无机材料热稳定性

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一、热稳定性的表示方法
1. 日用瓷：一定规格的试样，加热到一定温度，然后立即置 于室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复急冷，直至 观察到试样发生龟裂，则以产生龟裂的前一次加热温度表征 其热稳定性。
2. 普通耐火材料：试样的一端加热到1123 K，并保温40 min， 然后置于283~293 K的流动水中3 min或在空气中5~10 min， 重复这样的操作，直至试样失重20%为止，以这样操作的次 数n来表征其热稳定性。
ax
f
(1
l E
)
平面陶瓷薄板的热应力图
(2) 对于其他非平面薄板状材料：
Tmax
S
f (1
l E
)
（S---形状因子）
三、抗热冲击断裂性能
考虑问题的出发点： 从弹性力学的观点出发，以强度-应力为判据，即材料中
的热应力达到强度极限时，材料就产生开裂，一旦有裂纹成 核就会导致材料的完全破坏。
适用于一般的玻璃、陶瓷和电子 陶瓷材料
无机材料物2理2 性能
间隙相的熔点
• 什么是间隙相 • 主要是氮化物，碳化物和硼化物 • 一般有较高的熔点和硬度，是高温材料或者超硬材料 • 性能特殊，是现在材料科学与工程中重要的组成部分
无机材料物2理3 性能
升华和分解
• 材料的三相点的饱和蒸气压高于大气压，在大气压下，材
料没有熔化，而直接变成气态-升华
*越大，实测的最大应力越大， 折减越小。
越大， *越大，折减越小。
达到最大都需经过一定时间， 即滞后。
时间
0.1 越小，滞后越大，即达到实际
最大应力所需的时间越长。
具有不同的无限平板的无因次 应力*随时间的变化
骤冷时的最大温差只使用于20的情况。
水淬玻璃: =0.017J/(cm·s·K),
h=1.67J/(cm2·s·K), 20
冷却过程的热应力为张应力，当热应力大于材料的抗拉 强度时材料将断裂。
El (T T0 )
（E---弹性模量； αl---线膨胀系数）
(2) 材料中因存在温度梯度而产生热应力；
例，一块玻璃平板从373K的沸水中掉入273K的冰水浴中，假设 表面层在瞬间降到273K，则表面层趋于收缩，而此时内层还保 留在373K，并无收缩，这样，在表面层就产生了一个张应力。 而内层有一相应的压应力，其后由于内层温度不断下降，材料 中热应力逐渐减小。
=E 所以， =(370103MPa) (8.58 10-3)
=3170MPa
无机材料物理8 性能
2. 热应力的计算
(1) 平面陶瓷薄板：
x
z
lE 1
T
在t = 0的瞬间，
x=z=max， 如 果 正 好
达到材料的极限抗拉强
度f ，则前后两表面开
裂破坏，从而得材料所 能承受的最大温差为：
Tm
❖ 降低材料的强度f，提高弹性模量E，使
材料在胀缩时所储存的用以开裂的弹性 应变能小；
❖ 选择断裂表面能2reff大的材料，一旦开裂 就会吸收较多的能量使裂纹很快止裂。
R
E
2
2reff
(1
)
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无机材料的熔融和分解
• 晶体的熔点与结合能 • 熔点定义，见教材。晶体有准确的熔点 • 本质是质点的热运动 • 产生熔化和材料化学键的强度密切相关
3. 某些高温陶瓷材料：试样加热到一定温度后，在水中急冷， 然后测其抗折强度的损失率，作为热稳定性的指标。
二、热应力
由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力。
1. 热应力的来源 (1) 构件因热胀或冷缩受到限制时产生应力；
设有一长为l的各向同性的均质杆件,加热过程,刚性约束 热膨胀,形成压应力.
使在此过程中，材料的热膨胀系数为8.810-6 mm/(mm•oC) ， 材料的弹性模量是E=370103MPa，计算管在膨胀过程中的 热应力是多少？
无机材料物理7 性能
解答
• 根据前面的公式，有：
T
(8.8106 mm /(mm •o C)) (1000 25)o C 8.58103
• 热应力实际是材料膨胀的应力，有：
rm，材料的半厚
在无机材料的实际应用中，不会像理想骤冷那样，瞬时
产生最大应力max，而是由于散热等因素，使max滞后发生，
且数值也折减。
无因次表面应力
无因次应力*
由于散热等因素，使引起的最大热应力滞后，且数值折减。 = / max ------无因次表面应力
=20
10 5 312.5 1.0
0.5
考虑问题的出发点：
从断裂力学的观点出发，以应变能-断裂能为判据，即材 料的破坏不仅是裂纹的产生（包括原材料中的裂纹），而且 还包括裂纹的扩展和传播，尽管有裂纹，但当把它抑制在一 个很小的范围，也可能不致使材料的完全破坏。
在热冲击情况下，材料中裂纹产生、扩展以及蔓延的程 度与材料积存的弹性应变能和裂纹扩展的断裂表面能有关。
热稳定性（Thermal stability）： 材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力，
又称为抗热震性（Thermal shock resistance）。
热冲击损坏的两大类型： 抗热冲击断裂性------材料发生瞬时断裂； 抗热冲击损伤性------在热冲击循环作用下，材料的表面开 裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质。
(dT dt
)max
c p
f (1 ) l E
3 rm 2
定义：第三热应力断裂抵抗因子为：
R f (1 ) R （m2 ·K/s） l E cp cp
则材料所能承受的最大降温速率为：
(
dT dt
)m
ax
R
3 rm 2
四、抗热冲击损伤性能
对于一些含有微孔的材料和非均质金属陶瓷，裂纹在瞬时 扩张过程中，可能被微孔和晶界等所阻止，而不致引起材料 的完全断裂。
五、提高抗热震性的措施
1. 对于密实性陶瓷、玻璃等脆性材料，目的是提高抗热 冲击断裂性能，措施有：
❖ 提高材料的强度f，减小弹性模量E；
❖ 提高材料的热导率λ ；
❖ 减小材料的热膨胀系数 ；
❖ 减小表面热传递系数h； ❖ 减小产品的有效厚度rm。
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2. 对于多孔、粗粒、干压和部分烧结的制品，目的是提 高抗热冲击损伤性能，措施有：
由
=hrm/
得： rm0.2cm，
才可以用 Tmax= f (1－ )/ E
即玻璃的厚度小于4时，最大热应力随玻璃的厚度减 小而减小。
对流和辐射传热时的[*]max [*]max=0.31rmh/
承受的最大温差: Tmax= max (1－ )/ E
[*]max= / max 得： Tmax= f (1－ )/ E ·1/ 0.31rmh
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(3) 多相复合材料因各相膨胀系数不同而产生热应力。
例1：由坯釉热膨胀系数不同引起。
上釉陶瓷: 釉的热膨胀系数：1 ；坯体的热膨胀系数：2
1 2
1<2
釉受较大拉力的作用 发生龟裂或坯向内侧弯曲
坯受较强的拉力作用釉 被拉离坯面
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举个栗子
• 一根1m长的Al2O3 炉管从室温 (25oC)加热到1000oC时，假
• 材料在高温下条件变化容易升华，如氧化镁 • 材料的分解 • 本质和材料的结合键及质点热振动有关
无机材料物2理4 性能
• 传热的途径：薄的材料或制品传热途径短，易使温度均匀；
• 材料表面散热速率：表面向外散热快（如吹风），材料内 外温差大，热应力大。（如窑内进风会使降温的制品炸裂）
影响散热的三方面因素，综合为毕奥模数=hrm/λ，无单 位。越大对热稳定性不利。
h----表面热传递系数。材料表面 温度比周围环境温度高1 K，在 单位表面积上，单位时间带走 的热量（J/m2·s·K）。
实际上材料是否出现热应力断裂（或能承受的最大温差 Tmax），除了与最大热应力相关外，还与材料中应力的分 布、产生的速率和持续时间，材料的特性（塑性、均匀性、 弛豫性），裂纹、缺陷、散热有关。
材料的散热与下列因素有关
• 材料的热导率λ：热导率越大，传热越快，热应力持续一定 时间后很快缓解，对热稳定性有利；
1. 第一热应力断裂抵抗因子R
由
Tmax
f (1 ) l E
可知：Tmax值越大，说明材料能承
受的温度变化越大，即热稳定性越好。
定义：第一热应力断裂抵抗因子或第一热应力因子为：
R f (1 ) （K） l E
则材料所能承受的最大温差为：
Tmax
R
f
(1
l
E
)
2. 第二热应力断裂抵抗因子R’
定义：第二热应力断裂抵抗因子为： 则材料所能承受的最大温差为：
R
f (1
l E
)
（J/(m·s)）
Tm a x
R
1 0.31rmh
非无限平板， 再乘形状因子S
3. 第三热应力断裂抵抗因子R’’
在一些实际场合中，往往关心材料所允许的最大冷却或 加热速率dT/dt。对于厚度为2rm的无限平板，在降温过程中， 内外温度的变化允许的最大冷却速率为：
抗热应力损伤性正比于断裂表面能，反比于应变能的释放率
定义：抗热应力损伤因子为：
R
2
E (1
)
材料弹性应变能释放率的 倒数，用于比较具有相同 断裂表面能的材料。
R E 2reff
2 (1 )
用于比较具有不同断裂表 面能的材料。
式中：E为材料的弹性模量，σ为材料的断裂强度，μ为材料 的泊松比，2reff为材料的断裂表面能（J/m2）。