無機材料熱穩(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）?？篃釠_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。

熱沖擊損壞的兩大類型：抗熱沖擊斷裂性------材料發(fā)生瞬時斷裂；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水中急冷，并逐次提高溫度和重復急冷，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的流動水中3min或在空氣中5~10min，重復這樣的操作，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，然后測其抗折強度的損失率，作為熱穩(wěn)定性的指標。二、熱應力1.熱應力的來源由于材料熱膨脹或收縮引起的內應力稱為熱應力。

設有一長為l的各向同性的均質桿件,加熱過程,剛性約束熱膨脹,形成壓應力.冷卻過程的熱應力為張應力，當熱應力大于材料的抗拉強度時材料將斷裂。(1)構件因熱脹或冷縮受到限制時產(chǎn)生應力；（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)生熱應力；例，一塊玻璃平板從373K的沸水中掉入273K的冰水浴中，假設表面層在瞬間降到273K，則表面層趨于收縮，而此時內層還保留在373K，并無收縮，這樣，在表面層就產(chǎn)生了一個張應力。而內層有一相應的壓應力，其后由于內層溫度不斷下降，材料中熱應力逐漸減小。6(3)多相復合材料因各相膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生熱應力。1>21<2坯受較強的拉力作用釉被拉離坯面

釉受較大拉力的作用發(fā)生龜裂或坯向內側彎曲例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無機材料物理性能7舉個栗子一根1m長的Al2O3

爐管從室溫(25oC)加熱到1000oC時，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，計算管在膨脹過程中的熱應力是多少？無機材料物理性能8解答根據(jù)前面的公式，有：熱應力實際是材料膨脹的應力，有：=E所以，=(370103MPa)(8.5810-3)=3170MPa2.熱應力的計算平面陶瓷薄板的熱應力圖(1)平面陶瓷薄板：在t

=

0的瞬間，x=z=max，如果正好達到材料的極限抗拉強度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：

從彈性力學的觀點出發(fā)，以強度-應力為判據(jù)，即材料中的熱應力達到強度極限時，材料就產(chǎn)生開裂，一旦有裂紋成核就會導致材料的完全破壞。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：第一熱應力斷裂抵抗因子或第一熱應力因子為：（K）則材料所能承受的最大溫差為：實際上材料是否出現(xiàn)熱應力斷裂（或能承受的最大溫差Tmax），除了與最大熱應力相關外，還與材料中應力的分布、產(chǎn)生的速率和持續(xù)時間，材料的特性（塑性、均勻性、弛豫性），裂紋、缺陷、散熱有關。2.第二熱應力斷裂抵抗因子R’

材料的熱導率λ：熱導率越大，傳熱越快，熱應力持續(xù)一定時間后很快緩解，對熱穩(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），材料內外溫差大，熱應力大。（如窯內進風會使降溫的制品炸裂）材料的散熱與下列因素有關

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，單位時間帶走的熱量（J/m2·s·K）。rm，材料的半厚在無機材料的實際應用中，不會像理想驟冷那樣，瞬時產(chǎn)生最大應力max，而是由于散熱等因素，使max滯后發(fā)生，且數(shù)值也折減。無因次表面應力由于散熱等因素，使引起的最大熱應力滯后，且數(shù)值折減。=/max------無因次表面應力=20105321.51.00.50.1時間無因次應力*具有不同的無限平板的無因次應力*隨時間的變化*越大，實測的最大應力越大，折減越小。越大，*越大，折減越小。達到最大都需經(jīng)過一定時間，即滯后。越小，滯后越大，即達到實際最大應力所需的時間越長。驟冷時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，最大熱應力隨玻璃的厚度減小而減小。對流和輻射傳熱時的[*]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)）在一些實際場合中，往往關心材料所允許的最大冷卻或加熱速率dT/dt。對于厚度為2rm的無限平板，在降溫過程中，內外溫度的變化允許的最大冷卻速率為：3.第三熱應力斷裂抵抗因子R’’

定義：第三熱應力斷裂抵抗因子為：（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：從斷裂力學的觀點出發(fā)，以應變能-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展和傳播，盡管有裂紋，但當把它抑制在一個很小的范圍，也可能不致使材料的完全破壞。

對于一些含有微孔的材料和非均質金屬陶瓷，裂紋在瞬時擴張過程中，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、擴展以及蔓延的程度與材料積存的彈性應變能和裂紋擴展的斷裂表面能有關?？篃釕p傷性正比于斷裂表面能，反比于應變能的釋放率定義：抗熱應力損傷因子為：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度f，減小彈性模量E；提高材料的熱導率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.對于密實性陶瓷、玻璃等脆性材料，目的是提高抗熱沖擊斷裂性能，措施有：21降低材料的強度f，提高彈性模量E，使材料在脹縮時所儲存的用以開裂的彈性應變能??；選擇斷裂表面能2reff大的材料，一旦開裂就會吸收較多的能量使裂紋很快止裂。2.對于多孔、粗粒、干壓和部分燒結的制品，目的是提高抗熱沖擊損傷性能，措施有：無機材料物理性能22無機材料的熔融和分解晶體的熔點與結合能熔點定義，見教材。晶體有準確的熔點本質是質點的熱運動產(chǎn)生熔化和材料化學鍵的強度密切相關