Покрытие из наночастиц защищает керамические материалы от термического удара

Coatings Today
05.09.2018 397

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».

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Rosmould & 3D-TECH | Rosplast 2023
Rosmould & 3D-TECH | Rosplast 2023
6-8 июня 2023 года в Москве, в МВЦ «Крокус Экспо» пройдут ведущие отраслевые выставки: Rosmould…
07.06.2023
174
Использование микроволновой энергии для получения стабильного металлического блеска
Использование микроволновой энергии для получения стабильного металлического блеска
В ходе нового исследования алюминиевые чешуйки соединяли с частицами гибридных, полиэфирных и поливинилиденфторидных (ПВДФ) покрытий…
Coatings Today
23.06.2021
221
Инновации в дробеструйной обработке повышают эксплуатационные характеристики
Инновации в дробеструйной обработке повышают эксплуатационные характеристики
Инновации в дробеструйной обработке помогают заказчикам нефти и газа улучшить эксплуатационные характеристики. Повышение эффективности и…
Coatings Today
13.03.2018
419
Печь Grieve 500°F для сушки деталей в стерильном помещении
Печь Grieve 500°F для сушки деталей в стерильном помещении
№ 923 от компании Grieve представляет собой электрически нагреваемый жарочный шкаф для «чистых помещений»* (для…
Coatings Today
13.11.2018
433
Повышенная коррозионная стойкость меди
Повышенная коррозионная стойкость меди
Повышенная коррозионная стойкость меди, обусловленная совместным действием в полипиррольной пленке. Бензотриазол и диоксид кремния совместно…
Coatings Today
13.06.2019
426
Экологически безопасные жидкие полибутадиены
Экологически безопасные жидкие полибутадиены
Линейкой POLYVEST eCO направление покрытий и клеев на основе смол компания Evonik открывает новый ряд…
07.10.2022
178
Эпоксидные связи для различных материалов
Эпоксидные связи для различных материалов
Компания “Masterbond”, которая производит эпоксиды и адгезивы среди многих других материалов, разработала “Master Bond EP17HTDA-1”,…
Coatings Today
19.09.2017
326
Открылась регистрация посетителей на выставку ExpoCoating Moscow 2023
Открылась регистрация посетителей на выставку ExpoCoating Moscow 2023
Международная выставка материалов и оборудования для обработки поверхности, нанесения покрытий и гальванических производств
07.06.2023
202
Мир климата Экспо 2023: новая реальность – новые возможности
Мир климата Экспо 2023: новая реальность – новые возможности
Мир климата Экспо – традиционное место встречи отечественных и зарубежных производителей и поставщиков HVAC/R решений…
06.12.2022
230