新纳米涂层可使工业陶瓷免受热冲击

由于其能够承受极端环境，陶瓷材料被用于核、化学和发电行业。然而，在高温下，由于快速温度变化事件(例如冷水滴接触热表面)引起的热冲击，陶瓷容易破裂。在一个新颖的跨学科方法中，新墨西哥大学的工程师在美国物理联合会的期刊《美国物理联合会的进步》上报道了一种廉价、简单的疏水涂层来防止陶瓷热冲击，美国物理联合会是美国物理联合会出版集团的子公司。

“我们使用了完全相同的材料，但控制了热传递，使陶瓷经历了更温和的温度梯度，降低了拉伸应力，从而大大改善了热冲击性能。”作者之一，李友浩说。

热冲击是厨房中新手厨师经历的常见现象，他们没有意识到玻璃对急剧的温度变化非常敏感。如果刚从烤箱中恢复的玻璃砂锅受到冷水的影响，表面温度的突然下降将在材料内部产生不均匀的温度梯度，导致拉伸应力并最终破裂。相同的热震敏感性也会影响工业陶瓷的使用寿命。

从跨学科的学术背景出发，李决定探索热传递对陶瓷热冲击的影响。他通过拍摄水滴对加热陶瓷表面影响的高速视频来分析热传递。"当热传递很快时，碰撞时会在表面产生剧烈的气泡和射流。"

研究发现，这些更快的热传递模式对应于材料强度的降低。当陶瓷被加热到325℃时，发生了更强烈的液滴动力学过程(表明传热更快)，并且材料的强度相应地显著降低。然而，当温度高于325℃时，材料强度似乎较少受到热冲击的影响，而液滴动力学变化形成更明显的蒸汽膜。

为了减少陶瓷在高达325℃的温度下经受的热传递和热冲击。李博士利用了核工程的一些基本知识，也就是说，两相传热速率可以通过将水驱离表面以形成绝缘蒸汽膜来降低。为此，他在陶瓷表面涂上纳米粒子，形成纳米结构的疏水表面。当在具有新涂层的陶瓷材料上重复该实验时，水滴的动力学发生了很大变化，并且没有剧烈的泡沫喷射。观察到蒸汽膜的形成。关键在于，具有新涂层的陶瓷在水滴撞击后强度不会改变。(宗华)

相关论文信息:DOI: 10.1063/1.5041809

中国科学新闻(2018-09-27第二版国际版)