無機(jī)材料熱穩(wěn)定性

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（Thermalshockresistance）。抗熱沖擊損傷性------在熱沖擊循環(huán)作用下，材料的表面開裂、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（Thermalstability）：2一、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1123K，并保溫40min，然后置于283~293K的流動(dòng)水中3min或在空氣中5~10min，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1.熱應(yīng)力的來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)有一長為l的各向同性的均質(zhì)桿件,加熱過程,剛性約束熱膨脹,形成壓應(yīng)力.冷卻過程的熱應(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；（E---彈性模量；αl---線膨脹系數(shù)）5(2)材料中因存在溫度梯度而產(chǎn)生熱應(yīng)力；例，一塊玻璃平板從373K的沸水中掉入273K的冰水浴中，假設(shè)表面層在瞬間降到273K，則表面層趨于收縮，而此時(shí)內(nèi)層還保留在373K，并無收縮，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>21<2坯受較強(qiáng)的拉力作用釉被拉離坯面

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無機(jī)材料物理性能7舉個(gè)栗子一根1m長的Al2O3

爐管從室溫(25oC)加熱到1000oC時(shí)，假使在此過程中，材料的熱膨脹系數(shù)為8.810-6mm/(mm?oC)，材料的彈性模量是E=370103MPa，計(jì)算管在膨脹過程中的熱應(yīng)力是多少？無機(jī)材料物理性能8解答根據(jù)前面的公式，有：熱應(yīng)力實(shí)際是材料膨脹的應(yīng)力，有：=E所以，=(370103MPa)(8.5810-3)=3170MPa2.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：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，則前后兩表面開裂破壞，從而得材料所能承受的最大溫差為：(2)對(duì)于其他非平面薄板狀材料：（S---形狀因子）三、抗熱沖擊斷裂性能考慮問題的出發(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、陶瓷和電子陶瓷材料1.第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R由可知：Tmax值越大，說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：（K）則材料所能承受的最大溫差為：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λ：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/λ，無單位。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/m2·s·K）。rm，材料的半厚在無機(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。=/max------無因次表面應(yīng)力=20105321.51.00.50.1時(shí)間無因次應(yīng)力*具有不同的無限平板的無因次應(yīng)力*隨時(shí)間的變化*越大，實(shí)測(cè)的最大應(yīng)力越大，折減越小。越大，*越大，折減越小。達(dá)到最大都需經(jīng)過一定時(shí)間，即滯后。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。驟冷時(shí)的最大溫差只使用于20的情況。水淬玻璃:=0.017J/(cm·s·K),h=1.67J/(cm2·s·K),20

由=hrm/得：rm0.2cm，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：非無限平板，再乘形狀因子S（J/(m·s)）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的無限平板，在降溫過程中，內(nèi)外溫度的變化允許的最大冷卻速率為：3.第三熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R’’

定義：第三熱應(yīng)力斷裂抵抗因子為：（m2·K/s）則材料所能承受的最大降溫速率為：四、抗熱沖擊損傷性能考慮問題的出發(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、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)?？篃釕?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：式中：E為材料的彈性模量，σ為材料的斷裂強(qiáng)度，μ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提高材料的強(qiáng)度f，減小彈性模量E；提高材料的熱導(dǎo)率λ；減小材料的熱膨脹系數(shù)；減小表面熱傳遞系數(shù)h；減小產(chǎn)品的有效厚度rm。1.對(duì)于密實(shí)性陶瓷、玻璃等脆性材料，目的是提高抗熱沖擊斷裂性能，措施有：21降低材料的強(qiáng)度f，提高彈性模量E，使材料在脹縮時(shí)所儲(chǔ)存的用以開裂的彈性應(yīng)變能小；選擇斷裂表面能2reff大的材料，一旦開裂就會(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：無機(jī)材料物理性能22無機(jī)材料的熔融和分解晶體的熔點(diǎn)與結(jié)合能熔點(diǎn)定義，見教材。晶體有準(zhǔn)確的熔點(diǎn)本質(zhì)是質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熔化和材料化學(xué)鍵的強(qiáng)度密切相關(guān)