无机材料热稳定性

1、 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）。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。 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；热稳定性（Thermal stability）：2一、热稳定性的表示方法一、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，

2、然后置于283293 K的流动水中3 min或在空气中510 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。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、热应力二、热应力1. 热应力的来源由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力。 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. 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。 (1) 构件因热胀或冷缩受到限制时产生应力；)(0TTEl（E-弹性模量；l-线膨胀系数）5(2) 材料中因存在温度梯度而产

3、生热应力；例，一块玻璃平板从例，一块玻璃平板从373K373K的沸水中掉入的沸水中掉入273K273K的冰水浴中，假设的冰水浴中，假设表面层在瞬间降到表面层在瞬间降到273K273K，则表面层趋于收缩，而此时内层还保，则表面层趋于收缩，而此时内层还保留在留在373K373K，并无收缩，这样，在表面层就产生了一个张应力。，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。中热应力逐渐减小。6(3) 多相复合材料因各相膨胀系数不同而产生热应力。1 212坯受较强的拉力作用釉被拉离

4、坯面 釉受较大拉力的作用发生龟裂或坯向内侧弯曲 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无机材料物理性能7一根一根1m1m长的长的AlAl2 2O O3 3 炉管从室温炉管从室温 (25(25o oC)C)加热到加热到10001000o oC C时，假时，假使在此过程中，材料的热膨胀系数为使在此过程中，材料的热膨胀系数为8.88.8 1010-6-6 mm/(mm mm/(mmo oC) C) ，材料的弹性模量是材料的弹性模量是E=370E=370 10103 3MPaMPa，计算管在膨胀过程中的计算管在膨胀过程中的热应力是多少？热应力是多少？无机

5、材料物理性能8361058. 8)251000()/(108 . 8(CCmmmmToo2. 热应力的计算平面陶瓷薄板的热应力图(1) 平面陶瓷薄板：TElzx1 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：ETlf)1 (max(2) 对于其他非平面薄板状材料：ESTlf)1 (max（S-形状因子）三、抗热冲击断裂性能三、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

6、子陶瓷材料1. 第一热应力断裂抵抗因子RETlf)1 (max由可知：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：ERlf)1 ( （K）则材料所能承受的最大温差为：ERTlf)1 (max 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。2. 第二热应力断裂抵抗因子R 材料的热导率：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； 传热的途径：薄的材料或制品传热途径短，易

7、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）材料的散热与下列因素有关 影响散热的三方面因素，综合为毕奥模数=hrm/，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/m2sK）。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表面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。由于散热等因素，使引起的最大热应力滞后，且数值折减。 =

8、 / max -无因次表面应力无因次表面应力=20105 321.51.00.50.1时间无因次应力*具有不同的无限平板的无因次应力*随时间的变化 *越大，实测的最大应力越大，越大，实测的最大应力越大，折减越小。折减越小。 越大，越大， *越大，折减越小。越大，折减越小。达到达到 最大都需经过一定时间，最大都需经过一定时间，即滞后。即滞后。 越小，滞后越大，即达到实际越小，滞后越大，即达到实际最大应力所需的时间越长。最大应力所需的时间越长。骤冷时的最大温差只使用于20的情况。水淬玻璃: =0.017J/(cmsK), h=1.67J/(cm2sK), 20 由 =hrm/得： rm0.2cm，

9、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：hrRTm31. 01maxERlf)1 ( 非无限平板，再乘形状因子S（J/(ms)） 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：3. 第三热应力断

10、裂抵抗因子R 2max3)1 ()(mlfprEcdtdT定义：第三热应力断裂抵抗因子为：pplfcRcER )1 (（m2 K/s）则材料所能承受的最大降温速率为：2max3)(mrRdtdT 四、抗热冲击损伤性能四、抗热冲击损伤性能考虑问题的出发点： 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。 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。 在热冲击情况下，材料中裂纹产生

11、、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。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：)1 (2 ER)1 (22 effrER式中：E为材料的弹性模量，为材料的断裂强度，为材料的泊松比，2reff为材料的断裂表面能（J/m2）。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。用于比较具有不同断裂表面能的材料。20五、提高抗热震性的措施五、提高抗热震性的措施v 提高材料的强度f，减小弹性模量E；v 提高材料的热导率 ；v 减小材料的热膨胀系数 ；v 减小表面热传递系数h；v 减小产品的有效厚度rm。 1. 对于密实性陶

12、瓷、玻璃等脆性材料，目的是提高抗热冲击断裂性能，措施有：21v 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；v 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。 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：)1 (22 effrER无机材料物理性能22晶体的熔点与结合能晶体的熔点与结合能熔点定义，见教材。晶体有准确的熔点熔点定义，见教材。晶体有准确的熔点本质是质点的热运动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产生熔化和材料化学键的强度密切相关 无机材料物理性能23什么是间隙相什么是间隙相主要是氮化物，碳化物和硼化物主要是氮化物，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性