مواد سرامیکی در تولید برق هسته ای، شیمیایی و الکتریکی به دلیل توانایی آنها در تحمل محیط های بسیار سخت استفاده می شوند. هر چند در دماهای بالا، سرامیک ها مستعد شکست در اثر شوک های حرارتی هستند که با تغییرات سریع دما مانند برخورد قطرات آب سرد روی سطوح گرم ایجاد می شود. در پژوهشی نوین و بین رشته ای، مهندسان در دانشگاه نیومکزیکو یک پوشش ارزان، ساده و آبگریز را جهت مقابله با شوک حرارتی در سرامیک ها ابداع کرده اند. این پژوهش در ژورنال AIP Advances به چاپ رسیده است.
یکی از نویسندگان این مقاله، Youho Lee ، می گوید: “ما از همان مواد [مرسوم] استفاده کردیم ولی انتقال حرارت را کنترل کردیم، به ماده اجازه دادیم تا با یک شیب ملایم تر حرارتی روبرو شود، از تنش های کششی کاستیم و در نهایت رفتار در شوک حرارتی را شدیداً بهبود دادیم.”
لی می گوید، در پژوهش های قبلی جهت ارتقا مقاومت به شوک حرارتی، دانشمندان علم مواد خواص خود ماده را تغییر می دادند ولی این روش گران و سخت با اشکالات ذاتی همراه است. “هنگامی که یک ماده در یک زمینه ارتقا می یابد، سایر خواص آن قربانی می شوند.”
در این پژوهش با تصویر برداری سریع از برخورد قطرات آب به سطح سرامیک گرم شده، انتقال حرارت بررسی شد. “هنگامی که انتقال حرارت سریع است، لحظات برخورد همراه با حباب ها و جریان ها (جت ها) ی تندی می باشد.” این مود های انتقال حرارت سریع طبق بررسی های تست خمش، موجب کاهش استحکام ماده می شوند. با افزایش دما تا دما های 325 درجه سانتیگراد، کاهش استحکام ماده زیادتر می شود و دینامیک قطرات دراماتیک تر می شود که نشان از انتقال سریع حرارت دارد. ولی در دماهای بالاتر از 325 درجه سانتیگراد، استحکام ماده کمتر با شوک حرارتی تحت تأثیر قرار می گیرد چرا که دینامیک قطرات به سمت تشکیل لایه ی بخار می رود.
در نتیجه آنها از همین ایده برای افزایش مقاومت به شوک حرارتی در دماهای زیر 325 درجه سانتیگراد استفاده کردند. آنها سطح سرامیک را با پوشش هایی از نانوذرات آبگریز کردند. پس زده شدن آب از سطح به ایجاد یک لایه بخار ایزوله کننده و در نتیجه کاهش انتقال حرارت کمک می کند. در نتیجه سرامیک های لایه نشانی شده هیچ تغییری در استحکام پس از برخورد قطرات نمی دهند.
بر طبق گفته لی، “آنچه که انجام شد بسیار ساده و بدون نیاز به تجهیزات و مواد گران است.” “نوآوری این پژوهش، جلوگیری از انتقال حرارت شدید با ایجاد یک لایه بخار می باشد که ماده را از شوک حرارتی ایزوله می کند.”
به کمک دانش فنی لی در زمینه مهندسی هسته ای، او پیش بینی می کند که این یافته ها می توانند در ارتقا ایمنی نیروگاه های هسته ای با افزایش تحمل شوک حرارتی اجزاء سازنده آنها کمک کتد. اما کاربرد این پوشش های ایزوله کننده به نیروگاه های هسته ای محدود نمی شوند و در هر کاربرد مواد سرامیکی در دماهای بالا در صنایع کمک می کند.
لی همچنین پیش بینی می کند که از این رابطه بین مود انتقال حرارت و تغییر در استحکام می توان در یافتن میزان انتقال حرارت بهره برد. به این صورت که در مکان هایی چون محفظه های فشار بالا، که امکان قرار دادن دوربین سریع وجود ندارد. با قرار دادن قطعه سرامیکی و بررسی استحکام آن (به عبارتی بررسی حافظه آن) می توان معیاری از انتقال حرارت بدست آورد.
جهت مطالعه اصل مقاله به لینک زیر مراجعه شود:
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5041809
منابع:
