же восприимчивость к тепловому удару может повлиять на срок службы промышленной керамики.
Исследователи пояснили, что в предыдущих попытках улучшить устойчивость к тепловому удару учёные изменяли свойства самого материала, но это дорогостоящий и сложный процесс с присущими ему недостатками. «Если вы улучшаете материал одним способом, вы жертвуете другими свойствами», – говорит Ли.
Имея междисциплинарный академический опыт изучения теплопередачи, Ли решил исследовать её влияние на керамический термический удар. Вместе с коллегами Ли изучил теплопередачу, взяв высокоскоростные видеоролики о воздействии капель воды на нагретую керамическую поверхность. «Когда передача тепла происходит быстро, моменты столкновения характеризуются бурными пузырьками и струями на поверхности», – сказал Ли. Было обнаружено, что эти режимы быстрой теплопередачи соответствуют снижению прочности материала, как это оценивалось в испытаниях на изгиб (определение пластичности или сцепляемости покрытий). Более значительное снижение прочности материала было обнаружено, когда керамика нагревалась до 325 °С, с более выразительной динамикой капель, что указывало на более высокую теплопередачу. Однако при температурах выше 325 °С прочность материала оказывалась менее подверженной воздействию теплового удара, а динамика капель изменилась на образование заметной паровой пленки.
Для уменьшения теплопередачи и, как следствие, теплового удара, испытываемого керамикой при температурах до 325 °С, Ли использовал некоторые ноу-хау в области ядерной энергетики. В частности, знания о том, что двухфазная скорость теплопередачи может быть уменьшена путем отталкивания воды от поверхности с образованием изолирующей паровой пленки. Это привело к покрытию керамической поверхности наночастицами, создав наноструктурированную, гидрофобную поверхность. Когда эксперименты были повторены на керамическом материале с новым покрытием, динамика капель резко изменилась, что привело к образованию паровой пленки, а не сильных струй и пузырьков. Важно отметить, что керамика с покрытием из наночастиц не испытала никаких изменений в прочности после контакта с каплями воды.
«То, что мы сделали, было очень простым, без дорогого, навороченного оборудования или материалов», – утверждает Ли. «Новаторство этого исследования состояло в том, чтобы предотвратить колоссальную теплопередачу за счет способствования образованию паровой пленки, которая изолировала материал от теплового удара».
Результаты этого исследования могут быть использованы для повышения безопасности атомных электростанций за счет повышения толерантности к тепловым ударам ядерных компонентов. Но это изолирующее покрытие не ограничивается ядерными применениями и может быть применено к любому керамическому материалу, используемому в отраслях, работающих при высоких температурах.
Дополнительное преимущество можно извлечь из корреляции между режимом теплопередачи и изменением прочности керамики. Ли полагает, что эта керамическая «память» может использоваться для обнаружения теплопередачи. «Во многих инженерных областях применения сложно установить высокоскоростную видеокамеру для оценки процесса теплопередачи», – уверяет Ли. «Тем не менее, можно использовать керамический материал в тех областях, которые, например, требует камеру высокого давления (компрессионную барокамеру), ее прочность впоследствии может использоваться в качестве меры теплопередачи».
