4.4 无机材料的热稳定性

1. 4.4 无机材料的热稳定性 热稳定性（抗热振性）： 材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力。 热冲击损坏的类型： 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。

2. 4.4.1 热稳定性的表示方法 1 . 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0C表示。（日用瓷） 2 . 试样的一端加热到某一温度，并保温一定时间，然后置于一定温度的流动水中或在空气中一定时间，重复这样的操作，直至试样失重20%为止，以其操作次数n表示。 耐火材料 ： 1123K； 40min ； 283－293K； 3(5－!0)min

3. 3 . 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。（高温结构材料）。 4.4.2 热应力 在复合体中，由于两种材料的热膨胀系数之间或结晶学方向有大的差别，形成应力，如果该应力过大，就可以在复合体中引起微裂纹。 在材料中存在微裂纹，测出的热膨胀系数出现滞后现象------ 膨胀系数低于单晶的膨胀系数。 例如：在一些TiO2组成物中，有此现象。

4. 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 由于存在显微裂纹而引起的多晶的热膨胀滞后现象 膨胀（%） 0 400 800 1200 温度（0C） 1. 热应力的产生 （1）热膨胀或收缩引起的热应力 当物体固定在支座之间，或固定在不同膨胀系数的材料上，膨胀受到约束时，在物体内就形成应力------（显微应力）。

5. 有 x= z= T E/（1 －  ) 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， 得 Tmax= f(1－ )/  E 对于其他平面薄板状的材料： Tmax=S/ f(1－ )/  E S---形状因子，Tmax---能承受的最大温差 式中的其他参数都是材料的本征性能参数，可以推广使用。

6. 4.4.3 抗热冲击断裂性能 考虑问题的出发点： 从热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发生断裂。 1. 第一热应力断裂抵抗因子R 仅考虑最大的热应力: Tmax= f(1－ )/  E (1－ )/ E 表征材料热稳定性的因子（第一热应力断裂抵抗因子或第一热应力因子）

7. 2. 第二热应力断裂抵抗因子R´ 考虑承受的最大温差与最大热应力、材料中的应力分布、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。

8. 材料的散热与下列因素有关 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：材料的厚薄2rm，薄的材料传热途径短，易使温度均匀快。  材料的表面散热速率：表面向外散热快，材料内外温差大，热应力大，引入表面热传递系数h------材料表面温度比周围环境高单位温度，在单位表面积上，单位时间带走的热量（J/s·cm2·oC)。 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。

9. h实测值

10. 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。 = / max ------无因次表面应力 =20 *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。 越小，滞后越大，即达到实际最大应力所需的时间越长。 10 5 3 2 无因次应力* 1.5 1.0 0.5 0.1 时间 具有不同的无限平板的无因次应力*随时间的变化

11. 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 由 =hrm/ 得： rm0.2cm， 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。

12. 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 R=f(1－ )/  E (第二热应力断裂抵抗因子) 单位：J/(cm·s) 考虑形状因子时： Tmax=S R ·1/ 0.31rmh

13. 10000 3000 1000 300 100 30 10 －水淬 －从1000oC辐射 －强制对流空气 －喷气涡轮机叶片 熔融SiO2 BeO Al2O3100oC TiC TiC金属陶瓷 锆英石 Al2O3 T MgO 瓷器 玻璃 ZrO2 Al2O3 1000oC 粘土耐火砖 0.001 0.003 0.01 0.03 0.1 0.3 1.0 3.0 10 rmh

14. 3 . 第三热应力因子 冷却速率dT/dt引起材料中的温度梯度及热应力 表面与中心之间的温度分布呈抛物线形 Tc－T=kx2 －dT/dx=2kx －d2T/dx2=2k 在平板的表面 Tc－Ts=krm2=To 消去k,得: －d2T/dx2=2×To/rm2 x Tav Ts rm Tc y Tc-Ts =To 厚度为的无限平板，在降温过程中内外温度的变化

15. 又根据不稳定传热过程（物体内各处的温度随时间而变化),物体内单位面积上温度随时间的变化率为:又根据不稳定传热过程（物体内各处的温度随时间而变化),物体内单位面积上温度随时间的变化率为: T/t=/cp ×2T/x2 T/t=－2To  /cp rm2 To=Tc－Ts=(T/t×rm2 ×0.5)/(  /cp )  /cp------导温系数或热扩散系数 （表征材料在温度变化时，内部各部分温度趋于均匀能力）。 rm o 无限平板的平均温度： Tav=ſ (Tc－kx2)dx/rm=2/3T 由表面温度与中心温度之差引起表面张应力，与表面温度和平均温度之差成正比。Tav－Ts= (1－ )/  E 在临界温差，Tav－Ts= f(1－ )/  E =2/3To= Tmax

16. 最大冷却速率 ： －|dT/dt|max=  /cp × f(1－ )/  E ×3/ rm2 第三热应力因子： R=  /cp × f(1－ )/  E = R/ cp 最大冷却速率可以简化为： －|dT/dt|max= R×3/ rm2

17. 4.4.4 抗热冲击损伤性 适合于含有微孔的材料、非均质的金属陶瓷。 瞬时不断裂的原因是微裂纹被微孔、晶界、金属相所钉扎。 例如：耐火砖中含有气孔率时具有最好的抗热冲击损伤性，但气孔的存在会降低材料的强度和热导率，热应力因子减小。

18. 1. 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。 材料中微裂纹扩展、蔓延的程度，积存的弹性应变能、裂纹扩展的断裂表面能影响材料的抗热损伤性。 积存的弹性应变能较小，材料的扩展小；裂纹扩展的断裂表面能大，裂纹的蔓延程度小。

19. 2 . 抗热应力损伤因子 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。 RE/2(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×2 eff/2(1－) 用于比较具有不同断裂表面能的材料。 强度高的材料原有裂纹在热应力的作用下容易扩展蔓延，对热稳定性不利。

20. 4.4.5 提高抗热冲击断裂性能的措施 1. 提高材料的强度f，减小弹性模量E。 2. 提高材料的热导率 。 3. 减小材料的热膨胀系数 。 4. 减小表面热传递系数h。 5. 减小产品的有效厚度rm。