W 7 - 12 IV 2010

Odporność na udary cieplne

Nowoczesna ceramika wysokotemperaturowa jest stosowana w postaci elementów silników spalinowych, w których występują gwałtowne zmiany temperatury i naprężeń.

Na ogół materiały ceramiczne są wrażliwe na gwałtowne zmiany temperatury powodujące ich pękanie. Odporność na udary cieplne waha się od 80˚C dla szkła sodowego do 500˚C dla Si₃N₄.

Prostym sposobem określenia odporności na szoki cieplne jest wrzucanie do zimnej wody próbek nagrzewanych do coraz wyższych temperatur. Miarą odporności na udary cieplne jest maksymalna różnica temperatur, jaką próbka wytrzymuje. Zmiana temperatury w trakcie chłodzenia nie zachodzi jednakowo w całym przekroju próbki. Prowadzi to do różnicy naprężeń wynikających z linowego współczynnika rozszerzalności cieplnej i skurczu materiału. Warstwa wierzchnia elementu ulega szybszemu schłodzeniu niż jego rdzeń. W warstwie tej powstają sprężyste naprężenia rozciągające, które w chwili osiągnięcia wartości R_m powodują zniszczenie powierzchni elementu (popękanie i odpadnięcie warstwy wierzchniej).

Wartość sprężystych naprężeń rozciągających opisana jest wzorem:

E - moduł sprężystości

α - współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej materiału

ΔT - maksymalna różnica temperatur, jaką próbka wytrzymuje

Ogniotrwałość

Przez ogniotrwałość rozumiemy trwałość kształtu podczas długotrwałego działania wysokich temperatur. Za materiały ogniotrwałe uznaje się te, które wytrzymują długotrwałe działanie temperatur wyższych od 1580˚C bez odkształceń i rozmiękczania.

W przemyśle praktycznie tylko wyroby ceramiczne, np. szamotowe są stosowane na osłony ogniotrwałe, wykładziny pieców itp.

Mrozoodporność

Budowlane materiały ceramiczne są narażone na zmiany klimatu i często muszą pracować i zachowywać dobrą jakość w zakresie temperatur od -30 do +40˚C przy zmiennej wilgotności. Z tego względu należy je poddać ocenie mrozoodporności, która polega na stwierdzeniu, czy materiał ulega zniszczeniu, określeniu zmiany masy próbki i porównaniu wytrzymałości na ściskanie próbki przed i po 25 cyklach zamrażania.

Próbki nasyca się wodą do stałej masy i poddaje zamrażaniu w temperaturze -20˚C i następnie odmrażaniu w wodzie o temperaturze +20˚C. Cykl powinien trwać 4 h i powtarza się go 25 razy.

Zmianę masy oblicza się z wzoru:

m₁ - masa próbki nasyconej wodą przed badaniem [kg]

m - masa próbki nasyconej wodą po badaniu [kg]

Rozszerzalność cieplna

Rozszerzalność cieplna jest to wzrost wymiarów i objętości ciał pod wpływem wzrostu temperatury. Jest to związane ze wzrostem energii cząsteczek (atomów), czemu towarzyszy wzrost odległości między nimi.

Wielkościami charakteryzującymi rozszerzalność cieplną są:

• współczynnik rozszerzalności liniowej α oznaczający przyrost długości materiału przy ogrzaniu o 1˚C

Δl - przyrost bezwzględny długości próbki [mm]

l - długość początkowa próbki [mm]

Δt - przyrost temperatury [˚C]

Jeżeli znamy wartość alfa, to można obliczyć przyrost długości pręta po ogrzaniu o wartość Δt:

• współczynnik rozszerzalności objętościowej β - oznacza przyrost objętości materiału po ogrzaniu o 1˚C

ΔV - przyrost bezwzględny objętości próbki [mm³]

V - objętość początkowa próbki [mm³]

Upraszczając, dla ciał izotropowych wartość β można obliczyć z zależności β = 3α, natomiast w przypadku ciał anizotropowych rozszerzalność zależy od wybranego kierunku.

Dla niektórych materiałów w określonym zakresie temperatur można zaobserwować anomalną rozszerzalność objawiającą się kurczeniem podczas ogrzewania.

Pojemność cieplna

Zdolność materiału do kumulowania ciepła podczas ogrzewania.

Ilość ciepła potrzebną do ogrzania ciała o ΔT określa się:

c - ciepło właściwe materiału [kJ/(kg ∙˚C)] m - masa próbki [kg]

t2 - temperatura końcowa materiału t1 - temperatura początkowa materiału

Dla ceramiki ciepło właściwe wynosi 0,7-0,95 kJ/(kg ∙˚C), dla metali 0,1 - 0,92
kJ/(kg ∙˚C), dla wody 4,19 kJ/(kg ∙˚C).

Przewodność cieplna właściwa

Jest to zdolność materiału do przewodzenia strumienia cieplnego powstającego na skutek różnicy temperatur na powierzchniach materiału.

Przewodność cieplną charakteryzuje współczynnik przewodności cieplnej λ [W/(m∙˚C)]. Jest to ilość ciepła dQ przepływającego w jednostce czasu dτ przez jednostkę przekroju F przy gradiencie temperatur dt/dx względem odległości x równej jedności.

Przewodność cieplna właściwa zależy od struktury materiału, jego składu chemicznego i stopnia wilgotności (λ rośnie ze wzrostem wilgotności materiału).

---