Покрытие из наночастиц защищает керамические материалы от термического удара

Coatings Today
05.09.2018 331

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

Покрытия снижающие адгезию к йогурту
Покрытия снижающие адгезию к йогурту
Ученые сообщают о получении скользких покрытий, не содержащих растворителей, из пищевого сырья для снижения адгезии…
02.03.2022
414
Новые цвета анодирования в новом Apple iPhone XR
Новые цвета анодирования в новом Apple iPhone XR
Компания Apple представила iPhone XR в шести новых цветах анодирования. Новый телефон имеет потрясающий дизайн,…
Coatings Today
05.10.2018
295
Новая высококачественная модель ручного воздушного распылителя
Новая высококачественная модель ручного воздушного распылителя
Компания Sames Kremlin добавила в свой ассортимент ручных воздушных распылителей новую высококачественную модель базовой комплектации…
Coatings Today
16.04.2021
151
Покрытия из фитиновой кислоты на магниевом сплаве
Покрытия из фитиновой кислоты на магниевом сплаве
В новом обзоре представлены последние разработки биоразлагаемых конверсионных покрытий из фитиновой кислоты на магниевом сплаве…
15.08.2022
116
БесПЕЧЬность недопустима
БесПЕЧЬность недопустима
В рамках программы ремонта и модернизации оборудования служба главного инженера Арзамасского приборостроительного завода начала сотрудничество…
Coatings Today
31.10.2018
277
Дырчатый графен снизу доверху
Дырчатый графен снизу доверху
Просверливание крошечных отверстий в графене оказывает сильное воздействие на этот поразительный материал. Поры не только…
Coatings Today
14.09.2018
373
Эффективность катодной защиты цинконаполненных эпоксидных покрытий
Эффективность катодной защиты цинконаполненных эпоксидных покрытий
Ученые исследовали влияние графена на катодную защиту цинконаполненных эпоксидных покрытий. Графен продлевает действие катодной защиты,…
09.01.2022
167
Полиэфирполиолы на основе биологического возобновляемого сырья
Полиэфирполиолы на основе биологического возобновляемого сырья
Как и толуолдиизоцианат и метилендифенилдиизоцианат, полиолы производятся согласно подходу, основанному на равновесии материалов, с использованием…
05.10.2022
55
Ecoclean объединяет влажную очистку и плазменную обработку в одной установке
Ecoclean объединяет влажную очистку и плазменную обработку в одной установке
Преимущества включают эксплуатационную гибкость, сокращение продолжительности процесса, снижение затрат. Производители требуют все более жестких стандартов…
Coatings Today
22.07.2019
366